DE102020104625A1 - Installation und betrieb eines effizienten gasturbinentriebwerks - Google Patents

Installation und betrieb eines effizienten gasturbinentriebwerks Download PDF

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Gareth M. Armstrong
Nicholas Howarth
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Rolls Royce PLC
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Rolls Royce PLC
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Abstract

Ein Gasturbinentriebwerk weist ein Verdichtungssystem-Schaufelverhältnis, definiert als das Verhältnis der Fan-Schaufelhöhe zur Höhe der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel, im Bereich von 45 bis 95 auf. Dies führt zu einem optimalen Gleichgewicht zwischen Installationsvorteilen, Betriebsfähigkeit, Wartungsanforderungen und Triebwerkswirkungsgrad, wenn das Gasturbinentriebwerk an einem Flugzeug installiert ist.

Description

  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk. Aspekte der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf ein Gasturbinentriebwerk mit einer Konfiguration, die für eine verbesserte Effizienz, Installation und/oder Betriebsfähigkeit optimiert ist.
  • Moderne Gasturbinentriebwerke umfassen einen Fan, der von einer Turbine angetrieben wird. Zumindest ein Teil des Fanstroms umgeht den Kern des Triebwerks und strömt stattdessen durch einen Bypass-Kanal, um Schub zu erzeugen. Der in den Kern des Gasturbinentriebwerks einströmende Strom wird in einem Verdichter verdichtet, bevor er verbrannt wird, und dann durch eine Turbine expandiert.
  • Die Optimierung der Konstruktion solcher Gasturbinentriebwerke erfordert eine Reihe von verschiedenen, oft gegenläufigen Faktoren, die auszugleichen sind. Zum Beispiel ist es wünschenswert, den Gesamtwirkungsgrad der Gasturbinentriebwerksinstallation mit einem Flugzeug optimieren zu können, aber es gibt eine Reihe von verschiedenen Elementen, die sich kombinieren, um den Gesamtwirkungsgrad zu erzeugen. Es wäre wünschenswert, ein Gasturbinentriebwerk bereitzustellen, das einen verbesserten Gesamtwirkungsgrad bietet, wenn es mit einem Flugwerk installiert wird. Außerdem wurde anerkannt, dass das Verfolgen einer verbesserten Effizienz nicht zu Lasten anderer Faktoren gehen darf, wie etwa der Betriebsfähigkeit des Triebwerks und der Wartungsanforderungen.
  • Gemäß einem Aspekt wird ein Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug bereitgestellt, umfassend:
    • einen Triebwerkskern, umfassend eine Turbine, einen Verdichter und eine Brennkammer;
    • einen Fan, der eine Vielzahl von Fan-Schaufeln umfasst, wobei jede Fan-Schaufel eine Fan-Schaufelhöhe aufweist, die definiert ist als der Radius der Anströmkante an der Spitze der Schaufel abzüglich des Radius des Punktes, an dem die Anströmkante die radial innere gasgewaschene Nabe schneidet; und
    • ein Getriebe, das einen Eingang von einer Kernwelle aufnimmt, die mit zumindest einem Teil der Turbine verbunden ist, wobei das Getriebe einen Antrieb an den Fan ausgibt, um den Fan mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle anzutreiben, wobei:
      • die Schaufelhöhe der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel definiert ist als der Radius der Anströmkante an der Spitze der Schaufel abzüglich des Radius des Punktes, an dem die Anströmkante die radial innere gasgewaschene Oberfläche schneidet; und
      • ein Verdichtungssystem-Schaufelverhältnis (compression system blade ratio, CSBR), definiert als das Verhältnis der Fan-Schaufelhöhe zur Höhe der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel, im Bereich von 45 bis 95 liegt.
  • Das Verdichtungssystem-Schaufelverhältnis kann in einem Bereich liegen, der eine Untergrenze von einem aus 45, 46, 48, 50, 52, 54 oder 56 und eine Obergrenze von einem aus 95, 90, 85, 80, 75 oder 70 aufweist.
  • Es wurde festgestellt, dass Gasturbinentriebwerke mit Anordnungen, bei denen das Verdichtungssystem-Schaufelverhältnis in den hierin definierten und/oder beanspruchten Bereichen liegt, einen verbesserten Gesamtwirkungsgrad des Gasturbinentriebwerks bereitstellen, wenn sie mit einem Flugwerk installiert sind. Zum Beispiel führt das Verdichtungssystem-Schaufelverhältnis in den hierin definierten Bereichen zu einem optimierten Gleichgewicht zwischen hohem Antriebswirkungsgrad (der sich in der Regel neben anderen Faktoren mit einer relativ großen Fan-Schaufel verbessert), hohem thermischem Wirkungsgrad (der sich in der Regel neben anderen Faktoren durch ein steigendes Kerndruckverhältnis verbessert) und verbesserten Installationsqualitäten, einschließlich aerodynamischer Wechselwirkungen mit dem Flugwerk und verbesserter Flexibilität bei der Positionierung des Kerns (und damit des gesamten Triebwerks) in Bezug auf das Flugwerk.
  • Insbesondere kann ein hoher Antriebswirkungsgrad durch ein hohes Bypass-Verhältnis erreicht werden, das durch eine relativ große Fan-Schaufelhöhe ermöglicht werden kann. Ein hoher thermischer Wirkungsgrad kann durch ein hohes Verdichterdruckverhältnis erreicht werden, das durch eine relativ geringe Höhe der höchsten Verdichterschaufel bei einer gegebenen Fan-Schaufelhöhe ermöglicht werden kann. Es wurde festgestellt, dass das Absenken des CSBR unter die hierin beschriebene und/oder beanspruchte untere Grenze den Gesamttriebwerkswirkungsgrad aufgrund der kombinierten Auswirkungen von thermischem Wirkungsgrad und Antriebswirkungsgrad rasch reduziert. Wird das CSBR jedoch über die hierin beschriebenen und/oder beanspruchten Obergrenzen hinaus weiter erhöht, wurde festgestellt, dass es sich dramatisch nachteilig auf andere Triebwerkseigenschaften auswirkt. Zum Beispiel wurde festgestellt, dass weitere Erhöhungen des CSBR erfordern, dass das Verdichtungssystem unannehmbar lang wird, um ein akzeptables Niveau der Verdichtungseffizienz zu erreichen. Dies führt zu negativen Auswirkungen auf der Ebene des Flugzeugs, z. B. im Hinblick auf die Interaktion des Triebwerks mit anderen Flugzeugstrukturen, wie etwa dem Flügel, was zu einer reduzierten Gesamttreibstoffverbrennung und/oder der Möglichkeit führt, das Triebwerk zu installieren, ohne andere Flugzeugstrukturen zu beeinträchtigen.
  • Noch weiter wurde festgestellt, dass Getriebe-Gasturbinentriebwerke eher unter der „Rotorverbiegung“ leiden. Dies ergibt sich aus der Differentialkühlung (in der vertikalen Ebene) einer oder mehrerer Kernwellen des Triebwerks, die den Verdichter mit der Turbine verbinden, wenn das Triebwerk nach Gebrauch abgeschaltet wird. Diese Differentialkühlung - die allein durch die Tendenz verursacht wird, dass die warme Luft zur Oberseite der Welle hin ansteigt - führt dazu, dass sich die Kernwelle beim Abkühlen krümmt (oder „verbiegt“). Werden keine abhelfenden (und potenziell kostenträchtigen und zeitaufwendigen) Maßnahmen getroffen, kann dies dazu führen, dass die Kernwelle für längere Zeit bis zur vollständigen Abkühlung in ihrer Position blockiert wird, während derer es nicht möglich ist, das Triebwerk zu starten, sodass das Flugzeug, an dem es angebracht ist, am Boden bleiben muss. Es wurde festgestellt, dass das Bereitstellen eines Gasturbinentriebwerks mit einem CSBR in den hierin definierten und/oder beanspruchten Bereichen einen hohen thermischen und Antriebswirkungsgrad bietet, jedoch mit einem stark reduzierten Risiko einer Rotorverbiegung. Wenn das CSBR noch weiter über die hierin offenbarte und/oder beanspruchte Obergrenze hinaus erhöht wird, wurde festgestellt, dass entweder der Verdichtungswirkungsgrad drastisch sinkt, da ein ausreichend hohes Verdichtungsverhältnis bereitgestellt werden muss, um einen akzeptablen thermischen Wirkungsgrad über eine zu kurze Strecke aufrechtzuerhalten, oder dass das Triebwerk (und die Welle) länger wird (um einen akzeptablen Verdichtungswirkungsgrad aufrechtzuerhalten) und dass es anfällig für eine Rotorverbiegung wird.
  • Das Getriebe trägt dazu bei, dass das Gasturbinentriebwerk das offenbarte CSBR erreichen kann.
