DE102019210419A1

DE102019210419A1 - Wellenverbindung

Info

Publication number: DE102019210419A1
Application number: DE102019210419.3A
Authority: DE
Inventors: Christopher Campbell; David Krüger; Andreas GOUMAS; Michael Gräber
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2019-07-15
Filing date: 2019-07-15
Publication date: 2021-01-21
Also published as: WO2021008901A1

Abstract

Eine Wellenverbindung (50) umfasst: eine weibliche Komponente (51) mit einer Innenverzahnung (52) und eine männliche Komponente (55) mit einer mit der Innenverzahnung (51) in Eingriff bringbaren Außenverzahnung (56), die einen Teilkreisdurchmesser (d) aufweist, und Zähne (57), die an einen Zylinderbereich (58) angrenzen, wobei der Zylinderbereich (58) in radialer Richtung eine Wanddicke (wm) aufweist und das Verhältnis der Wanddicke (wm) zum Teilkreisdurchmesser (d) kleiner oder gleich 0,05 ist.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Wellenverbindung, auf eine Anordnung, auf ein Gasturbinentriebwerk und auf ein Verfahren zur Herstellung einer Wellenverbindung.
Wellenverbindungen werden zum Übertragen von Drehmomenten zwischen zwei um dieselbe Drehachse drehbare Wellen eingesetzt. Die Wellenverbindung umfasst eine männliche Komponente und eine weibliche Komponente, welche die männliche Komponente formschlüssig aufnimmt. Die Belastung der männlichen Komponente von Wellenverbindungen liegt durch die kleineren Abmessungen der männlichen Komponente in der Regel über derjenigen der weiblichen Komponente. Die Belastbarkeit des Materials der weiblichen Komponente wird daher regelmäßig nicht ausgeschöpft und die weibliche Komponente ist schwerer als nötig, während die männliche Komponente die maximale Belastbarkeit der Wellenverbindung bestimmt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine möglichst belastbare und zugleich leichte Wellenverbindung bereitzustellen.
Gemäß einem Aspekt wird eine Wellenverbindung zum Übertragen eines Drehmoments zwischen zwei Wellen bereitgestellt, die eine weibliche Komponente und eine männliche Komponente umfasst. Die weibliche Komponente weist eine Innenverzahnung auf. Die männliche Komponente weist eine Außenverzahnung auf, die mit der Innenverzahnung der weiblichen Komponente in Eingriff bringbar ist oder steht. Die Außenverzahnung der männlichen Komponente weist einen Teilkreisdurchmesser d auf. Ferner weist die Außenverzahnung der männlichen Komponente Zähne auf, die an einen Zylinderbereich der männlichen Komponente angrenzen. Dabei ist vorgesehen, dass der Zylinderbereich in radialer Richtung in Bezug auf eine Drehachse der Wellenverbindung eine Wanddicke wm aufweist, wobei das Verhältnis der Wanddicke wm zum Teilkreisdurchmesser d der Außenverzahnung der männlichen Komponente kleiner oder gleich 0,05 ist: $wm / d \leq 0,05 .$
Das basiert auf der überraschenden Erkenntnis, dass eine geringere Dicke als üblich des die Zähne der Außenverzahnung stützenden Zylinderbereichs der männlichen Komponente infolge von besser verteilten und einander gegenwirkenden Spannungen innerhalb der männlichen Komponente zu einer im Wesentlichen gleichbleibenden oder sogar höheren Belastbarkeit der männlichen Komponente führen, und nicht zu einer geringeren, wovon man intuitiv ausgehen könnte. Gleichzeitig kann auf diese Weise das Gewicht der Wellenverbindung deutlich reduziert werden. Hierdurch wird eine Wellenverbindung mit einer hohen Belastbarkeit und einem gleichzeitig besonders geringen Gewicht möglich.
