DE102019205345A1

DE102019205345A1 - Wälzelementvorrichtung mit gemeinsam kippbaren Laufbahnen

Info

Publication number: DE102019205345A1
Application number: DE102019205345.9A
Authority: DE
Inventors: Jonas SCHWENGLER; Tobias Eberhardt
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2019-04-12
Filing date: 2019-04-12
Publication date: 2020-10-15
Also published as: US20200362727A1; US11486267B2

Abstract

Eine Wälzelementvorrichtung (1; 1'), insbesondere für ein Gasturbinentriebwerk (10), umfasst einen Außenring (50) mit einer inneren Laufbahn (51), einen Innenring (54) mit einer äußeren Laufbahn (55) und Wälzelemente (58), die zwischen den Laufbahnen (51, 55) angeordnet sind um daran abzurollen, wobei der Außenring (50) und der Innenring (54) jeweils über einen Verbindungsabschnitt (52, 56) mit jeweils einem Befestigungsabschnitt (53, 57) zur Befestigung mit einer von zwei um eine Drehachse (9) zueinander drehbaren Komponenten (24, 34; 24, 42) verbunden sind und die Verbindungsabschnitte (52, 56) derart ausgebildet sind, dass die beiden Laufbahnen (51, 55) zumindest abschnittsweise gemeinsam relativ zur Drehachse (9) verkippbar sind.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Wälzelementvorrichtung gemäß Anspruch 1, auf ein Getriebe und ein Gasturbinentriebwerk und auf ein Verfahren zur Herstellung einer Wälzelementvorrichtung gemäß Anspruch 17.
Bei Wälzlagern und Getrieben wird üblicherweise angestrebt, bei den relativ zueinander um eine Achse bewegbaren Komponenten (z.B. eine Welle und eine Lagerschale) eine Verkippung relativ zu dieser Achse möglichst gering zu halten, um eine sichere Abstützung der bewegbaren Komponenten zu gewährleisten. Beispielsweise kann es bei einem Wälzlager mit zylindrischen Walzen als Wälzelementen ab einem bestimmten Kippwinkel zu einem Kantentragen kommen, wodurch die Wälzelemente stark abgenutzt werden können.
Hierzu werden Stützstrukturen der Lager und Getriebe in der Regel mit einem den im jeweiligen Anwendungsfall auftretenden Kräften entsprechenden Verstärkung ausgebildet, was allerdings zu einem vergleichsweise hohen Gewicht führen kann.
Alternativ ist es möglich, z.B. verkippungstolerante Wälzlager einzusetzen, beispielsweise Pendelrollenlager oder Toroidalrollenlager. Derartige Lager weisen allerdings oftmals Nachteile auf, z.B. in Bezug auf den Aufwand des Zusammenbaus, auf Verlustleistungen und/oder auf radiale Tragfähigkeiten.
Zur Übertragung von großen Drehmomenten werden regelmäßig Getriebeanordnungen eingesetzt, die ein Planetengetriebe umfassen, das mittels einer Halteeinrichtung an einer tragenden Struktur moniert ist. Planetengetriebe können als Untersetzungsgetriebe eingesetzt werden, z.B. um mittels einer schnell drehenden Welle eines Gasturbinentriebwerks einen Fan mit einer niedrigeren Drehzahl anzutreiben. Dies ermöglicht einen besonders großen Durchmesser des Fans trotz einer hohen Drehzahl einer die Welle antreibenden Turbine.
Um den Belastungen im Betrieb dauerhaft standzuhalten, sind insbesondere Planetengetriebe von Gasturbinentriebwerken und die entsprechenden Lagerungen üblicherweise entsprechend massiv ausgeführt. Allerdings kann ein hohes Gewicht zu einem erhöhten Treibstoffverbrauch führen, wenn das Gasturbinentriebwerk z.B. in einem Flugzeug eingesetzt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Wälzelementvorrichtung zu schaffen.
Gemäß einem Aspekt wird eine Wälzelementvorrichtung bereitgestellt, die insbesondere zum Einsatz in einem Gasturbinentriebwerk ausgebildet sein kann. Die Wälzelementvorrichtung umfasst einen Außenring mit einer inneren Laufbahn, einen Innenring mit einer äußeren Laufbahn und Wälzelemente. Die Wälzelemente sind derart zwischen den Laufbahnen angeordnet, dass sie an der inneren und der äußeren Laufbahn abrollen können. Der Außenring ist über einen dem Außenring zugeordneten Verbindungsabschnitt mit einem dem Außenring zugeordneten Befestigungsabschnitt zur festen Verbindung mit einer von zwei relativ zueinander um eine Drehachse drehbaren Komponenten verbunden. Der Innenring ist über einen dem Innenring zugeordneten Verbindungsabschnitt mit einem dem Innenring zugeordneten Befestigungsabschnitt zur festen Verbindung mit der anderen der zwei relativ zueinander um die Drehachse drehbaren Komponenten verbunden. Die Verbindungsabschnitte sind derart ausgebildet, dass die beiden Laufbahnen zumindest abschnittsweise (optional jeweils als Ganzes) gemeinsam relativ zur Drehachse verkippbar sind.
Eine derartig ausgebildete Wälzelementvorrichtung erlaubt ein Verkippen der Laufbahnen, ohne dass es zu einem Einklemmen von Wälzelementen und einem Kantentragen kommt, selbst wenn zylindrische Walzen als Wälzelemente eingesetzt werden, weil die Laufbahnen gemeinsam kippen. Hierdurch kann die Wälzelementvorrichtung mit einem vergleichsweise geringen Materialaufwand hergestellt werden, wodurch ein niedriges Gewicht der Wälzelementvorrichtung erzielbar ist. Somit kann eine besonders leichte und zugleich langlebige Wälzelementvorrichtung bereitgestellt werden, die auch eine verbesserte Robustheit und Zuverlässigkeit aufweisen kann. Ferner kann eine radiale Lagersteifigkeit eingestellt werden. Bei der Wälzelementvorrichtung handelt es sich z.B. um ein zylindrisches Rollenlager.
Die beiden Laufbahnen und/oder Verbindungsabschnitte sind aufeinander abgestimmt, sodass sie gemeinsam verkippbar sind. Beispielsweise umfassen die Laufbahnen gleiche oder unterschiedliche (axiale) Längen und/oder die Verbindungsabschnitte weisen gleiche oder unterschiedliche Materialstärken auf. Optional sind an einem oder beiden Verbindungsabschnitten und/oder an einer oder beiden Laufbahnen Verstärkungen ausgebildet oder abgebracht. Alternativ oder zusätzlich sind eine oder mehrere Aussparungen vorgesehen, z.B. an einem oder beiden Verbindungabschnitten. Optional sind der Außenring, der dem Außenring zugeordnete Verbindungsabschnitt und/oder der dem Außenring zugeordnete Befestigungsabschnitt einstückig, optional einstückig miteinander ausgebildet, alternativ dazu mehrstückig und/oder aneinander befestigt. Entsprechend können der Innenring, der dem Innenring zugeordnete Verbindungsabschnitt und/oder der dem Innenring zugeordnete Befestigungsabschnitt einstückig, optional einstückig miteinander ausgebildet sein, alternativ dazu mehrstückig und/oder aneinander befestigt sein.
Bei den beiden relativ zueinander um die Drehachse drehbaren Komponenten kann es sich um eine stationäre Stützstruktur und eine relativ dazu mittels einer Turbine drehbare Komponente des Gasturbinentriebwerks handeln. Beispielsweise ist die Wälzelementvorrichtung zur drehbaren Lagerung der drehbaren Komponente an der stationären Stützstruktur ausgebildet.
Die Verbindungsabschnitte sind beispielsweise flexibel ausgebildet. So ist ein Verkippen ohne aufwändige Mechanik möglich.
Optional werden die Verbindungsabschnitte bei äußerer Einwirkung einer Kraft derart (insbesondere elastisch) verformt, dass die beiden Laufbahnen zumindest abschnittsweise um im Wesentlichen denselben Winkel relativ zur Drehachse gekippt werden. Beispielsweise liegt eine relative Verkippung zwischen den beiden Laufbahnen bei unter 1,5 mrad.
Die Laufbahnen sind z.B. sowohl in einem relativ zur Drehachse verkippten Zustand als auch in einem relativ zur Drehachse nicht verkippten Zustand parallel zueinander ausgerichtet (insbesondere Im Querschnitt entlang der Drehachse betrachtet).