  • Das Verdichtungssystem-Schaufelverhältnis dividiert durch ein Triebwerkskern-Radiusverhältnis kann im Bereich von 50 bis 95 liegen, zum Beispiel in einem Bereich, der eine Untergrenze von 45, 50 oder 52 und eine Obergrenze von 65, 70, 75, 80, 85, 90 oder 95 aufweist, optional 50 bis 85 oder 50 bis 75. In dieser Hinsicht ist das Triebwerkskern-Radiusverhältnis (engine core radius ratio, ECRR) wie an anderer Stelle hierin definiert, d. h. das Verhältnis des Radius der Spitze der am weitesten stromabwärts gelegenen Turbinenschaufel im Triebwerk zum Radius der Anströmkante des Teilers. Diese Anordnungen können in einigen Fällen den Gesamtwirkungsgrad und/oder die Installations- und/oder Wartungsanforderungen des Gasturbinentriebwerks bei der Installation mit einem Flugwerk weiter verbessern.
  • Das Verdichtungssystem-Schaufelverhältnis dividiert durch ein Kernverdichter-Seitenverhältnis kann im Bereich von 15 bis 50 liegen, zum Beispiel in einem Bereich, der eine Untergrenze von 15, 16, 17, 18, 19 oder 20 und eine Obergrenze von 50, 45, 40, 35 oder 30 aufweist, optional 16 bis 40. In dieser Hinsicht ist das Kernverdichter-Seitenverhältnis (CCAR) wie an anderer Stelle hierin definiert, d. h. als das Verhältnis des axialen Abstandes zwischen der Anströmkante des Teilers und der Anströmkante der Spitze der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel zu dem Radius der Anströmkante des Teilers. Diese Anordnungen können in einigen Fällen den Gesamtwirkungsgrad und/oder die Installations- und/oder Wartungsanforderungen des Gasturbinentriebwerks bei der Installation mit einem Flugwerk weiter verbessern. Solche Anordnungen können beispielsweise ein besonders kompaktes Kernverdichtungssystem aufweisen (z. B. in Bezug auf die axiale Länge).
  • Ein Verdichtungssystem-Drehzahlverhältnis kann wie an anderer Stelle hierin definiert sein, d. h. als das Verhältnis der Drehzahl der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel zur Drehzahl des Fans bei Reiseflugbedingungen. Das Produkt aus dem Verdichtungssystem-Schaufelverhältnis und dem Verdichtungssystem-Drehzahlverhältnis kann im Bereich von 300 bis 800, optional von 320 bis 750, optional von 325 bis 700 liegen. Diese Anordnungen können in einigen Fällen den Gesamtwirkungsgrad und/oder die Installations- und/oder Wartungsanforderungen des Gasturbinentriebwerks bei der Installation mit einem Flugwerk weiter verbessern.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug bereitgestellt, umfassend:
    • einen Triebwerkskern, umfassend eine Turbine, einen Verdichter und eine Brennkammer;
    • einen Fan (der stromaufwärts des Triebwerkskerns angeordnet sein kann), umfassend eine Vielzahl von Fan-Schaufeln; und
    • ein Getriebe, das einen Eingang von einer Kernwelle aufnimmt, die mit zumindest einem Teil der Turbine verbunden ist, wobei das Getriebe einen Antrieb an den Fan ausgibt, um den Fan mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle anzutreiben, wobei:
      • ein Bypass-Kanal radial außerhalb des Kerns definiert ist, wobei die Anströmkante eines Teilers den Punkt definiert, an dem sich der Strom im Betrieb in Kernstrom und Bypass-Strom teilt;
      • ein Kernverdichter-Seitenverhältnis als das Verhältnis des axialen Abstands zwischen der Anströmkante des Teilers und der Anströmkante der Spitze der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel zu dem Radius der Anströmkante des Teilers definiert ist;
      • ein Kernverdichter-Druckverhältnis, definiert als der Druck unmittelbar stromabwärts der letzten Rotorschaufel im Verdichter zu dem Druck unmittelbar stromaufwärts der ersten Rotorschaufel im Kernverdichter bei Reiseflugbedingungen, im Bereich von 33 bis 60 liegt; und
      • das Verhältnis des Kernverdichter-Seitenverhältnisses dividiert durch das Kernverdichter-Druckverhältnis im Bereich von 0,03 bis 0,09 liegt.
  • Der Kernverdichter kann zwölf, dreizehn oder vierzehn Rotorstufen umfassen.
  • Es wurde festgestellt, dass das Bereitstellen eines Gasturbinentriebwerks gemäß diesem Aspekt zu einem Triebwerk mit einem ausreichend hohen Kernverdichter-Druckverhältnis führen kann, um einen hohen thermischen Wirkungsgrad zu erreichen, ohne dass ein übermäßig langer Verdichter für einen bestimmten Radius der Anströmkante des Teilers erforderlich ist (der wiederum durch andere konstruktive Überlegungen, einschließlich beispielsweise den Außendurchmesser des Getriebes, festgelegt werden kann). Dies kann zumindest teilweise unterstützt werden, indem das Kernverdichter-Druckverhältnis unter Verwendung von zwölf, dreizehn oder vierzehn Rotorstufen im Kernverdichter (d. h. ohne den Fan) erreicht wird. Es wurde festgestellt, dass weniger als zwölf Stufen zu einem schlechten Verdichtungswirkungsgrad führen können, während mehr als vierzehn Stufen zu einem übermäßig langen Verdichter führen können. Optional wird das Kernverdichter-Druckverhältnis unter Verwendung von genau zwölf (d. h. zwölf und nicht mehr als zwölf) Rotorstufen im Kernverdichter erreicht.
  • Das Erreichen eines Kernverdichtungsverhältnisses über einen relativ kurzen Verdichter kann beim Montieren des Gasturbinentriebwerks an einem Flugzeug Installationsvorteile bieten - zum Beispiel in Bezug auf dessen Interaktion mit anderen Flugzeugstrukturen, wie etwa dem Flügel, was zu einer reduzierten Gesamttreibstoffverbrennung des Flugzeugs und/oder der Möglichkeit führt, das Triebwerk zu installieren, ohne andere Flugzeugstrukturen zu beeinträchtigen.
  • Darüber hinaus wurde festgestellt, dass das Bereitstellen eines Gasturbinentriebwerks mit einem Verhältnis des Kernverdichter-Seitenverhältnisses dividiert durch das Kernverdichter-Druckverhältnis - wie optional unterstützt durch die oben genannte Anzahl der Kernverdichter-Rotorstufen - in den hierin definierten Bereichen einen hohen thermischen Wirkungsgrad, aber mit einem reduzierten Risiko einer Rotorverbiegung (das an anderer Stelle hierin beschrieben ist) bieten kann. Wenn das Verhältnis des Kernverdichter-Seitenverhältnisses dividiert durch das Kernverdichter-Druckverhältnis noch weiter unter die hierin definierte untere Grenze gesenkt wird (und/oder die Anzahl der Verdichtungsstufen auf unter zwölf reduziert wird), wurde festgestellt, dass der Verdichtungswirkungsgrad aufgrund der Anforderung, ein relativ hohes Verdichtungsverhältnis über eine zu kurze Strecke bereitzustellen, sinken kann.
  • Optional liegt das Verhältnis des Kernverdichter-Seitenverhältnisses dividiert durch das Kernverdichter-Druckverhältnis in dem Bereich, der eine Untergrenze von einem aus 0,04, 0,045 oder 0,05 und eine Obergrenze von einem aus 0,06, 0,07, 0,08 oder 0,085 aufweist.
  • Das Kernverdichter-Seitenverhältnis (core compressor aspect ratio, CCAR) kann beispielsweise in dem Bereich liegen, der eine Untergrenze von einem aus 1,7, 1,8, 1,9, 2, 2,1, 2,2 oder 2,3 und eine Obergrenze von einem aus 4,2, 4, 3,8, 3,6, 3,4, 3,2, 3, 2,9 oder 2,8 aufweist, beispielsweise im Bereich von 1,7 bis 4,2; von 1,8 bis 3,4; von 2,0 bis 2,9; von 2,1 bis 2,9; oder von 2,3 bis 2,8.
  • Jede Rotorstufe kann axial von ihren benachbarten Rotorstufen getrennt sein. Eine Statorstufe kann zwischen jedem Paar benachbarter Rotorstufen vorgesehen sein.
  • Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug bereitgestellt, umfassend:
    • einen Triebwerkskern, umfassend eine Turbine, einen Verdichter und eine Brennkammer;
    • einen Fan (der stromaufwärts des Triebwerkskerns angeordnet sein kann), umfassend eine Vielzahl von Fan-Schaufeln; und
    • ein Getriebe, das einen Eingang von einer Kernwelle aufnimmt, die mit zumindest einem Teil der Turbine verbunden ist, wobei das Getriebe einen Antrieb an den Fan ausgibt, um den Fan mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle anzutreiben, wobei:
      • ein Verdichtungssystem-Radiusverhältnis, definiert als das Verhältnis des Radius der Spitze einer Fan-Schaufel zum Radius der Spitze der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel im Bereich von 5 bis 9 liegt.
  • Die am weitesten stromabwärts gelegene Verdichterschaufel (die in der Regel eine aus einer Vielzahl von Schaufeln in einer Reihe sein würde) kann sich in der axial am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufelreihe und/oder einer Verdichterschaufel in der Schaufelreihe befinden, die der Brennkammer am nächsten liegt und/oder unmittelbar vor der Brennkammer (d. h. ohne Zwischenschaufelreihen) und/oder in der Höchstdruckverdichter -Schaufelreihe.
  • Der Radius der Spitze der Fan-Schaufel kann als der Radius an der Spitze an der Anströmkante der Schaufel definiert werden. Ähnlich kann der Radius der Spitze der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel als der Radius an der Spitze an der Anströmkante der Schaufel definiert werden.
  • In manchen Anordnungen kann das Verdichtungssystem-Radiusverhältnis (CSRR) in einem Bereich liegen, der eine Untergrenze von einem aus 5, 5,1, 5,2, 5,3, 5,4, 5,5, 5,6, 5,7, 5,8, 5,9 oder 6, und/oder eine Obergrenze von einem aus 9, 8,9, 8,8, 8,7, 8,6, 8,5, 8,4, 8,3, 8,2, 8,1, 8, 7,9, 7,8, 7,7, 7,6, 7,5, 7,4, 7,3, 7,2, 7,1, 7, 6,9, 6,8, 6,7, 6,6 oder 6,5 aufweist. Rein exemplarisch kann das CSRR im Bereich von 5,2 bis 8,5 oder von 5,3 bis 7,2 liegen.
  • Es wurde festgestellt, dass Gasturbinentriebwerke mit Anordnungen, bei denen das Verdichtungssystem-Radiusverhältnis in den hierin definierten Bereichen liegt, einen verbesserten Gesamtwirkungsgrad des Gasturbinentriebwerks bereitstellen können, wenn sie mit einem Flugwerk installiert sind. Zum Beispiel kann das Verdichtungssystem-Radiusverhältnis in den hierin definierten Bereichen zu einem optimierten Gleichgewicht zwischen hohem Antriebswirkungsgrad (der sich in der Regel neben anderen Faktoren durch einen Fan mit relativ großem Durchmesser verbessert), hohem thermischem Wirkungsgrad (der sich in der Regel neben anderen Faktoren durch ein steigendes Kerndruckverhältnis verbessert) und verbesserten Installationsqualitäten führen, einschließlich aerodynamischer Interaktion mit dem Flugwerk und verbesserter Flexibilität beim Positionieren des Kerns (und damit des gesamten Triebwerks) in Bezug auf das Flugwerk. In dieser Hinsicht kann ein niedriger Radius der Spitze der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel im Verhältnis zum Radius der Fan-Schaufel zu einer solchen verbesserten Flexibilität beim Positionieren des Kerns führen, sodass beispielsweise die Mittelachse des Triebwerks vertikal näher am Flugzeugflügel für einen gegebenen Fan-Durchmesser positioniert werden kann. In einigen Fällen kann dies den maximalen Fan-Durchmesser erhöhen, den man an einem gegebenen Flugwerk installieren kann, was wiederum einen Vorteil in Bezug auf den Antriebswirkungsgrad bringen kann.
  • Andererseits wurde festgestellt, dass ein weiteres Reduzieren des Radius der Spitze der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel im Verhältnis zum Radius der Fan-Schaufel, sodass das CSRR über den hierin definierten Bereichen (z. B. über 9) liegt, nachteilig für die Triebwerkseigenschaften insgesamt sein kann. Dies kann auf eine nicht tolerierbare Verringerung des Verdichtungswirkungsgrades (z. B. auf ein höheres als das optimale Verdichtungsverhältnis über eine gegebene axiale Länge) und/oder eine Beeinträchtigung der Installationsvorteile zurückzuführen sein, z. B. durch eine größere Verdichterlänge (und damit Triebwerkslänge), die erforderlich ist, um einen akzeptablen Verdichtungswirkungsgrad zu erreichen.
  • Noch weiter wurde festgestellt, dass das Bereitstellen eines Gasturbinentriebwerks mit einem CSRR in den hierin definierten Bereichen einen hohen thermischen und Antriebswirkungsgrad bieten kann, jedoch mit einem stark reduzierten Risiko einer Rotorverbiegung, wie an anderer Stelle hierin beschrieben. Wenn das CSRR noch weiter über die hierin offenbarte Obergrenze hinaus erhöht ist, wurde festgestellt, dass entweder der Verdichtungswirkungsgrad aufgrund der Anforderung, ein ausreichend hohes Verdichtungsverhältnis bereitzustellen, um einen akzeptablen thermischen Wirkungsgrad über eine zu kurze Entfernung aufrechtzuerhalten, sinken kann, oder die Triebwerks-(und Wellen-)Länge sich vergrößern kann (um einen akzeptablen Verdichtungswirkungsgrad aufrechtzuerhalten) und das Triebwerk anfälliger für eine Rotorverbiegung werden kann.
  • Dementsprechend wurde festgestellt, dass ein CSRR in den definierten Bereichen ein Gasturbinentriebwerk mit hoher Betriebsfähigkeit/niedrigem Wartungsbedarf und hohem Wirkungsgrad bei der Installation mit einem Flugwerk bereitstellen kann, z. B. in Bezug auf die Gesamttreibstoffverbrennung von Kraftstoff und/oder die Installationsfähigkeit.
  • Das Getriebe trägt dazu bei, dass das Gasturbinentriebwerk das offenbarte Verdichtungssystem-Radiusverhältnis erreichen kann.
  • Das Verdichtungssystem-Radiusverhältnis dividiert durch ein Triebwerkskern-Radiusverhältnis kann im Bereich von 5,5 bis 10, zum Beispiel von 6 bis 8, liegen, zum Beispiel in einem Bereich, der eine Untergrenze aus einem von 5,5, 5,6, 5,7, 5,8, 5,9, 6, 6,1, 6,2, 6,3, 6,4, 6,5 und/oder eine Obergrenze aus einem von 10, 9,5, 9, 8,5, 8, 7,9, 7,8, 7,7, 7,6, 7,5, 7,4, 7,3, 7,2, 7,1, oder 7 aufweist. In dieser Hinsicht ist das Triebwerkskern-Radiusverhältnis (engine core radius ratio, ECRR) wie an anderer Stelle hierin definiert, d. h. das Verhältnis des Radius der Spitze der am weitesten stromabwärts gelegenen Turbinenschaufel im Triebwerk zum Radius der Anströmkante des Teilers. Diese Anordnungen können in einigen Fällen den Gesamtwirkungsgrad und/oder die Installations- und/oder Wartungsanforderungen des Gasturbinentriebwerks bei der Installation mit einem Flugwerk weiter verbessern.
  • Das Verdichtungssystem-Radiusverhältnis dividiert durch ein Kernverdichter-Seitenverhältnis kann im Bereich von 1,7 bis 4,2 liegen, zum Beispiel in einem Bereich, der eine Untergrenze von einem aus 1,7, 1,8, 1,9, 2, 2,1, 2,2, 2,3, 2,4 oder 2,5 und/oder eine Obergrenze von einem aus 4,2, 4,1, 4, 3,9, 3,8, 3,7, 3,6, 3,5, 3,4, 3,3, 3,2, 3,1, 3, 2,9, 2,8 oder 2,7 aufweist, zum Beispiel im Bereich von 1,8 bis 2,9. In dieser Hinsicht ist das Kernverdichter-Seitenverhältnis (CCAR) wie an anderer Stelle hierin definiert, d. h. als das Verhältnis des axialen Abstandes zwischen der Anströmkante des Teilers und der Anströmkante der Spitze der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel zu dem Radius der Anströmkante des Teilers. Diese Anordnungen können in einigen Fällen den Gesamtwirkungsgrad und/oder die Installations- und/oder Wartungsanforderungen des Gasturbinentriebwerks bei der Installation mit einem Flugwerk weiter verbessern. Solche Anordnungen können beispielsweise ein besonders kompaktes Kernverdichtungssystem aufweisen (z. B. in Bezug auf die axiale Länge).