Die Verzahnungen erstrecken sich jeweils konzentrisch um einen Mittelpunkt. Die Zähne der Verzahnungen bilden Mitnehmer der Wellenverbindung. Bei den Verzahnungen kann es sich um Evolventenverzahnungen handeln. Beispielsweise weisen die Zähne von der Außenverzahnung und/oder der Innenverzahnung evolventenförmige Flanken auf. Alternativ können die Zähne von der Außenverzahnung und/oder der Innenverzahnung gerade Flanken aufweisen. Dabei können die Flanken eines Zahns parallel verlaufen. Alternativ verlaufen sie in einem Winkel zueinander, sodass die Zähne der Außenverzahnung und/oder der Innenverzahnung z.B. dreieckige Zahnquerschnitte aufweisen (wobei die Spitzen abgeflacht sein können). Noch andere Zahnformen sind ebenfalls denkbar. Bei der männlichen Komponente kann es sich z.B. um eine Zahnwelle oder um eine Keilwelle handeln. Ferner kann es sich bei den Verzahnungen (in Axialrichtung betrachtet) um gerade Verzahnungen oder um Schrägverzahnungen handeln.
Der Teilkreisdurchmesser d entspricht dem Produkt der Zähnezahl z und des Moduls m der Außenverzahnung. Die Wanddicke wird gemessen vom tiefsten Punkt an der Lücke zwischen zwei benachbarten Zähnen in radialer Richtung bis zu einer inneren Oberfläche des Zylinderbereichs.
Die Wellenverbindung kann dazu eingesetzt werden, zwei um dieselbe Achse drehbare Wellen drehfest miteinander zu verbinden, indem die beiden Komponenten formschlüssig miteinander in Eingriff gebracht werden.
Optional liegt das Verhältnis wm/d der Wanddicke wm zum Teilkreisdurchmesser d im Bereich von 0,0005 bis 0,05.
Konkret kann das Verhältnis wm/d der Wanddicke wm zum Teilkreisdurchmesser d im Bereich von 0,0003 bis 0,03 liegen. Allgemein kann die obere Grenze des Verhältnisses z.B. bei 0,04 oder bei 0,03 liegen. Alternativ oder zusätzlich kann eine untere Grenze des Verhältnisses bei 0,0005, bei 0,0003, bei 0,005 oder 0,003 liegen. Optional liegt eine untere Grenze des Verhältnisses z.B. bei 1% oder bei 10% der oberen Grenze.
Die männliche Komponente ist hohl. Der Zylinderbereich der männlichen Komponente ist z.B. ein Hohlzylinder.
Optional ist eine weitere Komponente, z.B. eine relativ zur Wellenverbindung drehbare Welle oder Achse, in einem Inneren der männlichen Komponente angeordnet oder anordenbar. Durch die geringe Wanddicke des Zylinderbereichs der männlichen Komponente kann die weitere Komponente im Inneren der Wellenverbindung größer ausgeführt werden als zuvor und/oder es kann ein größerer Sicherheitsabstand eingehalten werden. Bei der weiteren Komponente handelt es sich z.B. um eine Hochdruckwelle oder eine Mitteldruckwelle eines Gasturbinentriebwerks.
Die Innenverzahnung der weiblichen Komponente weist Zähne auf, die an einen Zylinderbereich der weiblichen Komponente angrenzen können.
Der Zylinderbereich der weiblichen Komponente kann eine Wanddicke ww aufweisen, die größer ist als die Wanddicke wm der männlichen Komponente.
Die Außenverzahnung und die Innenverzahnung können formschlüssig miteinander in Eingriff bringbar sein oder stehen, insbesondere so, dass die Außenverzahnung nicht an der Innenverzahnung abrollen kann. Der Radius der Zahnspitzen der Außenverzahnung ist z.B. größer als der Radius der Zahnspitzen der Innenverzahnung.
Gemäß einem Aspekt wird eine Anordnung bereitgestellt, umfassend eine Turbine und die Wellenverbindung nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung. Dabei können die Turbine und die Wellenverbindung derart miteinander gekoppelt sein, dass ein Drehmoment der Turbine auf die Wellenverbindung ausübbar ist.