Die Verbindungsabschnitte weisen jeweils eine Steifigkeit auf. Die Steifigkeiten können aufeinander abgestimmt sein, z.B. derart, dass eine relative Verkippung zwischen den beiden Laufbahnen bei unter 1,5 mrad liegt, während eine gemeinsame Verkippung relativ zur Drehachse deutlich über diesem Wert liegt (beispielsweise bei einem Vielfachen dieses Werts, z.B. zumindest eine Größenordnung darüber).
Optional weisen die Steifigkeiten zueinander ein Verhältnis von 1,0 +/- 0,2, insbesondere von 1,0 +/- 0,1, insbesondere von 1,0 +/- 0,05, auf.
Optional ist eine der Laufbahnen oder sind beide Laufbahnen (in Bezug auf die jeweiligen Befestigungsabschnitte) überhängend angeordnet. Die Wälzelementvorrichtung bildet z.B. ein überhängendes Rollenlager. Das erlaubt einen einfachen Aufbau, der zudem mit einem geringen Bauraum realisierbar ist.
Der Außenring und/oder der Innenring kann/können durch die jeweiligen Verbindungsabschnitte axial beabstandet vom jeweiligen Befestigungsabschnitt angeordnet sein. Dies ermöglicht eine kompakte Bauweise und auf diese Weise kann eine überhängende Anordnung der Laufbahnen realisiert werden.
Bei der Wälzelementvorrichtung kann es sich um ein Wälzlager handeln. Die Laufbahnen sind dann beispielsweise eben. Beispielsweise ist das Wälzlager ein Zylinderrollenlager vom Typ N, NU oder NJ.
In einer Weiterbildung ist die Wälzelementvorrichtung in Form eines zylindrischen Rollenlagers ausgebildet. Die Wälzelemente weisen z.B. eine zylindrische Form auf, etwa in Form von Walzen. Die axiale Länge der Walzelemente kann größer sein als der Durchmesser.
Gemäß einem Aspekt wird ein Getriebe bereitgestellt. Das Getriebe ist beispielsweise zum Antreiben eines Fans eines Gasturbinentriebwerks ausgebildet. Das Getriebe umfasst eine Wälzelementvorrichtung (optional mehrere Wälzelementvorrichtungen) nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung.
Das Getriebe ist z.B. ausgebildet als Planetengetriebe mit einem mittels der Wälzelementvorrichtung drehbar gelagerten Getriebeelement. Bei dem Getriebeelement handelt es sich z.B. um einen Planetenträger oder ein Hohlrad.
Alternativ bilden bei dem als Planetengetriebe ausgebildeten Getriebe z.B. der Außenring der Wälzelementvorrichtung ein Hohlrad, der Innenring der Wälzelementvorrichtung ein Sonnenrad und die Wälzelemente Planetenräder des Planetengetriebes.
Das Getriebe kann eine Schrägverzahnung aufweisen, insbesondere eine doppelte Schrägverzahnung, z.B. eine Pfeilverzahnung. Alternativ ist jedoch auch eine Geradverzahnung denkbar.
Gemäß einem Aspekt wird ein Triebwerk für ein Luftfahrzeug bereitgestellt, das die Wälzelementvorrichtung und/oder das Getriebe nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung umfasst. Bei dem Triebwerk handelt es sich z.B. um ein Gasturbinentriebwerk oder um ein elektrisch angetriebenes Triebwerk (z.B. ein e-Fan).
Gemäß einem Aspekt wird ein Gasturbinentriebwerk für ein Luftfahrzeug bereitgestellt, das Folgendes umfasst: ein Kerntriebwerk, das eine Turbine, einen Verdichter und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende Kernwelle; einen Fan, der stromaufwärts des Kerntriebwerks positioniert ist, wobei der Fan mehrere Fanschaufeln umfasst; und ein Getriebe, das von der Kernwelle antreibbar ist, wobei der Fan mittels des Getriebes mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle antreibbar ist, wobei das Getriebe nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung ausgebildet ist.
Bei dem Gasturbinentriebwerk sind optional die Turbine eine erste Turbine, der Verdichter ein erster Verdichter und die Kernwelle eine erste Kernwelle. Das Kerntriebwerk kann ferner eine zweite Turbine, einen zweiten Verdichter und eine zweite Kernwelle, die die zweite Turbine mit dem zweiten Verdichter verbindet, umfassen. Die zweite Turbine, der zweite Verdichter und die zweite Kernwelle können dazu eingerichtet sein, sich mit einer höheren Drehzahl als die erste Kernwelle zu drehen.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer Wälzelementvorrichtung bereitgestellt, insbesondere der Wälzelementvorrichtung nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung. Das Verfahren umfasst einen Schritt eines Bereitstellens eines Außenrings mit einer inneren Laufbahn und eines Innenrings mit einer äußeren Laufbahn, wobei der Außenring und der Innenring jeweils über einen Verbindungsabschnitt mit jeweils einem Befestigungsabschnitt zur festen Verbindung mit einer von zwei relativ zueinander um eine Drehachse drehbaren Komponenten verbunden sind und die Verbindungsabschnitte derart aufeinander abgestimmt ausgebildet werden, dass die beiden Laufbahnen zumindest abschnittsweise gemeinsam relativ zur Drehachse verkippbar sind. Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt eines Anordnens von Wälzelementen derart zwischen den Laufbahnen, dass die Wälzelemente daran abrollen können.
Die abgestimmte Ausbildung der Verbindungsabschnitte kann zusätzlich auf einer vorgegebenen radialen Lagersteifigkeit basieren, die somit (in besonders einfacher Weise) einstellbar ist.
Optional umfasst das Verfahren ferner einen Schritt eines Ermittelns einer Geometrie und/oder Materialeigenschaft der Verbindungsabschnitte in einer Optimierungsprozedur. Optional umfasst die Optimierungsprozedur einen FEM-Algorithmus und/oder erfolgt iterativ.
Wie hier an anderer Stelle angeführt wird, kann sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk, z.B. ein Flugzeugtriebwerk, beziehen. Solch ein Gasturbinentriebwerk kann ein Kerntriebwerk umfassen, das eine Turbine, eine Brennervorrichtung, einen Verdichter und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende Kernwelle umfasst. Solch ein Gasturbinentriebwerk kann einen Fan (mit Fanschaufeln) umfassen, der stromaufwärts des Kerntriebwerks positioniert ist.
Anordnungen der vorliegenden Offenbarung können insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, für Getriebe-Fans, die über ein Getriebe angetrieben werden, von Vorteil sein. Entsprechend kann das Gasturbinentriebwerk ein Getriebe umfassen, das über die Kernwelle angetrieben wird und dessen Abtrieb den Fan so antreibt, dass er eine niedrigere Drehzahl als die Kernwelle aufweist. Der Eingang für das Getriebe kann direkt von der Kernwelle oder indirekt über die Kernwelle, beispielsweise über eine Stirnwelle und/oder ein Stirnzahnrad, erfolgen. Die Kernwelle kann mit der Turbine und dem Verdichter starr verbunden sein, so dass sich die Turbine und der Verdichter mit derselben Drehzahl drehen (wobei sich der Fan mit einer niedrigeren Drehzahl dreht).
Das Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann eine beliebige geeignete allgemeine Architektur aufweisen. Beispielsweise kann das Gasturbinentriebwerk eine beliebige gewünschte Anzahl an Wellen aufweisen, die Turbinen und Verdichter verbinden, beispielsweise eine, zwei oder drei Wellen. Lediglich beispielhaft kann die mit der Kernwelle verbundene Turbine eine erste Turbine sein, der mit der Kernwelle verbundene Verdichter kann ein erster Verdichter sein und die Kernwelle kann eine erste Kernwelle sein. Das Kerntriebwerk kann ferner eine zweite Turbine, einen zweiten Verdichter und eine zweite Kernwelle, die die zweite Turbine mit dem zweiten Verdichter verbindet, umfassen. Die zweite Turbine, der zweite Verdichter und die zweite Kernwelle können dahingehend angeordnet sein, sich mit einer höheren Drehzahl als die erste Kernwelle zu drehen.
Bei einer solchen Anordnung kann der zweite Verdichter axial stromabwärts des ersten Verdichters positioniert sein. Der zweite Verdichter kann dahingehend angeordnet sein, eine Strömung von dem ersten Verdichter aufzunehmen (beispielsweise direkt aufzunehmen, beispielsweise über einen generell ringförmigen Kanal).