  • Ein Verdichtungssystem-Drehzahlverhältnis kann wie an anderer Stelle hierin definiert sein, d. h. als das Verhältnis der Drehzahl der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel zur Drehzahl des Fans bei Reiseflugbedingungen. Das Produkt aus dem Verdichtungssystem-Radiusverhältnis und dem Verdichtungssystem-Drehzahlverhältnis kann im Bereich von 25 bis 80 liegen, beispielsweise in einem Bereich, der eine Untergrenze aus einem von 25, 30, 35, 40, 45 und/oder eine Obergrenze aus einem von 80, 75, 70, 65, 60, 55 oder 50 aufweist. Diese Anordnungen können in einigen Fällen den Gesamtwirkungsgrad und/oder die Installations- und/oder Wartungsanforderungen des Gasturbinentriebwerks bei der Installation mit einem Flugwerk weiter verbessern.
  • Rein beispielhaft kann von der Radius der Spitze einer Fan-Schaufel im Bereich von 120 cm bis 140 cm und der Radius der Spitze der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel im Bereich von 17 cm bis 28 cm liegen. Rein als weiteres Beispiel kann von der Radius der Spitze einer Fan-Schaufel im Bereich von 165 cm bis 190 cm und der Radius der Spitze der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel im Bereich von 24 cm bis 35 cm liegen.
  • Gemäß einem vierten Aspekt wird ein Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug bereitgestellt, umfassend:
    • einen Triebwerkskern, umfassend eine Turbine, einen Verdichter und eine Brennkammer; und
    • einen Fan, der eine Vielzahl von Fan-Schaufeln umfasst, wobei:
      • ein Verdichtungssystem-Drehzahlverhältnis, definiert als das Verhältnis der Drehzahl der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel zur Drehzahl des Fans bei Reiseflugbedingungen, im Bereich von 6 bis 10 liegt, zum Beispiel in einem Bereich, der eine Untergrenze aus einem von 6, 6,1, 6,2, 6,3, 6,4, 6,5, 6,6, 6,7, 6,8, 6,9, 7, 7,1, 7,2, 7,3, 7,4, 7,5 und/oder eine Obergrenze aus einem von 10, 9,5, 9, 8,9, 8,8, 8,7, 8,6, 8,5, 8,4, 8,3, 8,2, 8,1 oder 8 aufweist. Beispielhaft kann das Verdichtungssystem-Drehzahlverhältnis im Bereich von 7 bis 9, zum Beispiel 7,4 bis 8,5, liegen, wobei der Durchmesser des Fans optional im Bereich von 320 cm bis 390 cm liegt und/oder die Drehzahl des Fans bei Reiseflugbedingungen im Bereich von 1300 U/min bis 1800 U/min liegt. In einer solchen Anordnung kann der Durchmesser des Fans im Bereich von 230 cm bis 400 cm liegen. In einer solchen Anordnung kann die Turbine eine erste Turbine und eine zweite Turbine umfassen; der Verdichter kann einen ersten Verdichter und einen zweiten Verdichter umfassen. Die erste Turbine und der erste Verdichter können durch eine erste Kernwelle verbunden sein, und die zweite Turbine und der zweite Verdichter können durch einen zweiten Kernwelle Kern verbunden sein. Die zweite Turbine, der zweite Verdichter und die zweite Kernwelle können so angeordnet sein, dass sie sich mit einer höheren Drehzahl als die erste Kernwelle drehen. In einer solchen Anordnung würde die am weitesten stromabwärts gelegene Verdichterschaufel Teil des zweiten Verdichters sein.
  • Ein solches Gasturbinentriebwerk gemäß dem vierten Aspekt kann ein Getriebe umfassen, das einen Eingang von einer Kernwelle aufnimmt, die mit mindestens einem Teil der Turbine verbunden ist, wobei das Getriebe den Antrieb an den Fan ausgibt, um den Fan mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle anzutreiben.
  • Es versteht sich, dass kompatible Merkmale aus jedem beliebigen Aspekt kombiniert werden können. Rein beispielhaft kann ein Gasturbinentriebwerk gemäß einem Aspekt einen oder mehrere der hierin offenbarten Bereiche umfassen für: CSRR; CCAR; ECRR; CSSR; CSBR; Kernverdichter-Druckverhältnis; CCAR/(Kernverdichter-Druckverhältnis); CSRR/ECRR; CSRR/CCAR; CSRR*CSSR; CSBR/ECRR; CSBR/CCAR; CSBR*CSSR; Anzahl der Verdichterrotorstufen.
  • Ferner kann ein beliebiges oder mehrere der folgenden Merkmale für einen beliebigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung gelten und/oder in diesen integriert sein.
  • Die erste Rotorschaufel im Kernverdichter kann als die erste Rotorschaufel stromabwärts des Fans bezeichnet werden. Die letzte Rotorschaufel im Verdichter kann als die Verdichterschaufel mit dem höchsten Druck oder die erste Rotorschaufel stromaufwärts der Brennkammer bezeichnet werden. Optional kann das Kernverdichter-Druckverhältnis (das bei Reiseflugbedingungen definiert ist) in dem Bereich liegen, der eine Untergrenze aus einem von 33, 34, 35, 36, 38 oder 40 und eine Obergrenze aus einem von 52, 55, 57 oder 60 aufweist, zum Beispiel von 36 bis 52 bei Reiseflugbedingungen. Gemäß der hierin bereitgestellten Definition schließt das Kernverdichter-Druckverhältnis nicht den durch den Fan verursachten Druckanstieg ein.
  • Ein Bypass-Kanal ist radial außerhalb des Kerns definiert. Die Anströmkante eines Teilers definiert den Punkt, an dem sich der Strom in Kernstrom und Bypass-Strom aufteilt (der Kernstrom ist der Strom, der im Betrieb durch den Kern des verwendeten Triebwerks fließt, und der Bypass-Strom ist der Strom, der im Betrieb in den Bypass-Kanal eintritt. Ein Triebwerkskern-Radiusverhältnis (engine core radius ratio, ECRR) kann dann definiert werden als das Verhältnis des Radius der Spitze der am weitesten stromabwärts gelegenen Turbinenschaufel im Triebwerk zum Radius der Anströmkante des Teilers. Das ECRR kann kleiner als 1 sein, zum Beispiel im Bereich von 0,75 bis 1, 0,8 bis 0,98, 0,81 bis 0,94 oder 0,82 bis 0,93. Diese Anordnungen können in einigen Fällen den Gesamtwirkungsgrad und/oder die Installations- und/oder Wartungsanforderungen des Gasturbinentriebwerks bei der Installation mit einem Flugwerk weiter verbessern.
  • Die Fan-Schaufeln können von einer Gondel umgeben sein, die ein Fan-Gehäuse einschließen kann. Somit können die radial äußeren Spitzen der Fan-Schaufeln von einer radial inneren gasgewaschenen Oberfläche der Gondel umgeben sein. Dementsprechend kann das Gasturbinentriebwerk als Turbofan-Gasturbinentriebwerk und/oder der Fan als Mantelstrom-Fan bezeichnet werden. Die Gondel kann eine radial äußere Oberfläche des Bypass-Kanals eines solchen Turbofan-Triebwerks bilden.
  • Jede Fan-Schaufel kann so definiert sein, dass sie eine radiale Spannweite aufweist, welche sich von einer Wurzel (oder Nabe) an einer radial inneren gasgewaschenen Stelle oder einer Position mit 0 % Spannweite zu einer Spitze an einer Position mit 100 % Spannweite erstreckt. Das Verhältnis des Radius der Fan-Schaufel an der Nabe zum Radius der Fan-Schaufel an der Spitze kann kleiner sein 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. Das Verhältnis des Radius der Fan-Schaufel an der Nabe zum Radius der Fan-Schaufel an der Spitze kann in einem einschließenden Bereich liegen, der durch zwei beliebige der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt ist (d. h. die Werte können Ober- oder Untergrenzen bilden), beispielsweise im Bereich von 0,25 bis 0,32 oder 0,28 bis 0,32. Diese Verhältnisse können allgemein als das Verhältnis von Nabe zu Spitze bezeichnet werden. Der Radius an der Nabe und der Radius an der Spitze können beide an der Anströmkante (oder dem axial vordersten Teil) der Schaufel gemessen werden. Das Verhältnis von Nabe zu Spitze bezieht sich natürlich auf den gasgewaschenen Abschnitt der Fan-Schaufel, d. h. auf den Abschnitt radial außerhalb irgendeiner Plattform.