Gerade bei Drehmomenten, wie sie bei Turbinen typisch sind, kann sich die Gewichtsersparnis besonders positiv auswirken.
Gemäß einem Aspekt wird eine Anordnung bereitgestellt, umfassend ein Getriebe und die Wellenverbindung nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung. Dabei können das Getriebe und die Wellenverbindung derart miteinander gekoppelt sein, dass ein Drehmoment des Getriebes auf die Wellenverbindung und/oder umgekehrt ausübbar ist.
Gemäß einem Aspekt wird ein Gasturbinentriebwerk, insbesondere für ein Luftfahrzeug, bereitgestellt, das Folgendes umfasst: ein Kerntriebwerk, das eine Turbine, einen Verdichter und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende Kernwelle umfasst; einen Fan, der stromaufwärts des Kerntriebwerks positioniert ist, wobei der Fan mehrere Fanschaufeln umfasst; ein Getriebe, das von der Kernwelle antreibbar ist, wobei der Fan mittels des Getriebes mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle antreibbar ist; und die Wellenverbindung nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung.
Wie bereits erwähnt, kann sich die bei den hierin beschriebenen Wellenverbindungen erzielbare Gewichtsersparnis gerade bei Drehmomenten, wie sie bei Turbinen und insbesondere bei Gasturbinentriebwerken typisch sind, besonders positiv auswirken.
Der Fan kann über die Wellenverbindung mittels des Getriebes antreibbar sein. Die Wellenverbindung kann also das Getriebe mit dem Fan koppeln.
Optional ist bei dem Gasturbinentriebwerk vorgesehen, dass die Turbine eine erste Turbine ist, der Verdichter ein erster Verdichter ist und die Kernwelle eine erste Kernwelle ist; dass das Kerntriebwerk ferner eine zweite Turbine, einen zweiten Verdichter und eine zweite Kernwelle, die die zweite Turbine mit dem zweiten Verdichter verbindet, umfasst; und dass die zweite Turbine, der zweite Verdichter und die zweite Kernwelle dahingehend angeordnet sind, sich mit einer höheren Drehzahl als die erste Kernwelle zu drehen.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer Wellenverbindung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst folgende Schritte in beliebiger Reihenfolge oder in der angegebenen Reihenfolge: Bereitstellen einer weiblichen Komponente mit einer Innenverzahnung; Ermitteln eines Verhältnisses einer Wanddicke wm eines an Zähne einer Außenverzahnung mit einem Teilkreisdurchmesser d angrenzenden Zylinderbereichs einer männlichen Komponente zum Teilkreisdurchmesser d; und Herstellen der männlichen Komponente basierend auf dem ermittelten Verhältnis derart, dass die Außenverzahnung der männlichen Komponente in Eingriff mit der Innenverzahnung der weiblichen Komponente bringbar ist.
Das Verfahren kann zur Herstellung der Wellenverbindung nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung ausgeführt werden. Dabei wird beim Ermitteln des Verhältnisses der Wanddicke wm zum Teilkreisdurchmesser d dafür insbesondere ein Wert kleiner als 0,05 ausgewählt, insbesondere im Bereich von 0,0005 bis 0,05.
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^-1s, 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 Gastu rb i nentriebwerk;
5 eine Seitenschnittgroßansicht eines stromaufwärtigen Abschnitts eines Gasturbinentriebwerks;
6 bis 9 verschiedene Ansichten einer Wellenverbindung;
10 eine männliche Komponente der Wellenverbindung gemäß den 6 bis 9;
11 Eine Anordnung umfassend die Wellenverbindung gemäß den 6 bis 9 und eine weitere Komponente; und
12 ein Verfahren zur Herstellung einer Wellenverbindung.