Das Getriebe kann dahingehend ausgebildet sein, dass es von der Kernwelle angetrieben wird, die dazu konfiguriert ist, sich (beispielsweise im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen (beispielsweise die erste Kernwelle in dem obigen Beispiel). Beispielsweise kann das Getriebe dahingehend ausgebildet sein, dass es lediglich von der Kernwelle angetrieben wird, die dazu konfiguriert ist, sich (beispielsweise im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen (beispielsweise nur von der ersten Kernwelle und nicht der zweiten Kernwelle bei dem obigen Beispiel). Alternativ dazu kann das Getriebe dahingehend ausgebildet sein, dass es von einer oder mehreren Wellen angetrieben wird, beispielsweise der ersten und/oder der zweiten Welle in dem obigen Beispiel.
Bei einem Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann eine Brennvorrichtung axial stromabwärts des Fans und des Verdichters (oder der Verdichter) vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Brennervorrichtung direkt stromabwärts des zweiten Verdichters (beispielsweise an dessen Ausgang) liegen, wenn ein zweiter Verdichter vorgesehen ist. Als ein weiteres Beispiel kann die Strömung am Ausgang des Verdichters dem Einlass der zweiten Turbine zugeführt werden, wenn eine zweite Turbine vorgesehen ist. Die Brennervorrichtung kann stromaufwärts der Turbine (der Turbinen) vorgesehen sein.
Der oder jeder Verdichter (beispielsweise der erste Verdichter und der zweite Verdichter gemäß obiger Beschreibung) kann eine beliebige Anzahl an Stufen, beispielsweise mehrere Stufen, umfassen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorschaufeln umfassen, bei denen es sich um variable Statorschaufeln handeln kann (d.h. der Anstellwinkel kann variabel sein). Die Reihe von Rotorschaufeln und die Reihe von Statorschaufeln können axial zueinander versetzt sein.
Die oder jede Turbine (beispielsweise die erste Turbine und die zweite Turbine gemäß obiger Beschreibung) kann eine beliebige Anzahl an Stufen, beispielsweise mehrere Stufen, umfassen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorschaufeln umfassen. Die Reihe von Rotorschaufeln und die Reihe von Statorschaufeln können axial zueinander versetzt sein.
Jede Fanschaufel kann eine radiale Spannweite aufweisen, die sich von einem Fuß (oder einer Nabe) an einer radial innenliegenden, von Gas überströmten Stelle oder sich von einer Position einer Spannweite von 0 % zu einer Spitze mit einer Spannweite von 100 % erstreckt. Das Verhältnis des Radius der Fanschaufel an der Nabe zu dem Radius der Fanschaufel an der Spitze kann bei weniger als (oder in der Größenordnung von): 0,4, 0,39, 0,38, 0,37, 0,36, 0,35, 0,34, 0,33, 0,32, 0,31, 0,3, 0,29, 0,28, 0,27, 0,26 oder 0,25 liegen. Das Verhältnis des Radius der Fanschaufel an der Nabe zu dem Radius der Fanschaufel an der Spitze kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei Werten im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Diese Verhältnisse können allgemeinhin als das Nabe-Spitze-Verhältnis bezeichnet werden. Der Radius an der Nabe und der Radius an der Spitze können beide an der vorderen Kante (oder der axial am weitesten vorne liegenden Kante) der Schaufel gemessen werden. Das Nabe-Spitze-Verhältnis bezieht sich natürlich auf den von Gas überströmten Abschnitt der Fanschaufel, d. h. den Abschnitt, der sich radial außerhalb jeglicher Plattform befindet.
Der Radius des Fans kann zwischen der Mittellinie des Triebwerks und der Spitze der Fanschaufel an ihrer vorderen Kante gemessen werden. Der Durchmesser des Fans (der allgemein das Doppelte des Radius des Fans sein kann) kann größer als (oder in der Größenordnung von): 250 cm (etwa 100 Inch), 260 cm, 270 cm (etwa 105 Inch), 280 cm (etwa 110 Inch), 290 cm (etwa 115 Inch), 300 cm (etwa 120 Inch), 310 cm, 320 cm (etwa 125 Inch), 330 cm (etwa 130 Inch), 340 cm (etwa 135 Inch), 350 cm, 360 cm (etwa 140 Inch), 370 cm (etwa 145 Inch), 380 cm (etwa 150 Inch) oder 390 cm (etwa 155 Inch) sein (liegen). Der Fandurchmesser kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Die Drehzahl des Fans kann im Betrieb variieren. Allgemein ist die Drehzahl geringer für Fans mit einem größeren Durchmesser. Lediglich als ein nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Fans bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen weniger als 2500 U/min, beispielsweise weniger als 2300 U/min, betragen. Lediglich als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann auch die Drehzahl des Fans bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen für ein Triebwerk mit einem Fandurchmesser im Bereich von 250 cm bis 300 cm (beispielsweise 250 cm bis 280 cm) im Bereich von 1700 U/min bis 2500 U/min, beispielsweise im Bereich von 1800 U/min bis 2300 U/min, beispielsweise im Bereich von 1900 U/min bis 2100 U/min, liegen. Lediglich als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Fans bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen für ein Triebwerk mit einem Fandurchmesser im Bereich von 320 cm bis 380 cm in dem Bereich von 1200 U/min bis 2000 U/min, beispielsweise in dem Bereich von 1300 U/min bis 1800 U/min, beispielsweise in dem Bereich von 1400 U/min bis 1600 U/min, liegen.
Im Gebrauch des Gasturbinentriebwerks dreht sich der Fan (mit zugehörigen Fanschaufeln) um eine Drehachse. Diese Drehung führt dazu, dass sich die Spitze der Fanschaufel mit einer Geschwindigkeit U_Spitze bewegt. Die von den Fanschaufeln an der Strömung verrichtete Arbeit resultiert in einem Anstieg der Enthalpie dH der Strömung. Eine Fanspitzenbelastung kann als dH/U_Spitze ² definiert werden, wobei dH der Enthalpieanstieg (beispielsweise der durchschnittliche 1-D-Enthalpieanstieg) über den Fan hinweg ist und U_Spitze die (Translations-) Geschwindigkeit der Fanspitze, beispielsweise an der vorderen Kante der Spitze, ist (die als Fanspitzenradius am vorderen Rand multipliziert mit der Winkelgeschwindigkeit definiert werden kann). Die Fanspitzenbelastung bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen kann mehr als (oder in der Größenordnung von): 0,3, 0,31, 0,32, 0,33, 0,34, 0,35, 0,36, 0,37, 0,38, 0,39 oder 0,4 betragen (liegen) (wobei alle Einheiten in diesem Abschnitt Jkg^-1K^-1/(ms^-1)² sind). Die Fanspitzenbelastung kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Gasturbinentriebwerke gemäß der vorliegenden Offenbarung können ein beliebiges gewünschtes Bypassverhältnis aufweisen, wobei das Bypassverhältnis als das Verhältnis des Massendurchsatzes der Strömung durch den Bypasskanal zu dem Massendurchsatz der Strömung durch den Kern bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen definiert wird. Bei einigen Anordnungen kann das Bypassverhältnis mehr als (oder in der Größenordnung von): 10, 10,5, 11, 11,5, 12, 12,5, 13, 13,5, 14, 14,5, 15, 15,5, 16, 16,5 oder 17 betragen (liegen). Das Bypassverhältnis kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Der Bypasskanal kann im Wesentlichen ringförmig sein. Der Bypasskanal kann sich radial außerhalb des Kerntriebwerks befinden. Die radial äußere Fläche des Bypasskanals kann durch eine Triebwerksgondel und/oder ein Fangehäuse definiert werden.
Das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann als das Verhältnis des Staudrucks stromaufwärts des Fans zu dem Staudruck am Ausgang des Höchstdruckverdichters (vor dem Eingang in die Brennervorrichtung) definiert werden. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, bei Konstantgeschwindigkeit mehr als (oder in der Größenordnung von): 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75 betragen (liegen). Das Gesamtdruckverhältnis kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Der spezifische Schub eines Triebwerks kann als der Nettoschub des Triebwerks dividiert durch den Gesamtmassenstrom durch das Triebwerk hindurch definiert werden. Bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen kann der spezifische Schub eines Triebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, weniger als (oder in der Größenordnung von): 110 N kg^-1 s, 105 Nkg^-1s, 100 Nkg^-1s, 95 Nkg^-1s, 90 Nkg^-1s, 85 Nkg^-1s oder 80 Nkg^-1s betragen (liegen). Der spezifische Schub kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Solche Triebwerke können im Vergleich zu herkömmlichen Gasturbinentriebwerken besonders effizient sein.