  • Eine Fan-Schaufel und/oder ein Luftleitblechabschnitt einer Fan-Schaufels, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, können aus jedem geeigneten Material oder einer Kombination von Materialien hergestellt sein. Zum Beispiel kann mindestens ein Teil der Fan-Schaufel und/oder der Tragfläche mindestens teilweise aus einem Verbundwerkstoff, beispielsweise einem Metallmatrixverbundwerkstoff und/oder einem organischen Matrixverbundwerkstoff, wie etwa Kohlefaser, hergestellt sein. Als weiteres Beispiel kann mindestens ein Teil der Fan-Schaufel und/oder der Tragfläche mindestens teilweise aus einem Metall, beispielsweise einem auf Titan basierenden Metall oder einem auf Aluminium basierenden Material (wie etwa einer Aluminium-Lithium-Legierung) oder einem auf Stahl basierenden Material, hergestellt sein. Die Fan-Schaufel kann mindestens zwei Regionen umfassen, die unter Verwendung unterschiedlicher Materialien hergestellt sind. Beispielsweise kann die Fan-Schaufel eine schützende Anströmkante aufweisen, die unter Verwendung eines Materials hergestellt werden kann, das besser in der Lage ist, einem Aufprall (beispielsweise von Vögeln, Eis oder anderem Material) zu widerstehen als der Rest der Schaufel. Eine derartige Anströmkante kann beispielsweise unter Verwendung von Titan oder einer Legierung auf Titanbasis hergestellt werden. Somit kann die Fan-Schaufel rein als Beispiel einen auf Kohlenstofffaser oder Aluminium basierenden Körper (wie etwa einer Aluminium-Lithium-Legierung) mit einer Anströmkante aus Titan aufweisen.
  • Ein Gasturbinentriebwerk, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, kann ferner einen Einlass umfassen, der sich stromaufwärts der Fan-Schaufeln erstreckt. Eine Einlasslänge L kann als der axiale Abstand zwischen der Anströmkante des Einlasses und der Anströmkante der Spitze der Fan-Schaufeln definiert sein. Der Fan-Durchmesser D kann wie an anderer Stelle hierin definiert, d. h. der Durchmesser des Fans an der Anströmkante der Spitzen der Fan-Schaufeln. Das Verhältnis L/D kann kleiner als 0,5 sein, zum Beispiel im Bereich von 0,2 bis 0,45, 0,25 bis 0,4 oder kleiner als 0,4. Wenn die Einlasslänge über den Umfang variiert, kann die Einlasslänge L, mit der das Verhältnis der Einlasslänge zum Durchmesser D des Fans bestimmt wird, an den Positionen π/2 oder 3π/2 vom oberen Totpunkt des Triebwerks (d. h. von der 3-Uhr- oder 9-Uhr-Position) oder der Mittelwert der Einlasslänge an diesen beiden Positionen gemessen werden, wo sie unterschiedlich sind.
  • Anordnungen der vorliegenden Offenbarung können insbesondere für Fans vorteilhaft sein, die über ein Getriebe angetrieben werden. Das Getriebe nimmt einen Eingang von der Kernwelle auf und gibt einen Antrieb an den Fan aus, um den Fan mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle anzutreiben. Der Eingang zum Getriebe kann direkt von der Kernwelle oder indirekt von der Kernwelle erfolgen, beispielsweise über eine Stirnradwelle und/oder ein Getriebe. Die Kernwelle kann die Turbine und den Verdichter starr verbinden, sodass sich Turbine und Verdichter mit der gleichen Drehzahl drehen (wobei sich der Fan mit einer niedrigeren Drehzahl dreht).
  • Das Getriebe ist ein Untersetzungsgetriebe (da der Ausgang zum Fan eine niedrigere Drehzahl hat als der Eingang von der Kernwelle). Es kann jede Art von Getriebe verwendet werden. Beispielsweise kann das Getriebe ein „Planetengetriebe“ oder ein „Sterngetriebe“ sein, wie es an anderer Stelle hierin beschrieben ist. Das Getriebe kann jedes gewünschte Untersetzungsverhältnis aufweisen (definiert als die Drehzahl der Antriebswelle dividiert durch die Drehzahl der Abtriebswelle), beispielsweise größer als 2,5, beispielsweise im Bereich von 3 bis 4,2 oder 3,2 bis 3,8, beispielsweise in der Reihenfolge von oder mindestens 3, 3,1, 3,2, 3,3, 3,4, 3,5, 3,6, 3,7, 3,8, 3,9, 4, 4,1 oder 4,2. Das Übersetzungsverhältnis kann zum Beispiel zwischen beliebigen zwei von den Werten liegen, die in dem vorhergehenden Satz genannt sind. Rein exemplarisch kann das Getriebe ein „Stemgetriebe“ mit einer Übersetzung im Bereich von 3,1 oder 3,2 bis 3,8 sein. Bei einigen Anordnungen kann die Übersetzung außerhalb dieser Bereiche liegen.
  • Das Gasturbinentriebwerk, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, kann jede geeignete allgemeine Architektur aufweisen. Beispielsweise kann das Gasturbinentriebwerk eine beliebige Anzahl von Wellen aufweisen, die Turbinen und Verdichter verbinden, beispielsweise eine, zwei oder drei Wellen. Rein beispielhaft kann der Triebwerkskern eine erste Turbine umfassen, die über eine erste Kernwelle mit einem ersten Verdichter verbunden ist. Der Triebwerkkern kann ferner eine zweite Turbine, einen zweiten Verdichter und eine zweite Kernwelle umfassen, die die zweite Turbine mit dem zweiten Verdichter verbindet. Die zweite Turbine, der zweite Verdichter und die zweite Kernwelle können so angeordnet sein, dass sie sich mit einer höheren Drehzahl als die erste Kernwelle drehen.
  • In einer solchen Anordnung kann der zweite Verdichter axial stromabwärts des ersten Verdichters positioniert sein. Der zweite Verdichter kann angeordnet sein, um eine Strömung von dem ersten Verdichter zu empfangen (beispielsweise direkt zu empfangen, zum Beispiel über einen im Allgemeinen ringförmigen Kanal). In einer solchen Anordnung wäre die am weitesten stromabwärts gelegene Verdichterschaufel ein Teil des zweiten Verdichters.
  • Das Getriebe kann so angeordnet sein, dass es von der Kernwelle angetrieben wird, die konfiguriert ist, um sich (beispielsweise im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen (beispielsweise von der ersten Kernwelle in dem obigen Beispiel). Beispielsweise kann das Getriebe so angeordnet sein, dass es nur von der Kernwelle angetrieben wird, die konfiguriert ist, um sich (beispielsweise im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen (beispielsweise nur von der ersten Kernwelle und nicht von der zweiten Kernwelle im obigen Beispiel). Alternativ kann das Getriebe so angeordnet sein, dass es von einer oder mehreren Wellen angetrieben wird, beispielsweise von der ersten und/oder zweiten Welle in dem obigen Beispiel.
  • In jedem Gasturbinentriebwerk, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, kann eine Brennkammer axial stromabwärts des Fans und des (der) Verdichter(s) vorgesehen sein. Zum Beispiel kann sich die Brennkammer direkt stromabwärts des zweiten Verdichters (beispielsweise an dessen Ausgang) befinden, wo ein zweiter Verdichter vorgesehen ist. Als weiteres Beispiel kann die Strömung am Ausgang zur Brennkammer an den Einlass der zweiten Turbine geliefert werden, wo eine zweite Turbine vorgesehen ist. Die Brennkammer kann stromaufwärts der Turbine(n) vorgesehen sein.
  • Der oder jeder Verdichter (beispielsweise der erste Verdichter und der zweite Verdichter, wie oben beschrieben) kann eine beliebige Anzahl von Stufen umfassen, beispielsweise mehrere Stufen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorleitschaufeln umfassen, die variable Statorleitschaufeln sein können (indem ihr Einfallswinkel variabel sein kann). Die Reihe von Rotorschaufeln und die Reihe von Statorleitschaufeln können axial zueinander versetzt sein.
  • Die oder jede Turbine (beispielsweise die erste Turbine und die zweite Turbine, wie oben beschrieben) kann eine beliebige Anzahl von Stufen umfassen, beispielsweise mehrere Stufen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorleitschaufeln umfassen. Die Reihe von Rotorschaufeln und die Reihe von Statorleitschaufeln können axial zueinander versetzt sein.
  • Der Radius des Fans kann zwischen der Mittellinie des Triebwerks und der Spitze einer Fan-Schaufel an ihrer Anströmkante gemessen werden. Der Fandurchmesser (der einfach das Doppelte des Fanradius betragen kann) kann größer sein als (oder in der Größenordnung von): 220 cm, 230 cm, 240 cm, 250 cm (etwa 100 in), 260 cm, 270 cm (etwa 105 in), 280 cm (etwa 110 in), 290 cm (etwa 115 in), 300 cm (etwa 120 in), 310 cm, 320 cm (etwa 125 in), 330 cm (etwa 130 in), 340 cm (etwa 135 in), 350 cm, 360 cm (etwa 140 in), 370 cm (etwa 145 in), 380 cm (etwa 150 in), 390 cm (etwa 155 in), 400 cm, 410 cm (etwa 160 in) oder 420 cm (etwa 165 in). Der Fan-Durchmesser kann in einem einschließenden Bereich liegen, der durch beliebige zwei der Werte in dem vorhergehenden Satz begrenzt ist (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden), beispielsweise im Bereich von 240 cm bis 280 cm oder 330 cm bis 380 cm.