1 zeigt ein Luftfahrzeug 8 in Form eines Flugzeugs. Das Luftfahrzeug 8 umfasst mehrere Gasturbinentriebwerke 10.
2 stellt eines der Gasturbinentriebwerke 10 des Luftfahrzeugs 8 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 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 einer Ausgangswelle 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.
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.
5 zeigt schematisch eine mögliche Anordnung einer Wellenverbindung 50 an einer Fanwelle 62. Die Fanwelle 62 wird durch das Getriebe 30 angetrieben, hier konkret durch den Planetenträger 34 des Getriebes 30. Die Fanwelle 62 ist mit dem Fan 23 gekoppelt, um diesen anzutreiben. Beispielsweise um eine Montage und/oder eine Wartung zu erleichtern oder zu ermöglichen, ist die Wellenverbindung 50 zwischen der Fanwelle 62 und dem Fan 23 angeordnet.
6 zeigt eine weibliche Komponente 51 und eine männliche Komponente 55, die zusammen die Wellenverbindung 50 bilden. Beide Komponenten 51, 55 sind jeweils mit einer Welle fest verbunden oder fest verbindbar. Die männliche Komponente 55 wird in die weibliche Komponente 51 eingesteckt, um ein Drehmoment von der männlichen Komponente 55 auf die weibliche Komponente 51 zu übertragen und/oder umgekehrt.
Die weibliche Komponente 51 weist einen Zylinderbereich 54 und eine innen daran angrenzende Innenverzahnung 52 auf. Die männliche Komponente 55 weist einen Zylinderbereich 58 und eine außen daran angrenzende Außenverzahnung 56 auf. Die Innenverzahnung 51 ist mit der Außenverzahnung 56 in Eingriff bringbar. Der Zylinderbereich 58 beschreibt einen kreisförmigen Hohlzylinder.
Die Außenverzahnung 56 der männlichen Komponente 55 umfasst Zähne 57. Die Zähne 57 der Außenverzahnung 56 grenzen an den Zylinderbereich 58 an und stehen vom Zylinderbereich 58 ab. Die Innenverzahnung 52 der männlichen Komponente 51 umfasst Zähne 53. Die Zähne 53 der Innenverzahnung 52 grenzen an den Zylinderbereich 54 an und stehen vom Zylinderbereich 54 ab. In 6 ist ferner eine Wanddicke ww des Zylinderbereichs 54 der weiblichen Komponente 51 veranschaulicht, worauf weiter unten noch näher eingegangen werden wird. Die Wanddicke ww entspricht dem (in Bezug auf den Mittelpunkt M der Innenverzahnung 52) radialen Abstand der äußeren Oberfläche der weiblichen Komponente 51 zur Innenverzahnung 52, also bis zu dem Kreis um den Mittelpunkt M, der durch die radial äußersten Punkte zwischen jeweils zwei Zähnen 53 geht. An der Innenseite dieses gedachten Kreises sitzen die Zähne 53.
7 zeigt Die Wellenverbindung 50 mit den miteinander im Eingriff stehenden Komponenten 51, 55. Sämtliche Zähne 53, 57 der Innenverzahnung 52 und der Außenverzahnung 55 stehen gleichzeitig miteinander im Eingriff.
Wird ein Drehmoment T auf die männliche Komponente 55 ausgeübt (in 7 durch gekrümmte Pfeile veranschaulicht), dann wird dieses über die Zähne 53, 57 an die weibliche Komponente 51 übertragen. Die dabei auf die Zahnflanken wirkenden Kräfte F wirken senkrecht zu den sich berührenden Oberflächen der Flanken der Zähne 53, 57. Das Drehmoment T beträgt im vorliegenden Beispiel 200 kNm oder mehr. Die Wellenverbindung 50 ist somit dazu ausgebildet, ein Drehmoment von 200 kNm oder ein Drehmoment von mindestens 200 kNm zu übertragen.
Im hier gezeigten Beispiel weisen die Zähne 53, 57 jeweils gerade und zueinander geneigte Flanken auf, jedoch sind auch andere Zahnformen denkbar, z.B. gemäß einer Evolvente oder gerade, parallel verlaufende Flanken. Ferner sei darauf hingewiesen, dass die Zähne 53, 57 (in axialer Richtung betrachtet) eine gerade Verzahnung oder eine Schrägverzahnung bilden können.
Die Flanken jedes Zahns 53, 57 sind jeweils über einen Zahnfußbereich mit dem Zahnfußbereich und der Flanke des benachbarten Zahns 53, 57 verbunden.
8 zeigt die infolge der Kräfte F einwirkenden Druckspannungen SC und Zugspannungen ST. Jeweils der Zahnfußbereich an der Flanke eines Zahns 53, 57, auf die die Kraft F einwirkt, erfährt eine Zugspannung ST. Der jeweils andere Zahnfußbereich des Zahns 53, 57 erfährt eine Druckspannung SC.