Ein Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann einen beliebigen gewünschten Höchstschub aufweisen. Lediglich als ein nicht einschränkendes Beispiel kann eine Gasturbine, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, zur Erzeugung eines Höchstschubs von mindestens (oder in der Größenordnung von): 160 kN, 170 kN, 180 kN, 190 kN, 200 kN, 250 kN, 300 kN, 350 kN, 400 kN, 450 kN, 500 kN oder 550kN in der Lage sein. Der Höchstschub kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Der Schub, auf den oben Bezug genommen wird, kann der Nettohöchstschub bei standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen auf Meereshöhe plus 15 °C (Umgebungsdruck 101,3 kPa, Temperatur 30 °C) bei statischem Triebwerk sein.
Im Gebrauch kann die Temperatur der Strömung am Eingang der Hochdruckturbine besonders hoch sein. Diese Temperatur, die als TET bezeichnet werden kann, kann an dem Ausgang zur Brennvorrichtung, beispielsweise unmittelbar stromaufwärts der ersten Turbinenschaufel, die wiederum als eine Düsenleitschaufel bezeichnet werden kann, gemessen werden. Bei Konstantgeschwindigkeit kann die TET mindestens (oder in der Größenordnung von): 1400 K, 1450 K, 1500 K, 1550 K, 1600 K oder 1650 K betragen (liegen). Die TET bei Konstantgeschwindigkeit kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Die maximale TET im Gebrauch des Triebwerks kann beispielsweise mindestens (oder in der Größenordnung von): 1700 K, 1750 K, 1800 K, 1850 K, 1900 K, 1950 K oder 2000 K betragen (liegen). Die maximale TET kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Die maximale TET kann beispielsweise bei einer Bedingung von hohem Schub, beispielsweise bei einer MTO-Bedingung (MTO - Maximum Take-Off thrust - maximaler Startschub), auftreten.
Eine Fanschaufel und/oder ein Blattabschnitt (aerofoil) einer Fanschaufel, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann aus einem beliebigen geeigneten Material oder einer Kombination aus Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann zumindest ein Teil der Fanschaufel und/oder des Blatts zumindest zum Teil aus einem Verbundstoff, beispielsweise einem Metallmatrix-Verbundstoff und/oder einem Verbundstoff mit organischer Matrix, wie z. B. Kohlefaser, hergestellt werden. Als ein weiteres Beispiel kann zumindest ein Teil der Fanschaufel und/oder des Blatts zumindest zum Teil aus einem Metall, wie z. B. einem auf Titan basierendem Metall oder einem auf Aluminium basierenden Material (wie z. B. einer Aluminium-Lithium-Legierung) oder einem auf Stahl basierenden Material hergestellt werden. Die Fanschaufel kann mindestens zwei Bereiche umfassen, die unter Verwendung verschiedener Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann die Fanschaufel eine vordere Schutzkante aufweisen, die unter Verwendung eines Materials hergestellt wird, das dem Aufschlagen (beispielsweise von Vögeln, Eis oder anderem Material) besser widerstehen kann als der Rest der Schaufel. Solch eine vordere Kante kann beispielsweise unter Verwendung von Titan oder einer auf Titan basierenden Legierung hergestellt werden. Somit kann die Fanschaufel lediglich als ein Beispiel einen auf Kohlefaser oder Aluminium basierenden Körper (wie z. B. eine Aluminium-Lithium-Legierung) mit einem vorderen Rand aus Titan aufweisen.
Ein Fan, der hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann einen mittleren Abschnitt umfassen, von dem sich die Fanschaufeln, beispielsweise in einer radialen Richtung, erstrecken können. Die Fanschaufeln können auf beliebige gewünschte Art und Weise an dem mittleren Abschnitt angebracht sein. Beispielsweise kann jede Fanschaufel eine Fixierungsvorrichtung umfassen, die mit einem entsprechenden Schlitz in der Nabe (oder Scheibe) in Eingriff gelangen kann. Lediglich als ein Beispiel kann solch eine Fixierungsvorrichtung in Form eines Schwalbenschwanzes vorliegen, der zur Fixierung der Fanschaufel an der Nabe/Scheibe in einen entsprechenden Schlitz in der Nabe/Scheibe eingesteckt und/oder damit in Eingriff gebracht werden kann. Als ein weiteres Beispiel können die Fanschaufeln integral mit einem mittleren Abschnitt ausgebildet sein. Solch eine Anordnung kann als eine Blisk oder ein Bling bezeichnet werden. Ein beliebiges geeignetes Verfahren kann zur Herstellung solch einer Blisk oder solch eines Bling verwendet werden. Beispielsweise kann zumindest ein Teil der Fanschaufeln aus einem Block maschinell herausgearbeitet werden und/oder mindestens ein Teil der Fanschaufeln kann durch Schweißen, wie z. B. lineares Reibschweißen, an der Nabe/Scheibe angebracht werden.
Die Gasturbinentriebwerke, die hier beschrieben und/oder beansprucht werden, können oder können nicht mit einer VAN (Variable Area Nozzle - Düse mit variablem Querschnitt) versehen sein. Solch eine Düse mit variablem Querschnitt kann im Betrieb eine Variation des Ausgangsquerschnitts des Bypasskanals erlauben. Die allgemeinen Prinzipien der vorliegenden Offenbarung können auf Triebwerke mit oder ohne eine VAN zutreffen.
Der Fan einer Gasturbine, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann eine beliebige gewünschte Anzahl an Fanschaufeln, beispielsweise 16, 18, 20 oder 22 Fanschaufeln, aufweisen.
Gemäß der hier erfolgenden Verwendung können Konstantgeschwindigkeitsbedingungen die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen eines Luftfahrzeugs, an dem das Gasturbinentriebwerk angebracht ist, bedeuten. Solche Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können herkömmlicherweise als die Bedingungen während des mittleren Teils des Flugs definiert werden, beispielsweise die Bedingungen, denen das Luftfahrzeug und/oder das Triebwerk zwischen (hinsichtlich Zeit und/oder Entfernung) dem Ende des Steigflugs und dem Beginn des Sinkflugs ausgesetzt wird bzw. werden.
Lediglich als ein Beispiel kann die Vorwärtsgeschwindigkeit bei der Konstantgeschwindigkeitsbedingung bei einem beliebigen Punkt im Bereich von Mach 0,7 bis 0,9, beispielsweise 0,75 bis 0,85, beispielsweise 0,76 bis 0,84, beispielsweise 0,77 bis 0,83, beispielsweise 0,78 bis 0,82, beispielsweise 0,79 bis 0,81, beispielsweise in der Größenordnung von Mach 0,8, in der Größenordnung von Mach 0,85 oder in dem Bereich von 0,8 bis 0,85 liegen. Eine beliebige Geschwindigkeit innerhalb dieser Bereiche kann die Konstantgeschwindigkeitsbedingung sein. Bei einigen Luftfahrzeugen können die Konstantgeschwindigkeitsbedingung außerhalb dieser Bereiche, beispielsweise unter Mach 0,7 oder über Mach 0,9, liegen.
Lediglich als ein Beispiel können die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen bei einer Höhe entsprechen, die im Bereich von 10.000 m bis 15.000 m, beispielsweise im Bereich von 10.000 m bis 12.000 m, beispielsweise im Bereich von 10.400 m bis 11.600 m (etwa 38.000 Fuß) beispielsweise im Bereich von 10.500 m bis 11.500 m, beispielsweise im Bereich von 10.600 m bis 11.400 m, beispielsweise im Bereich von 10.700 m (etwa 35.000 Fuß) bis 11.300 m, beispielsweise im Bereich von 10.800 m bis 11.200 m, beispielsweise im Bereich von 10.900 m bis 11.100 m, beispielsweise in der Größenordnung von 11.000 m, liegt. Die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen bei einer beliebigen gegebenen Höhe in diesen Bereichen entsprechen.
Lediglich als ein Beispiel können die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen Folgendem entsprechen: einer Vorwärts-Mach-Zahl von 0,8; einem Druck von 23.000 Pa und einer Temperatur von -55 °C.