  • Die Drehzahl des Fans kann bei Gebrauch variieren. Im Allgemeinen ist die Drehzahl bei Fans mit einem größeren Durchmesser niedriger. Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel kann die Drehzahl des Fans unter Reiseflugbedingungen kleiner als 2500 U/min sein, beispielsweise kleiner als 2300 U/min. Rein als weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Fans bei Reiseflugbedingungen für ein Triebwerk, das einen Fan-Durchmesser im Bereich von 220 cm bis 300 cm aufweist (zum Beispiel von 240 cm bis 280 cm oder 250 cm bis 270 cm), im Bereich von 1700 U/min bis 2500 U/min liegen, zum Beispiel im Bereich von 1800 U/min bis 2300 U/min, zum Beispiel im Bereich von 1900 U/min bis 2100 U/min. Rein als weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Fans unter Reiseflugbedingungen für ein Triebwerk mit einem Fandurchmesser im Bereich von 330 cm bis 380 cm im Bereich von 1200 U/min bis 2000 U/min liegen, zum Beispiel im Bereich von 1300 U/min bis 1800 U/min, zum Beispiel im Bereich von 1400 U/min bis 1800 U/min.
  • Bei Gebrauch des Gasturbinentriebwerks dreht sich der Fan (mit zugehörigen Fan-Schaufeln) um eine Drehachse. Diese Drehung führt dazu, dass sich die Spitze der Fan-Schaufel mit einer Geschwindigkeit USpitze bewegt. Die Arbeit, die von den Fanschaufeln 13 am Strom geleistet wird, führt zu einem Enthalpieanstieg dH des Stroms. Eine Fanspitzenbelastung kann definiert werden als dH/USptze 2, wobei dH der Enthalpieanstieg (zum Beispiel der mittlere 1-D Enthalpieanstieg) über den Fan ist und USpitze die (translatorische) Geschwindigkeit der Fanspitze ist, zum Beispiel an der Anströmkante der Spitze (die definiert sein kann als der Fanspitzenradius an der Anströmkante multipliziert mit der Winkelgeschwindigkeit). Die Fanspitzenbelastung unter Reiseflugbedingungen kann größer sein als (oder in der Größenordnung von): 0,28, 0,29, 0,30, 0,31, 0,32, 0,33, 0,34, 0,35, 0,36, 0,37, 0,38, 0,39 oder 0,4 (wobei alle Einheiten in diesem Absatz Jkg-1K-1/(ms-1)2 sind). Die Fanspitzenbelastung kann in einem einschließenden Bereich liegen, der durch zwei der Werte im vorherigen Satz begrenzt ist (d. h. die Werte können Ober- oder Untergrenzen bilden), beispielsweise im Bereich von 0,28 bis 0,31 oder 0,29 bis 0,3.
  • Gasturbinentriebwerke gemäß der vorliegenden Offenbarung können ein beliebiges Bypass-Verhältnis aufweisen, wobei das Bypass-Verhältnis definiert ist als das Verhältnis der Massenströmungsrate der Strömung durch den Bypass-Kanal zu der Massenströmungsrate der Strömung durch den Kern unter Reiseflugbedingungen. In einigen Anordnungen kann das Bypass-Verhältnis größer sein als eines der Folgenden (oder in der Größenordnung hiervon): 10, 10,5, 11, 11,5, 12, 12,5, 13, 13,5, 14, 14,5, 15, 15,5, 16, 16,5, 17, 17,5, 18, 18,5, 19, 19,5 oder 20. Das Bypass-Verhältnis kann in einem einschließenden Bereich liegen, der durch zwei beliebige der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt ist (d. h. die Werte können Ober- oder Untergrenzen bilden), beispielsweise im Bereich von 12 bis 16, 13 bis 15 oder 13 bis 14. Der Bypass-Kanal kann im Wesentlichen ringförmig sein. Der Bypass-Kanal kann sich radial außerhalb des Kerntriebwerks befinden. Die radiale Außenfläche des Bypass-Kanals kann durch eine Gondel und/oder ein Fangehäuse definiert sein.
  • Das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, kann definiert werden als das Verhältnis des Staudrucks am Ausgang des Höchstdruckverdichters (vor Eintritt in die Brennkammer) zu dem Staudruck stromaufwärts des Fans. Als nicht einschränkendes Beispiel kann das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, unter Reiseflugbedingungen größer sein als eines der Folgenden (oder in der Größenordnung hiervon): 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75. Das Gesamtdruckverhältnis kann in einem einschließenden Bereich liegen, der durch zwei beliebige der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt ist (d. h. die Werte können Ober- oder Untergrenzen bilden), beispielsweise im Bereich von 45 bis 70 oder von 50 bis 65. Es ist zu beachten, dass sich das Gesamtdruckverhältnis vom Kernverdichter-Druckverhältnis unterscheidet, da das Gesamtdruckverhältnis auch den Druckanstieg über der Fan-Wurzel einschließt (d. h. dem Teil des Fans, über den die Luft, die anschließend in den Triebwerkskern strömt, passiert).
  • In manchen Anordnungen darf ein Fan-Druckverhältnis, definiert als das Verhältnis des mittleren Gesamtdrucks des Stroms am Fan-Ausgang zum mittleren Gesamtdruck des Stroms am Fan-Einlass, bei Reiseflugbedingungen nicht größer als 1,5 sein, zum Beispiel nicht größer als 1,45, 1,4 oder 1,35. Das Fan-Druckverhältnis kann im Bereich von 1,35 bis 1,43 liegen, zum Beispiel in der Größenordnung von 1,39.
  • Stromabwärts des Fans wird der Strom durch das Gasturbinentriebwerk in einen Kernstrom (der durch den Triebwerkskern fließt) und einen Bypass-Strom (der durch den Bypass-Kanal fließt) aufgeteilt. Das Gasturbinentriebwerk umfasst einen Teiler (der ein ringförmiger Teiler sein kann), an dem der Strom zwischen dem Kernstrom, der durch den Triebwerkskern fließt, und dem Bypass-Strom, der entlang eines Bypass-Kanals fließt, geteilt wird. In manchen Anordnungen kann ein Fanwurzel-Druckverhältnis, definiert als das Verhältnis des mittleren Gesamtdrucks des Stroms am Fan-Ausgang, der anschließend durch den Triebwerkskern strömt, zum mittleren Gesamtdruck des Stroms am Fan-Einlass bei Reiseflugbedingungen nicht größer als 1,3 sein.
  • In manchen Anordnungen kann das Fanwurzel-Druckverhältnis bei Reiseflugbedingungen nicht größer als 1,24, zum Beispiel nicht größer als 1,23, zum Beispiel nicht größer als 1,22, zum Beispiel nicht größer als 1,21, zum Beispiel nicht größer als 1,2 sein. In manchen Anordnungen kann das Fanwurzel-Druckverhältnis bei Reiseflugbedingungen im Bereich von 1,18 bis 1,30, zum Beispiel von 1,21 bis 1,27, liegen.
  • Wenn hierin der Begriff Mittelwert in Bezug auf einen Druck (z. B. einen Gesamtdruck) verwendet wird, kann dies (z. B.) ein Flächenmittelwert sein, der über die betreffende Oberfläche ermittelt wird.
  • Ein Fanwurzel-zu-spitze-Druckverhältnis, definiert als das Verhältnis des mittleren Gesamtdrucks des Stroms am Fan-Ausgang, der anschließend durch den Triebwerkskern strömt, zum mittleren Gesamtdruck des Stroms am Fan-Ausgang, der anschließend durch den Bypass-Kanal strömt, darf nicht größer als (zum Beispiel kleiner als) 0,95 sein, zum Beispiel nicht größer als 0,94, 0,93, 0,92, 0,91 oder 0,9 bei Reiseflugbedingungen, zum Beispiel im Bereich von 0,8 bis 0,95, zum Beispiel 0,82 bis 0,89, zum Beispiel 0,83 bis 0,88.