9 veranschaulicht eine Zerlegung der Kräfte F jeweils in eine radiale Kraftkomponente und eine dazu senkrechte (tangentiale) Kraftkomponente. Die radial nach innen gerichtete Kraftkomponente der männlichen Komponente 55 erzeugt die Druckspannung SC und wirkt auf den Zylinderbereich 57 der männlichen Komponente 55 ein.
10 zeigt weitere Details der männlichen Komponente 55. Die Außenverzahnung 56 der männlichen Komponente 55 weist einen Teilkreisdurchmesser d auf. Der Teilkreisdurchmesser d entspricht dem Produkt der Anzahl z der Zähne 57 und des Moduls m der Außenverzahnung 56. Der Teilkreisdurchmesser d beträgt z.B. 400 mm oder mehr. Alternativ beträgt der Innendurchmesser oder der Außendurchmesser der männlichen Komponente 55 400 mm oder mehr oder der Innendurchmesser oder der Außendurchmesser der weiblichen Komponente 51 beträgt 400 mm oder mehr, jeweils insbesondere für übertragbare Drehmomente T vom mindestens 200 kNm.
Der Zylinderbereich 58 der männlichen Komponente 55 weist eine Wanddicke wm auf. Die Wanddicke wm wird in radialer Richtung gemessen (in Bezug auf den Mittelpunkt M der Außenverzahnung 56, der in einem mit der weiblichen Komponente formschlüssig in Eingriff gebrachten Zustand mit dem Mittelpunkt M der Innenverzahnung 52 zusammenfällt). Der Zylinderbereich 58 weist einen Innenradius ri auf. Die radial tiefsten Punkte der Zahnfüße weisen einen Zahnfußradius rf auf. Am Zahnfußradius rf geht der Zylinderabschnitt 58 in die Außenverzahnung 56 über. Die Wanddicke wm entspricht der Differenz des Zahnfußradius rf und des Innenradius ri: wm = rf - ri.
Vom Zylinderbereich 58 stehen die Zähne 57 radial nach außen vor.
Dabei ist vorgesehen, dass das Verhältnis wm/d der Wanddicke wm zum Teilkreisdurchmesser d einen Wert aufweist, der kleiner oder gleich 0,05 beträgt, insbesondere im Bereich von 0,0005 oder 0.005 bis 0,05 liegt, insbesondere im Bereich von 0,0003 oder 0,003 bis 0,03, bei bestimmten Ausführungsbeispielen im Bereich von 0,01 oder 0,03 bis 0,05.
Die Wanddicke ww des Zylinderbereichs 54 der weiblichen Komponente 51 ist im vorliegenden Beispiel gleich groß wie oder größer als die Wanddicke wm des Zylinderbereichs 58 der männlichen Komponente 55, z.B. mindestens 50% größer oder mindestens doppelt so groß.
Die insbesondere in den 8 und 9 dargestellten Kräfte und Spannungen resultieren in einer radial nach innen gerichteten Druckspannung im Zylinderabschnitt 58 der männlichen Komponente 55. Die Wanddicke wm hat einen Einfluss auf diesen Beitrag. Indem die Wanddicke wm wie vorstehend angegeben ausgebildet wird, kann die Stärke der Druckspannung im Zylinderabschnitt 58 so eingestellt werden, dass sie den Zugspannungen in den Zahnfußbereichen der männlichen Komponente 55 entgegenwirkt. Weil die Zahnfußbelastbarkeit in der Regel die maximale Belastbarkeit bestimmt, ergibt sich im Ergebnis eine höhere Gesamtbelastbarkeit der männlichen Komponente 55. So kann die Belastbarkeit der weiblichen Komponente 51 besser oder sogar voll ausgenutzt werden. Somit kann trotz einer leichteren Wellenverbindung 50 eine höhere Belastbarkeit erzielt werden. Das ermöglicht eine höhere Lebensdauer und/oder ein weiter reduziertes Gewicht.
11 zeigt eine Anordnung der Wellenverbindung 50 mit einer weiteren Komponente 60. Die weitere Komponente 60 ist im Inneren der Wellenverbindung 50 angeordnet. Vorliegend erstreckt sich die weitere Komponente 60 durch die Wellenverbindung 50 hindurch. Gemäß 11 sind die Wellenverbindung und die weitere Komponente 60 koaxial zueinander angeordnet, wobei auch andere Anordnungen denkbar sind. Die weitere Komponente 60 kann relativ zur Wellenverbindung 50 drehbar sein. Beispielsweise handelt es sich bei der weiteren Komponente 60 um eine relativ zur Wellenverbindung 50 drehbare Welle.
12 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer Wellenverbindung 50. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