So wie sie hier durchweg verwendet werden, können „Konstantgeschwindigkeit“ oder „Konstantgeschwindigkeitsbedingungen“ den aerodynamischen Auslegungspunkt bedeuten. Solch ein aerodynamischer Auslegungspunkt (oder ADP - Aerodynamic Design Point) kann den Bedingungen (darunter beispielsweise die Mach-Zahl, Umgebungsbedingungen und Schubanforderung), für die der Fanbetrieb ausgelegt ist, entsprechen. Dies kann beispielsweise die Bedingungen, bei denen der Fan (oder das Gasturbinentriebwerk) konstruktionsgemäß den optimalen Wirkungsgrad aufweist, bedeuten.
Im Betrieb kann ein Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, bei den Konstantgeschwindigkeitsbedingungen, die hier an anderer Stelle definiert werden, betrieben werden. Solche Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können von den Konstantgeschwindigkeitsbedingungen (beispielsweise den Bedingungen während des mittleren Teils des Fluges) eines Luftfahrzeugs, an dem mindestens ein (beispielsweise zwei oder vier) Gasturbinentriebwerk(e) zur Bereitstellung von Schubkraft befestigt sein kann, bestimmt werden.
Für den Fachmann ist verständlich, dass ein Merkmal oder Parameter, das bzw. der in Bezug auf einen der obigen Aspekte beschrieben wird, bei einem beliebigen anderen Aspekt angewendet werden kann, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Des Weiteren kann ein beliebiges Merkmal oder ein beliebiger Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, bei einem beliebigen Aspekt angewendet werden und/oder mit einem beliebigen anderen Merkmal oder Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, kombiniert werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben; in den Figuren zeigen:

1 ein Luftfahrzeug in Form eines Flugzeugs mit mehreren Gastu rb i nentriebwerken;
2 eine Seitenschnittansicht eines Gasturbinentriebwerks;
3 eine Seitenschnittgroßansicht eines stromaufwärtigen Abschnitts eines Gasturbinentriebwerks;
4 eine zum Teil weggeschnittene Ansicht eines Getriebes für ein Gasturbinentriebwerk;
5 eine Schnittansicht einer Wälzelementvorrichtung;
6 eine Schnittansicht einer Wälzelementvorrichtung in einem kräftefreien Zustand;
7 die Wälzelementvorrichtung gemäß 6, wobei zusätzlich Richtungen von Kräften veranschaulicht sind;
8 die Wälzelementvorrichtung gemäß 6 und 7 in einem Zustand, in welchem die in 7 veranschaulichten Kräfte auf die Wälzelementvorrichtung einwirken; und
9 ein Verfahren zur Herstellung einer Wälzelementvorrichtung.

1 zeigt ein Luftfahrzeug 8 in Form eines Flugzeugs. Das Luftfahrzeug 8 umfasst mehrere Gasturbinentriebwerke 10. Um möglichst wenig Treibstoff zu verbrauchen und damit einen effizienten Betrieb und große Reichweiten zu ermöglichen, werden Flugzeugkomponenten regelmäßig in Leichtbauweise hergestellt. Ferner sind viele Flugzeugkomponenten regelmäßig so auszulegen, dass möglichst große Wartungsintervalle und eine möglichst hohe Ausfallsicherheit erreicht werden.
2 stellt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einer Hauptdrehachse 9 dar. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst einen Lufteinlass 12 und ein Fan 23, der zwei Luftströme erzeugt: einen Kernluftstrom A und einen Bypassluftstrom B. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst einen Kern 11, der den Kernluftstrom A aufnimmt. Das Kerntriebwerk 11 umfasst in Axialströmungsreihenfolge einen Niederdruckverdichter 14, einen Hochdruckverdichter 15, eine Verbrennungseinrichtung 16, eine Hochdruckturbine 17, eine Niederdruckturbine 19 und eine Kernschubdüse 20. Eine Triebwerksgondel 21 umgibt das Gasturbinentriebwerk 10 und definiert einen Bypasskanal 22 und eine Bypassschubdüse 18. Der Bypassluftstrom B strömt durch den Bypasskanal 22. Der Fan 23 ist über eine Welle 26 und ein epizyklisches Planetengetriebe 30 an der Niederdruckturbine 19 angebracht und wird durch diese angetrieben.
Im Betrieb wird der Kernluftstrom A durch den Niederdruckverdichter 14 beschleunigt und verdichtet und in den Hochdruckverdichter 15 geleitet, wo eine weitere Verdichtung erfolgt. Die aus dem Hochdruckverdichter 15 ausgestoßene verdichtete Luft wird in die Verbrennungseinrichtung 16 geleitet, wo sie mit Kraftstoff vermischt wird und das Gemisch verbrannt wird. Die resultierenden heißen Verbrennungsprodukte breiten sich dann durch die Hochdruck- und die Niederdruckturbine 17, 19 aus und treiben diese dadurch an, bevor sie zur Bereitstellung einer gewissen Schubkraft durch die Düse 20 ausgestoßen werden.
Die Hochdruckturbine 17 treibt den Hochdruckverdichter 15 durch eine geeignete Verbindungswelle 27 an. Der Fan 23 stellt allgemein den Hauptteil der Schubkraft bereit. Das epizyklische Planetengetriebe 30 ist ein Untersetzungsgetriebe.
Eine beispielhafte Anordnung für ein Getriebe-Fan-Gasturbinentriebwerk 10 wird in 3 gezeigt. Die Niederdruckturbine 19 (siehe 2) treibt die Welle 26 an, die mit einem Sonnenrad 28 des epizyklischen Planetengetriebes 30 gekoppelt ist. Mehrere Planetenräder 32, die durch einen Planetenträger 34 miteinander gekoppelt sind, befinden sich von dem Sonnenrad 28 radial außen und kämmen damit. Der Planetenträger 34 führt die Planetenräder 32 so, dass sie synchron um das Sonnenrad 28 kreisen, während er ermöglicht, dass sich jedes Planetenrad 32 um seine eigene Achse drehen kann. Der Planetenträger 34 ist über Gestänge 36 und eine Ausgangswelle 42 mit dem Fan 23 dahingehend gekoppelt, seine Drehung um die Triebwerksachse 9 anzutreiben. Ein Außenrad oder Hohlrad 38, das über Gestänge 40 mit einer stationären Stützstruktur 24 gekoppelt ist, befindet sich von den Planetenrädern 32 radial außen und kämmt damit.
Es wird angemerkt, dass die Begriffe „Niederdruckturbine“ und „Niederdruckverdichter“, so wie sie hier verwendet werden, so aufgefasst werden können, dass sie die Turbinenstufe mit dem niedrigsten Druck bzw. die Verdichterstufe mit dem niedrigsten Druck (d. h. dass sie nicht den Fan 23 umfassen) und/oder die Turbinen- und Verdichterstufe, die durch die verbindende Welle 26 mit der niedrigsten Drehzahl in dem Triebwerk (d. h. dass sie nicht die Getriebeausgangswelle, die den Fan 23 antreibt, umfasst) miteinander verbunden sind, bedeuten. In einigen Schriften können die „Niederdruckturbine“ und der „Niederdruckverdichter“, auf die hier Bezug genommen wird, alternativ dazu als die „Mitteldruckturbine“ und „Mitteldruckverdichter“ bekannt sein. Bei der Verwendung derartiger alternativer Nomenklatur kann der Fan 23 als eine erste Verdichtungsstufe oder Verdichtungsstufe mit dem niedrigsten Druck bezeichnet werden.
Das epizyklische Planetengetriebe 30 wird in 4 beispielhaft genauer gezeigt. Das Sonnenrad 28, die Planetenräder 32 und das Hohlrad 38 umfassen jeweils Zähne an ihrem Umfang, um ein Kämmen mit den anderen Zahnrädern zu ermöglichen. Jedoch werden der Übersichtlichkeit halber lediglich beispielhafte Abschnitte der Zähne in 4 dargestellt. Obgleich vier Planetenräder 32 dargestellt werden, liegt für den Fachmann auf der Hand, dass innerhalb des Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung mehr oder weniger Planetenräder 32 vorgesehen sein können. Praktische Anwendungen eines epizylischen Planetengetriebes 30 umfassen allgemein mindestens drei Planetenräder 32.