  • Der spezifische Schub eines Triebwerks kann als der Nettoschub des Triebwerks dividiert durch den Gesamtmassenstrom durch das Triebwerk definiert werden. Unter Reiseflugbedingungen kann der spezifische Schub eines hierin beschriebenen und/oder beanspruchten Triebwerks kleiner sein als eines der Folgenden (oder in der Größenordnung hiervon): 110 Nkg-1 s, 105 Nkg-1 s, 100 Nkg-1 s, 95 Nkg-1 s, 90 Nkg-1 s, 85 Nkg-1 s oder 80 Nkg-1s. Der spezifische Schub kann in einem einschließenden Bereich liegen, der durch zwei beliebige der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt ist (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden), beispielsweise im Bereich von 80 Nkg-1s bis 100 Nkg-1s oder 85 Nkg-1s bis 95 Nkg-1s. Derartige Triebwerke können im Vergleich zu herkömmlichen Gasturbinentriebwerken besonders effizient sein.
  • Ein Gasturbinentriebwerk, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, kann jeden gewünschten maximalen Schub haben. Als nicht einschränkendes Beispiel kann eine Gasturbine, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, in der Lage sein, einen maximalen Schub von mindestens einem der Folgenden (oder in der Größenordnung hiervon) zu erzeugen: 160 kN, 170 kN, 180 kN, 190 kN, 200 kN, 250 kN, 300 kN, 350 kN, 400 kN, 450 kN, 500 kN oder 550 kN. Der maximale Schub kann in einem einschließenden Bereich liegen, der durch zwei beliebige der Werte aus dem vorhergehenden Satz begrenzt ist (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Beispielsweise kann eine Gasturbine, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, in der Lage sein, einen maximalen Schub im Bereich von 330 kN bis 420 kN, beispielsweise 350 kN bis 400 kN zu erzeugen. Der vorstehend genannte Schub kann der maximale Nettoschub bei normalen atmosphärischen Bedingungen auf Meereshöhe plus 15 Grad C (Umgebungsdruck 101,3 kPa, Temperatur 30 Grad C) bei statischem Triebwerk sein.
  • Im Einsatz kann die Temperatur des Stroms am Eintritt in die Hochdruckturbine besonders hoch sein. Diese Temperatur, die als TET bezeichnet werden kann, kann am Ausgang der Brennkammer gemessen werden, beispielsweise unmittelbar stromaufwärts der ersten Turbinenschaufel, die selbst als Düsenleitschaufel bezeichnet werden kann. Im Flug kann die TET mindestens (oder in der Größenordnung von) einem der Folgenden sein: 1400 K, 1450 K, 1500 K, 1550 K, 1600 K oder 1650 K. Die TET im Flug kann in einem einschließenden Bereich liegen, der durch zwei beliebige der Werte im vorherigen Satz begrenzt ist (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Die maximale TET im Einsatz des Triebwerks kann beispielsweise mindestens (oder in der Größenordnung) eines der Folgenden sein: 1700 K, 1750 K, 1800 K, 1850 K, 1900 K, 1950 K oder 2000 K. Die maximale TET kann in einem einschließenden Bereich liegen, der durch zwei beliebige der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt ist (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden), beispielsweise im Bereich von 1800 K bis 1950 K. Die maximale TET kann z. B. bei einem hohen Schubzustand, z. B. bei einem maximalen Startzustand (engl.: maximum take-off - MTO) auftreten.
  • Ein Fan, wie er hierin beschrieben und/oder beansprucht wird, kann einen zentralen Abschnitt umfassen, von dem sich die Fan-Schaufeln erstrecken können, beispielsweise in einer radialen Richtung. Die Fan-Schaufeln können in jeder gewünschten Weise an dem zentralen Abschnitt befestigt sein. Beispielsweise kann jede Fan-Schaufel eine Befestigung aufweisen, die in einen entsprechenden Schlitz in der Nabe (oder Scheibe) eingreifen kann. Eine solche Befestigung kann rein als Beispiel in Form eines Schwalbenschwanzes vorliegen, der in einen entsprechenden Schlitz in der Nabe/Scheibe einsteckbar und/oder einrastbar ist, um die Fan-Schaufel an der Nabe/Scheibe zu befestigen. Als weiteres Beispiel können die Fan-Schaufeln einstückig mit einem zentralen Abschnitt ausgebildet sein. Eine derartige Anordnung kann als Schaufelscheibe oder Schaufelring bezeichnet werden. Jedes geeignete Verfahren kann zur Herstellung einer solchen Schaufelscheibe oder eines Schaufelrings verwendet werden. Zum Beispiel kann mindestens ein Teil der Fan-Schaufeln aus einem Block gefertigt sein und/oder mindestens ein Teil der Fan-Schaufeln kann durch Schweißen, wie etwa lineares Reibschweißen, an der Nabe/Scheibe befestigt sein.
  • Die hierin beschriebenen und/oder beanspruchten Gasturbinentriebwerke können mit einer flächenvariablen Düse (variable area nozzle, VAN) versehen sein oder nicht. Eine derartige flächenvariable Düse kann das Variieren der Austrittsfläche des Bypass-Kanals während des Gebrauchs ermöglichen. Die allgemeinen Prinzipien der vorliegenden Offenbarung können auf Triebwerke mit oder ohne VAN angewendet werden.
  • Der Fan einer Gasturbine, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, kann eine beliebige Anzahl von Fan-Schaufeln aufweisen, zum Beispiel 14, 16, 18, 20, 22, 24 oder 26 Fan-Schaufeln.
  • Wie hierin verwendet, haben Reiseflugbedingungen die herkömmliche Bedeutung und würden vom Fachmann leicht verstanden werden. Somit würde der Fachmann bei einem gegebenen Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug sofort Reiseflugbedingungen so erfassen, dass sie den Arbeitspunkt des Triebwerks bei Streckenflugmitte einer gegebenen Mission (was in der Branche als die „wirtschaftliche Mission“ bezeichnet werden kann) eines Flugzeugs bedeuten, an dem die Gasturbine angebracht werden soll. In dieser Hinsicht ist die Streckenflugmitte der Punkt in einem Flugzeugflugzyklus, bei dem 50 % des gesamten Treibstoffs, der zwischen dem höchsten Punkt des Steigflugs und dem Beginn des Sinkflugs verbrannt wird, verbrannt worden ist (was durch den Mittelpunkt - in Bezug auf Zeit und/oder Abstand - zwischen dem höchsten Punkt des Steigflugs und dem Beginn des Sinkflugs angenähert werden kann.) Reiseflugbedingungen definieren somit einen Arbeitspunkt des Gasturbinentriebwerks, der einen Schub bereitstellt, welcher einen stationären Betrieb (d. h. Aufrechterhaltung einer konstanten Höhe und konstanten Machzahl) bei Streckenflugmitte eines Flugzeugs, an dem es angebracht werden soll, unter Berücksichtigung der für dieses Flugzeug vorgesehenen Anzahl von Triebwerken sicherstellen würde. Wenn zum Beispiel ein Triebwerk dafür konzipiert ist, an einem Flugzeug angebracht zu werden, das zwei Triebwerke desselben Typs aufweist, stellt das Triebwerk unter Reiseflugbedingungen die Hälfte des Gesamtschubs bereit, der für einen stationären Betrieb dieses Flugzeugs bei Streckenflugmitte erforderlich wäre.
  • Mit anderen Worten sind die Reiseflugbedingungen für ein gegebenes Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug definiert als der Arbeitspunkt des Triebwerks, der einen spezifizierten Schub (erforderlich, um - in Kombination mit jeglichen anderen Triebwerken am Flugzeug - einen stationären Betrieb des Flugzeugs, an dem es angebracht werden soll, bei einer gegebenen Streckenflugmitte-Machzahl bereitzustellen) unter Streckenflugmitte-Atmosphärenbedingungen (definiert durch die Internationale Standardatmosphäre gemäß ISO 2533 bei Streckenflughöhe) bereitstellt. Für jedes gegebene Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug sind der Schub bei Streckenflugmitte, die Atmosphärenbedingungen und die Machzahl und somit der Arbeitspunkt des Triebwerks bei Reiseflugbedingungen klar definiert.
  • Rein als Beispiel kann die Vorwärtsgeschwindigkeit unter Reiseflugbedingungen jeder Punkt im Bereich von Mach 0,7 bis 0,9, zum Beispiel 0,75 bis 0,85, zum Beispiel 0,76 bis 0,84, zum Beispiel 0,77 bis 0,83, zum Beispiel 0,78 bis 0,82, zum Beispiel 0,79 bis 0,81, zum Beispiel in der Größenordnung von Mach 0,8, in der Größenordnung von Mach 0,85 oder im Bereich von 0,8 bis 0,85 sein. Jede einzelne Geschwindigkeit innerhalb dieser Bereiche kann Teil der Reiseflugbedingungen sein. Bei einigen Flugzeugen können die Reiseflugbedingungen außerhalb dieser Bereiche liegen, beispielsweise unter Mach 0,7 oder oberhalb Mach 0,9.