Schritt S1: Bereitstellen einer weiblichen Komponente 51 mit einer Innenverzahnung 52.
Schritt S2: Ermitteln (z.B. Berechnen, z.B. mittels einer Simulationsrechnung) eines Verhältnisses einer Wanddicke wm eines Zylinderbereichs 58 einer männlichen Komponente 55, der an Zähne 57 einer Außenverzahnung 56 angrenzt, die einen Teilkreisdurchmesser d aufweist, zum Teilkreisdurchmesser d: wm/d.
Schritt S3: Herstellen der männlichen Komponente 55 basierend auf dem ermittelten Verhältnis wm/d derart, dass die Außenverzahnung 56 der männlichen Komponente 55 in Eingriff mit der Innenverzahnung 52 der weiblichen Komponente 51 bringbar ist.

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.
Bezugszeichenliste

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: Planetenräder
34: Planetenträger
36: Gestänge
38: Hohlrad
40: Gestänge
50: Wellenverbindung
51: weibliche Komponente
52: Innenverzahnung
53: Zahn
54: Zylinderbereich
55: männliche Komponente
56: Außenverzahnung
57: Zahn
58: Zylinderbereich
60: Komponente
62: Fanwelle
A: Kernluftstrom
B: Bypassluftstrom
d: Teilkreisdurchmesser
F: Kraft
M: Mittelpunkt
rf: Zahnfußradius
ri: Innenradius
sc: Druckspannung
st: Zugspannung
T: Drehmoment
wm: Wanddicke (männliche Komponente)
ww: Wanddicke (weibliche Komponente)

Claims

Wellenverbindung (50), umfassend: - eine weibliche Komponente (51) mit einer Innenverzahnung (52) und - eine männliche Komponente (55) mit einer mit der Innenverzahnung (51) in Eingriff bringbaren Außenverzahnung (56), die einen Teilkreisdurchmesser (d) aufweist, und Zähne (57), die an einen Zylinderbereich (58) angrenzen, wobei der Zylinderbereich (58) in radialer Richtung eine Wanddicke (wm) aufweist und das Verhältnis der Wanddicke (wm) zum Teilkreisdurchmesser (d) kleiner oder gleich 0,05 ist.
Wellenverbindung (50) nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis im Bereich von 0,0005 bis 0,05 liegt.
Wellenverbindung (50) nach Anspruch 2, wobei das Verhältnis im Bereich von 0,0003 bis 0,03 liegt.
Wellenverbindung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die männliche Komponente (55) hohl ist.
Wellenverbindung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine weitere Komponente (60) in einem Inneren der männlichen Komponente (55) angeordnet ist.
Wellenverbindung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Innenverzahnung (52) der weiblichen Komponente (51) Zähne (53) aufweist, die an einen Zylinderbereich (54) angrenzen.
Wellenverbindung (50) nach Anspruch 6, wobei der Zylinderbereich (54) der weiblichen Komponente (51) eine Wanddicke (ww) aufweist, die größer ist als die Wanddicke (wm) der männlichen Komponente (55).
Wellenverbindung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Radius von Zahnspitzen der Außenverzahnung (56) größer ist als ein Radius von Zahnspitzen der Innenverzahnung (52).
Anordnung, umfassend eine Turbine (17, 19) und die Wellenverbindung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Drehmoment der Turbine (17, 19) auf die Wellenverbindung (50) ausgeübt werden kann.
Gasturbinentriebwerk (10) für ein Luftfahrzeug, das Folgendes umfasst: - ein Kerntriebwerk (11), das eine Turbine (19), einen Verdichter (14) und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende Kernwelle (26) umfasst; - einen Fan (23), der stromaufwärts des Kerntriebwerks (11) positioniert ist, wobei der Fan (23) mehrere Fanschaufeln umfasst; - 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; und - die Wellenverbindung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Gasturbinentriebwerk (10) nach Anspruch 10, wobei der Fan (23) über die Wellenverbindung (50) mittels des Getriebes (30) antreibbar ist.
Gasturbinentriebwerk (10) nach Anspruch 10 oder 11, 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 Wellenverbindung (50), umfassend: - Bereitstellen (S1) einer weiblichen Komponente (51) mit einer Innenverzahnung (52); - Ermitteln (S2) eines Verhältnisses einer Wanddicke (wm) eines an Zähne (57) einer Außenverzahnung (56) mit einem Teilkreisdurchmesser (d) angrenzenden Zylinderbereichs (58) einer männlichen Komponente (55) zum Teilkreisdurchmesser (d); und - Herstellen (S3) der männlichen Komponente (55) basierend auf dem ermittelten Verhältnis derart, dass die Außenverzahnung (56) der männlichen Komponente (55) in Eingriff mit der Innenverzahnung (52) der weiblichen Komponente (51) bringbar ist.
Verfahren nach Anspruch 12, zur Herstellung der Wellenverbindung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.