Das in 3 und 4 beispielhaft dargestellte epizyklische Planetengetriebe 30 ist ein Planetengetriebe, bei dem der Planetenträger 34 über Gestänge 36 mit der Ausgangswelle 42 gekoppelt ist, wobei das Hohlrad 38 festgelegt ist. Jedoch kann eine beliebige andere geeignete Art von Planetengetriebe 30 verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel kann das Planetengetriebe 30 eine Sternanordnung sein, bei der der Planetenträger 34 festgelegt gehalten wird, wobei gestattet wird, dass sich das Hohlrad (oder Außenrad) 38 dreht. Bei solch einer Anordnung wird der Fan 23 von dem Hohlrad 38 angetrieben. Als ein weiteres alternatives Beispiel kann das Getriebe 30 ein Differenzialgetriebe sein, bei dem gestattet wird, dass sich sowohl das Hohlrad 38 als auch der Planetenträger 34 drehen.
Es versteht sich, dass die in 3 und 4 gezeigte Anordnung lediglich beispielhaft ist und verschiedene Alternativen in dem Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung liegen. Lediglich beispielhaft kann eine beliebige geeignete Anordnung zur Positionierung des Getriebes 30 in dem Gasturbinentriebwerk 10 und/oder zur Verbindung des Getriebes 30 mit dem Gasturbinentriebwerk 10 verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel können die Verbindungen (z. B. die Gestänge 36, 40 in dem Beispiel von 3) zwischen dem Getriebe 30 und anderen Teilen des Gasturbinentriebwerks 10 (wie z. B. der Eingangswelle 26, der Ausgangswelle und der festgelegten Struktur 24) einen gewissen Grad an Steifigkeit oder Flexibilität aufweisen. Als ein weiteres Beispiel kann eine beliebige geeignete Anordnung der Lager zwischen rotierenden und stationären Teilen des Gasturbinentriebwerks 10 (beispielsweise zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle des Getriebes und den festgelegten Strukturen, wie z. B. dem Getriebegehäuse) verwendet werden, und die Offenbarung ist nicht auf die beispielhafte Anordnung von 3 beschränkt. Beispielsweise ist für den Fachmann ohne Weiteres erkenntlich, dass sich die Anordnung von Ausgang und Stützgestängen und Lagerpositionierungen bei einer Sternanordnung (oben beschrieben) des Getriebes 30 in der Regel von jenen, die beispielhaft in 3 gezeigt werden, unterscheiden würden.
Entsprechend dehnt sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk mit einer beliebigen Anordnung der Getriebearten (beispielsweise sternförmig oder epizyklisch planetenartig), Stützstrukturen, Eingangs- und Ausgangswellenanordnung und Lagerpositionierungen aus.
Optional kann das Getriebe Neben- und/oder alternative Komponenten (z. B. den Mitteldruckverdichter und/oder einen Nachverdichter) antreiben.
Andere Gasturbinentriebwerke, bei denen die vorliegende Offenbarung Anwendung finden kann, können alternative Konfigurationen aufweisen. Beispielsweise können derartige Triebwerke eine alternative Anzahl an Verdichtern und/oder Turbinen und/oder eine alternative Anzahl an Verbindungswellen aufweisen. Als ein weiteres Beispiel weist das in 2 gezeigte Gasturbinentriebwerk eine Teilungsstromdüse 20, 22 auf, was bedeutet, dass der Strom durch den Bypasskanal 22 seine eigene Düse aufweist, die von der Triebwerkskerndüse 20 separat und davon radial außen ist. Jedoch ist dies nicht einschränkend und ein beliebiger Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann auch auf Triebwerke zutreffen, bei denen der Strom durch den Bypasskanal 22 und der Strom durch den Kern 11 vor (oder stromaufwärts) einer einzigen Düse, die als eine Mischstromdüse bezeichnet werden kann, vermischt oder kombiniert werden. Eine oder beide Düsen (ob Misch- oder Teilungsstrom) kann einen festgelegten oder variablen Bereich aufweisen. Obgleich sich das beschriebene Beispiel auf ein Turbofantriebwerk bezieht, kann die Offenbarung beispielsweise bei einer beliebigen Art von Gasturbinentriebwerk, wie z. B. bei einem Open-Rotor- (bei dem die Fanstufe nicht von einer Triebwerksgondel umgeben wird) oder einem Turboprop-Triebwerk, angewendet werden. Bei einigen Anordnungen umfasst das Gasturbinentriebwerk 10 möglicherweise kein Getriebe 30.
Die Geometrie des Gasturbinentriebwerks 10 und Komponenten davon wird bzw. werden durch ein herkömmliches Achsensystem definiert, das eine axiale Richtung (die auf die Drehachse 9 ausgerichtet ist), eine radiale Richtung (in der Richtung von unten nach oben in 2) und eine Umfangsrichtung (senkrecht zu der Ansicht in 2) umfasst. Die axiale, die radiale und die Umfangsrichtung verlaufen senkrecht zueinander.
Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst mehrere Wälzelementvorrichtungen 1, 1'. Eine Wälzelementvorrichtung 1 dient als Wälzlager für den Planetenträger 34 an der stationären Stützstruktur 24. Eine andere Wälzelementvorrichtung 1' dient als Wälzlager für die Ausgangswelle 42 an der stationären Stützstruktur 24. Die Wälzelementvorrichtungen 1, 1' werden nachstehend näher erläutert werden.
5 zeigt die als Wälzlager für den Planetenträger 34 dienende Wälzelementvorrichtung 1.
Die Wälzelementvorrichtung 1 umfasst eine äußere Stützstruktur mit einem Außenring 50, einem Verbindungsabschnitt 52 und einem Befestigungsabschnitt 53. Vorliegend ist die äußere Stützstruktur einstückig ausgebildet, wobei auch mehrteilige Ausgestaltungen denkbar sind.
Ferner umfasst die Wälzelementvorrichtung 1 eine innere Stützstruktur mit einem Innenring 54, einem Verbindungsabschnitt 56 und einem Befestigungsabschnitt 57. Im gezeigten Beispiel ist die innere Stützstruktur einstückig ausgebildet, wobei auch hier mehrteilige Ausgestaltungen denkbar sind.
Der Befestigungsabschnitt 53 der äußeren Stützstruktur ist an der stationären Stützstruktur 24 des Gasturbinentriebwerks 10 befestigt, z.B. mittels der in 5 schematisch dargestellten Verschraubungen, alternativ z.B. durch eine Schweißnaht oder dergleichen.
Der Befestigungsabschnitt 57 der inneren Stützstruktur ist am Planetenträger 34 des Getriebes 30 des Gasturbinentriebwerks 10 befestigt, z.B. mittels der in 5 schematisch dargestellten Verschraubungen, alternativ wiederum z.B. durch eine Schweißnaht oder dergleichen.
Vorliegend sind die Befestigungsabschnitte 53, 57 mit dem jeweiligen Verbindungsabschnitt 52, 56 im Querschnitt jeweils L-förmig ausgebildet, es sind jeweils aber auch andere Konfigurationen denkbar, z.B. eine langgestreckte Konfiguration ohne Winkel oder eine Konfiguration mit mehreren Winkeln. Die Befestigungsabschnitte 53, 57 bilden jeweils einen Flansch. Die Befestigungsabschnitte 53, 57 erstrecken sich in radialer Richtung vom jeweiligen Verbindungsabschnitt 52, 56 ausgehend in die gleiche Richtung, hier nach außen.
In 5 ist die Hauptdrehachse 9 eingezeichnet. Es ist ersichtlich, dass die beiden Verbindungsabschnitte 52, 56 parallel zur Hauptdrehachse 9 verlaufen. Konkret sind die Verbindungsabschnitte 52, 56 jeweils hohlzylinderförmig. Die Verbindungsabschnitte 52, 56 verlaufen jeweils koaxial zur Hauptdrehachse 9.
die beiden Befestigungsabschnitte 53, 57 in axialer Richtung (parallel zur Hauptdrehachse 9) voneinander beabstandet sind. Vorliegend ist der Innenring 54 innerhalb des Außenrings 50 angeordnet. Der Außenring 50 und der Innenring 54 sind koaxial zueinander angeordnet. Der Außenring 50 weist eine innen umlaufende, innere Laufbahn 51 auf. Der Innenring 54 weist eine außen umlaufende, äußere Laufbahn 55 auf. Zwischen den Laufbahnen 51, 55 ist ein Abstand ausgebildet. Zwischen den Laufbahnen 51, 55 sind mehrere Wälzelemente 58 angeordnet. Die Wälzelemente 58 sind vorliegend als zylindrische Walzen ausgebildet und können an den beiden Laufflächen 51, 55 abrollen, sodass der Innenring 54 und der Außenring 50 relativ zueinander um die Hauptdrehachse 9 drehbar sind.
Der Verbindungsabschnitt 52 der äußeren Stützstruktur verbindet den Befestigungsabschnitt 53 der äußeren Stützstruktur mit dem Außenring 50. Der Verbindungsabschnitt 56 der inneren Stützstruktur verbindet den Befestigungsabschnitt 57 der inneren Stützstruktur mit dem Innenring 54. In Bezug auf den jeweiligen Befestigungsabschnitt 53, 57 sind die Laufbahnen 51, 55 überhängend angeordnet. Die Laufbahnen 51, 55 stehen axial vom jeweiligen Befestigungsabschnitt 53, 57 ab. Die Verbindungsabschnitte 52, 56 dienen jeweils als Verbindungsarm.
Die Verbindungsabschnitte 52, 56 weisen solche Steifigkeiten auf, dass sie durch im Betrieb (im Normalbetrieb und/oder in außergewöhnlichen Belastungsfällen) des Gasturbinentriebwerks 10 auftretenden Lasten flexibel, biegbar sind. Vorliegend sind die Steifigkeiten der Verbindungsabschnitte 52, 56 derart aufeinander abgestimmt, dass die beiden Laufbahnen 51, 55 zumindest abschnittsweise oder als Ganzes relativ zur Drehachse gemeinsam verkippbar sind. Werden benachbarte Abschnitte der Laufbahnen 51, 55, z.B. die in 5 gezeigten Abschnitte, relativ zur Hauptdrehachse 9 gekippt, dann kippen die benachbarten Abschnitte um betragsgleiche Winkel. Die Laufbahnen 51, 55 bleiben parallel zueinander. Hierdurch kann (insbesondere über einen weiten Radiallastbereich) verhindert werden, dass Lasten nur oder vorwiegend durch Kanten an den axialen Endflächen der Wälzelemente 58 abgestützt werden, was zu einem hohen Verschleiß führen kann oder gar zu einem Ausfall von einem oder mehreren Wälzelementen 58.
6 zeigt eine Wälzelementvorrichtung 1', die weitgehend der in 5 gezeigten Wälzelementvorrichtung 1 entspricht, sodass nachfolgend nur die Unterschiede erläutert werden.
Die Befestigungsabschnitte 53, 57 erstrecken sich in radialer Richtung vom jeweiligen Verbindungsabschnitt 52, 56 ausgehend in die unterschiedliche Richtungen. Vorliegend erstreckt sich der Befestigungsabschnitt 53 der äußeren Stützstruktur radial nach außen (von der Hauptdrehachse 9 weg), der Befestigungsabschnitt 57 der inneren Stützstruktur erstreckt sich radial nach innen (zur Hauptdrehachse 9 hin).
Der Befestigungsabschnitt 57 der inneren Stützstruktur ist an der den Fan 23 antreibenden Ausgangswelle 42 befestigt.
6 zeigt ferner eine optionale Aussparung 60 (im Allgemeinen eine Schwächung) von einem der Verbindungsabschnitte, hier beispielhaft dem Verbindungsabschnitt 56 der inneren Stützstruktur. Die Aussparung 60 ist vorliegend als Durchgangsbohrung ausgeführt. Durch die Aussparung 60 kann die Flexibilität des Verbindungsabschnitts 56 erhöht werden, z.B. um diesen an die Flexibilität des anderen Verbindungsabschnitts 52 anzupassen.
Ferner zeigt 6 in gestrichelten Linien angedeutet eine optionale Verstärkung 61, hier in Form einer Verstärkungsrippe. Durch die Verstärkung 61 kann die Flexibilität des Verbindungsabschnitts 52 reduziert werden, z.B. um diesen an die Flexibilität des anderen Verbindungsabschnitts 56 anzupassen.
7 zeigt die Wälzelementvorrichtung 1' gemäß 6, wobei zusätzlich eine einwirkende Kraft F veranschaulicht ist. Die Kraft F wirkt radial nach außen auf die Ausgangswelle 42 und drängt damit den Befestigungsabschnitt 57 der inneren Stützstruktur nach außen. 7 zeigt dabei einen Zustand, in dem die Ausgangswelle 42 nach nicht oder mit nur einer unwesentlichen radialen Verlagerung R nach außen verlagert ist.
In 7 sind ferner Pfeile dargestellt, welche die Kipprichtung andeuten, in welche der Innenring 54 und der Außenring 50 infolge der Einwirkung der Kraft F kippen. Infolgedessen werden die Befestigungsabschnitte 53, 57 einander axial angenähert.
Es ist vorgesehen, dass die Verbindungsabschnitte 52, 56 Drehsteifigkeiten K_φa, K_φi aufweisen, deren Verhältnis 1,0 +/- 0,2 beträgt, insbesondere 1,0 +/- 0,1 beträgt, insbesondere 1,0 +/- 0,05. Im gezeigten Beispiel beträgt das Verhältnis 1,0. Hierdurch kann erreicht werden, dass es trotz Einwirkung der radialen Kraft F nicht zu einem Kantentragen kommt. Das Verhältnis kann auch wie folgt angegeben werden: 0,9 * K_φi < K_φa < 1,1 * K_φi.
Die Drehsteifigkeiten können z.B. gemessen werden, indem ein Ende des jeweiligen Verbindungsabschnitts 52, 56 festgehalten wird, ein Drehmoment auf das andere Ende ausgeübt wird und die Auslenkung ermittelt wird. Dies kann optional mit einem ausgeschnittenen Stück des jeweiligen Verbindungsabschnitts 52, 56 erfolgen.
8 zeigt einen Zustand, in dem die Ausgangswelle 42 infolge der Einwirkung der Kraft F um eine radiale Verlagerung R radial nach außen verlagert worden ist. Die Verbindungsabschnitte 52, 56 haben diese Bewegung erlaubt und sind dadurch elastisch verformt worden. Durch die Abstimmung der Steifigkeiten der Verbindungsabschnitte 52, 56 aufeinander sind der Innenring 54 und der Außenring 50, und damit die beiden Laufbahnen 51, 55, gemeinsam gekippt worden und weiterhin parallel zueinander.
Die Winkel α_a , α_i , um die der Innenring 54 und der Außenring 50 gekippt worden sind, sind anhand von gestrichelten Hilfslinien veranschaulicht. Die Winkel α_a , α_i genügen dabei folgender Beziehung: |a_a - α_i| <= 1,5 mrad.
Es treten somit über einen definierten, insbesondere einen vorbestimmten Lastbereich parallele Verkippungen auf.
Somit ist die Ausgangswelle 42 durch einwirkende Kräfte relativ zur stationären Stützstruktur 24 radial und/oder axial bewegbar (im Allgemeinen gilt das für zwei mittels der Wälzelementvorrichtung 1; 1' drehbar verbundene Komponenten). Hierdurch können Belastungen im Betrieb des Gasturbinentriebwerks 10 abgefangen werden, z.B. infolge von Lastwechseln oder einer thermischen Ausdehnung oder Kontraktion einzelner Bauteile.
Somit wird ein Wälzlager bereitgestellt, das unter Bedingungen betrieben werden kann, die üblicherweise zu Lagerbeschädigungen führen würde.
9 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer Wälzelementvorrichtung 1; 1', insbesondere wie vorstehend beschriebenen.
In einem ersten Schritt S1 werden eine Geometrie (insbesondere eine Materialstärke) und/oder Materialeigenschaften (insbesondere die Materialwahl, z.B. Stahl) von Verbindungsabschnitten 52, 56 für eine Wälzelementvorrichtung 1; 1' ermittelt, insbesondere in einer Optimierungsprozedur. Hierzu werden einer oder mehrere der genannten Parameter mit dem Ziel variiert, möglichst gleiche Drehsteifigkeiten für die Verbindungsabschnitte 52, 56 zu erzielen. Dabei kann auch eine vorgegebene Lagersteifigkeit als Zielwert vorgegeben werden.
Optional umfasst die Optimierungsprozedur einen FEM-Algorithmus und/oder erfolgt iterativ.
In einem zweiten Schritt S2 werden ein Außenring 50 mit einer inneren Laufbahn 51 und ein Innenring 54 mit einer äußeren Laufbahn 55 bereitgestellt, wobei der Außenring 50 und der Innenring 54 jeweils über einen der Verbindungsabschnitte 52, 56 mit jeweils einem Befestigungsabschnitt 53, 57 zur festen Verbindung mit einer von zwei relativ zueinander um eine Drehachse 9 drehbaren Komponenten 24, 34; 24, 42 verbunden sind und wobei die Verbindungsabschnitte 52, 56 (insbesondere gemäß der Optimierungsprozedur) derart aufeinander abgestimmt ausgebildet werden, dass die beiden Laufbahnen 51, 55 zumindest abschnittsweise gemeinsam relativ zur Drehachse 9 verkippbar sind.
In einem dritten Schritt S3 werden Wälzelemente 58 derart zwischen den Laufbahnen 51, 55 angeordnet, dass die Wälzelemente 58 gleichzeitig an beiden Laufbahnen 51, 55 abrollen können.
Somit kann eine Wälzelementlagerung, insbesondere für ein Getriebe-Turbofantriebwerk, bereitgestellt werden, die ausgeglichene Biegemomente aufweist.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Beliebige der Merkmale können separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen, und die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale, die hier beschrieben werden, aus und umfasst diese. Insbesondere sei darauf hingewiesen, dass die Wälzelementvorrichtung 1, 1' insbesondere an beliebigen Lagerpositionen einsetzbar ist, bei denen zumindest eine der beiden Laufbahnen nicht unmittelbar radial nach außen abstützbar ist.
Bezugszeichenliste

1, 1': Wälzelementvorrichtung
8: Luftfahrzeug
9: Hauptdrehachse
10: Gasturbinentriebwerk
11: Kerntriebwerk
12: Lufteinlass
14: Niederdruckverdichter
15: Hochdruckverdichter
16: Verbrennungseinrichtung
17: Hochdruckturbine
18: Bypassschubdüse
19: Niederdruckturbine
20: Kernschubdüse
21: Triebwerksgondel
22: Bypasskanal
23: Fan
24: stationäre Stützstruktur
26: Welle
27: Verbindungswelle
28: Sonnenrad
30: Getriebe
32: Planetenrad
34: Planetenträger
36: Gestänge
38: Hohlrad
40: Gestänge
42: Ausgangswelle
50: Außenring
51: innere Laufbahn
52: Verbindungsabschnitt
53: Befestigungsabschnitt
54: Innenring
55: äußere Laufbahn
56: Verbindungsabschnitt
57: Befestigungsabschnitt
58: Wälzelement
60: Aussparung
61: Verstärkung
A: Kernluftstrom
B: Bypassluftstrom
F: Kraft
R: radiale Verlagerung
α_a, α_i: Winkel

Claims

Wälzelementvorrichtung (1; 1'), insbesondere für ein Gasturbinentriebwerk (10), umfassend einen Außenring (50) mit einer inneren Laufbahn (51), einen Innenring (54) mit einer äußeren Laufbahn (55) und Wälzelemente (58), die zwischen den Laufbahnen (51, 55) angeordnet sind um daran abzurollen, wobei der Außenring (50) und der Innenring (54) jeweils über einen Verbindungsabschnitt (52, 56) mit jeweils einem Befestigungsabschnitt (53, 57) zur Befestigung mit einer von zwei um eine Drehachse (9) zueinander drehbaren Komponenten (24, 34; 24, 42) verbunden sind und die Verbindungsabschnitte (52, 56) derart ausgebildet sind, dass die beiden Laufbahnen (51, 55) zumindest abschnittsweise gemeinsam relativ zur Drehachse (9) verkippbar sind.
Wälzelementvorrichtung (1; 1') nach Anspruch 1, wobei die beiden relativ zueinander um die Drehachse (9) drehbaren Komponenten (24, 34; 24, 42) eine stationäre Stützstruktur (24) und eine relativ dazu mittels einer Turbine (19) drehbare Komponente (34; 42) des Gasturbinentriebwerks (10) sind und die Wälzelementvorrichtung (1; 1') zur drehbaren Lagerung der drehbaren Komponente (34; 42) an der stationären Stützstruktur (24) ausgebildet ist.
Wälzelementvorrichtung (1; 1') nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verbindungsabschnitte (52, 56) flexibel sind.
Wälzelementvorrichtung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindungsabschnitte (52, 56) bei Einwirkung einer Kraft derart verformt werden, dass die beiden Laufbahnen zumindest abschnittsweise um im Wesentlichen denselben Winkel (α_a, α_i) relativ zur Drehachse (9) gekippt werden.
Wälzelementvorrichtung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laufbahnen (51, 55) sowohl in einem relativ zur Drehachse (9) verkippten Zustand als auch in einem nicht verkippten Zustand parallel zueinander ausgerichtet sind.
Wälzelementvorrichtung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindungsabschnitte (52, 56) jeweils eine Steifigkeit aufweisen und die Steifigkeiten aufeinander abgestimmt sind.
Wälzelementvorrichtung (1; 1') nach Anspruch 6, wobei die Steifigkeiten zueinander ein Verhältnis von 1,0 +/- 0,2, insbesondere von 1,0 +/- 0,1, insbesondere von 1,0 +/- 0,05, aufweisen.
Wälzelementvorrichtung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laufbahnen (51, 55) in Bezug auf die jeweiligen Befestigungsabschnitte (53, 57) überhängend angeordnet sind.
Wälzelementvorrichtung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Außenring (50) und der Innenring (54) durch die jeweiligen Verbindungsabschnitte (52, 56) axial beabstandet vom jeweiligen Befestigungsabschnitt (53, 57) angeordnet sind.
Wälzelementvorrichtung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wälzelementvorrichtung (1; 1') ein Wälzlager ist.
Wälzelementvorrichtung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wälzelementvorrichtung (1; 1') in Form eines zylindrischen Rollenlagers ausgebildet ist.
Getriebe (30) zum Antreiben eines Fans (23) eines Gasturbinentriebwerks (10), mit der Wälzelementvorrichtung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Getriebe (30) nach Anspruch 12, ausgebildet als Planetengetriebe mit einem mittels der Wälzelementvorrichtung (1; 1') drehbar gelagerten Getriebeelement.
Getriebe (30) nach Anspruch 12, ausgebildet als Planetengetriebe, wobei der Außenring der Wälzelementvorrichtung ein Hohlrad, der Innenring der Wälzelementvorrichtung ein Sonnenrad und die Wälzelemente Planetenräder des Planetengetriebes bilden.
Gasturbinentriebwerk (10) für ein Luftfahrzeug (8), das Folgendes umfasst: - ein Kerntriebwerk (11), das eine Turbine (19), einen Verdichter (14) und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende Kernwelle (26); - einen Fan (23), der stromaufwärts des Kerntriebwerks (11) positioniert ist, wobei der Fan (23) mehrere Fanschaufeln umfasst; und - ein Getriebe (30), das von der Kernwelle (26) antreibbar ist, wobei der Fan (23) mittels des Getriebes (30) mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle (26) antreibbar ist, wobei das Getriebe nach einem der Ansprüche 12 bis 14 ausgebildet ist.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 15, wobei: - die Turbine eine erste Turbine (19) ist, der Verdichter ein erster Verdichter (14) ist und die Kernwelle eine erste Kernwelle (26) ist; - das Kerntriebwerk (11) ferner eine zweite Turbine (17), einen zweiten Verdichter (15) und eine zweite Kernwelle (27), die die zweite Turbine mit dem zweiten Verdichter verbindet, umfasst; und - die zweite Turbine, der zweite Verdichter und die zweite Kernwelle dahingehend angeordnet sind, sich mit einer höheren Drehzahl als die erste Kernwelle zu drehen.
Verfahren zur Herstellung einer Wälzelementvorrichtung (1; 1'), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend die folgenden Schritte: - Bereitstellen (S2) eines Außenrings (50) mit einer inneren Laufbahn (51) und eines Innenrings (54) mit einer äußeren Laufbahn (55), wobei der Außenring (50) und der Innenring (54) jeweils über einen Verbindungsabschnitt (52, 56) mit jeweils einem Befestigungsabschnitt (53, 57) zur festen Verbindung mit einer von zwei relativ zueinander um eine Drehachse (9) drehbaren Komponenten (24, 34; 24, 42) verbunden sind und die Verbindungsabschnitte (52, 56) derart aufeinander abgestimmt ausgebildet werden, dass die beiden Laufbahnen (51, 55) zumindest abschnittsweise gemeinsam relativ zur Drehachse (9) verkippbar sind; und - Anordnen (S3) von Wälzelementen (58) derart zwischen den Laufbahnen (51, 55), dass die Wälzelemente (58) daran abrollen können.