  • Rein als Beispiel können die Reiseflugbedingungen den Standardatmosphärenbedingungen (gemäß der Internationalen Standardatmosphäre, ISA) bei einer Höhe entsprechen, die im Bereich von 10.000 m bis 15.000 m, zum Beispiel im Bereich von 10.000 m bis 12.000 m, zum Beispiel im Bereich von 10.400 m bis 11.600 m (etwa 38.000 ft), zum Beispiel im Bereich von 10.500 m bis 11.500 m, zum Beispiel im Bereich von 10.600 m bis 11.400 m, zum Beispiel im Bereich von 10.700 m (etwa 35.000 ft) bis 11.300 m, zum Beispiel im Bereich von 10.800 m bis 11.200 m, zum Beispiel im Bereich von 10.900 m bis 11.100 m, zum Beispiel in der Größenordnung von 11.000 m, liegt. Die Reiseflugbedingungen können Standardatmosphärenbedingungen bei jeder gegebenen Höhe in diesen Bereichen entsprechen.
  • Rein als Beispiel können die Reiseflugbedingungen einem Arbeitspunkt des Triebwerks entsprechen, der bei einer Vorwärts-Machzahl von 0,8 und Standardatmosphärenbedingungen (gemäß der Internationalen Standardatmosphäre) bei einer Höhe von 38.000 ft (11.582 m) ein bekanntes erforderliches Schubniveau (beispielsweise einen Wert im Bereich von 30 kN bis 35 kN) bereitstellt. Rein als weiteres Beispiel können die Reiseflugbedingungen einem Arbeitspunkt des Triebwerks entsprechen, der bei einer Vorwärts-Machzahl von 0,85 und Standardatmosphärenbedingungen (gemäß der Internationalen Standardatmosphäre) bei einer Höhe von 35.000 ft (10.668 m) ein bekanntes erforderliches Schubniveau (beispielsweise einen Wert im Bereich von 50 kN bis 65 kN) bereitstellt.
  • Bei Gebrauch kann ein Gasturbinentriebwerk, wie es hierin beschrieben und/oder beansprucht ist, unter den Reiseflugbedingungen arbeiten, die an anderer Stelle hierin definiert sind. Derartige Reiseflugbedingungen können durch die Reiseflugbedingungen (beispielsweise die Streckenflugmitte-Bedingungen) eines Flugzeugs bestimmt werden, an dem mindestens ein (zum Beispiel 2 oder 4) Gasturbinentriebwerk(e) montiert werden kann, um einen Vortriebschub bereitzustellen.
  • Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinentriebwerks, wie es hierin beschrieben und/oder beansprucht ist, bereitgestellt. Der Betrieb kann bei Reiseflugbedingungen erfolgen, wie sie hierin an anderer Stelle definiert sind (zum Beispiel in Hinblick auf Schub, Atmosphärenbedingungen und Machzahl).
  • Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Flugzeugs umfassend ein Gasturbinentriebwerk, wie es hierin beschrieben und/oder beansprucht ist, bereitgestellt. Der Betrieb gemäß diesem Aspekt kann einen Betrieb bei Streckenflugmitte des Flugzeugs einschließen (oder sein), wie an anderer Stelle hierin definiert.
  • Gemäß einem Aspekt wird ein Flugzeug bereitgestellt, das mindestens ein Gasturbinentriebwerk umfasst, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, zum Beispiel nach einem beliebigen anderen Aspekt. Ein solches Flugzeug kann zum Beispiel 2, 3 oder 4 solcher Gasturbinentriebwerke umfassen. Mindestens ein Triebwerk (z. B. 1, 2 oder mehr als 2 Triebwerke) kann an jedem Flügel eines solchen Flugzeugs angebracht sein. Wie bereits an anderer Stelle hierin erwähnt, können die installierten Triebwerke einen wesentlichen Beitrag zum Gesamtwirkungsgrad des Flugzeugs leisten, zum Beispiel durch eine verbesserte Kombination aus Gasturbinen-Triebwerkswirkungsgrad und Vorteilen durch eine verbesserte Installation am Flugwerk. Weitere Betriebs- und/oder Wartungsvorteile können ebenfalls erreicht werden, z. B. durch eine geringere Anfälligkeit für Rotorverbiegung. Das Flugzeug gemäß diesem Aspekt ist das Flugzeug, für das das Gasturbinentriebwerk konzipiert wurde. Dementsprechend entsprechen die Reiseflugbedingungen gemäß diesem Aspekt der Streckenflugmitte des Flugzeugs, wie sie an anderer Stelle hierin definiert ist.
  • Der Fachmann wird verstehen, dass, mit Ausnahme der Fälle, wo sie sich gegenseitig ausschließen, ein Merkmal oder ein Parameter, die in Bezug auf einen der oben genannten Gesichtspunkte beschrieben sind, auf jeden anderen Gesichtspunkt angewendet werden können. Außerdem können, außer wenn sie sich gegenseitig ausschließen, jedes hierin beschriebene Merkmal oder jeder Parameter auf einen beliebigen Gesichtspunkt angewendet werden und/oder mit irgendeinem anderen Merkmal oder Parameter kombiniert werden, die hierin beschrieben sind.
  • Ausführungsformen werden nun lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, in denen:
    • 1 eine Querschnittseitenansicht eines Gasturbinentriebwerks gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung ist;
    • 2 eine Nahansicht einer Querschnittseitenansicht eines stromaufwärts liegenden Abschnitts eines Gasturbinentriebwerks gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung ist;
    • 3 eine teilweise aufgeschnittene Ansicht eines Getriebes für ein Gasturbinentriebwerk ist und
    • 4 eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung ist.
  • 1 veranschaulicht ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einer Hauptdrehachse 9. Das Triebwerk 10 umfasst einen Lufteinlass 12 und einen Antriebsfan 23, der zwei Luftströme erzeugt: einen Kernluftstrom A und einen Bypass-Luftstrom B. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst einen Kern 11, der den Kernluftstrom A empfängt. Der Triebwerkskern 11 umfasst in axialer Strömungsfolge einen Niederdruckverdichter 14, einen Hochdruckverdichter 15, eine Verbrennungseinrichtung 16, eine Hochdruckturbine 17, eine Niederdruckturbine 19 und eine Kernabgasdüse 20. Eine Gondel 21 umgibt das Gasturbinentriebwerk 10 und definiert einen Bypass-Kanal 22 sowie eine Bypass-Auslassdüse 18. Der Bypass-Luftstrom B strömt durch den Bypass-Kanal 22. Der Fan 23 ist über eine Welle 26 und ein Umlaufrädergetriebe 30 an der Niederdruckturbine 19 angebracht und wird von dieser angetrieben.
  • Bei Gebrauch wird der Kernluftstrom A beschleunigt und durch den Niederdruckverdichter 14 komprimiert und in den Hochdruckverdichter 15 geleitet, wo er weiter komprimiert wird. Die aus dem Hochdruckverdichter 15 ausgestoßene komprimierte Luft wird in die Verbrennungsausrüstung 16 geleitet, wo sie mit Treibstoff vermischt wird und das Gemisch verbrannt wird. Die resultierenden heißen Verbrennungsprodukte dehnen sich dann durch die Hochdruck- und die Niederdruckturbine 17, 19 aus und treiben sie dadurch an, bevor sie durch die Düse 20 ausgestoßen werden, um einen gewissen Vortriebschub bereitzustellen. Die Hochdruckturbine 17 treibt den Hochdruckverdichter 15 über eine geeignete Verbindungswelle 27 an. Der Fan 23 stellt im Allgemeinen den Großteil des Vortriebschubs bereit. Das Umlaufrädergetriebe 30 ist ein Untersetzungsgetriebe.
  • Gasturbinentriebwerke sind anfällig für ein Phänomen, das als „Rotorverbiegung“ bekannt ist. Wie an anderer Stelle hierin beschrieben, resultiert dies aus der Differentialkühlung einer oder mehrerer Wellen 26, 27, wenn das Triebwerk nach Gebrauch abgeschaltet wird, und kann dazu führen, dass das Triebwerk nach dem Abschalten über einen längeren Zeitraum nicht funktionsfähig ist, zumindest wenn keine zeitaufwändigen und/oder teuren Sanierungsmaßnahmen durchgeführt werden. Es wurde festgestellt, dass dieses Problem bei modernen Triebwerken, insbesondere bei Triebwerken mit Getriebe und/oder hohem Verdichtungsverhältnis, noch verschärft werden kann. Wie an anderer Stelle hierin erläutert, können die hierin beschriebenen und/oder beanspruchten Gasturbinentriebwerke 10 einen hohen Wirkungsgrad (z. B. in Bezug auf den Antriebs- und/oder den thermischen Wirkungsgrad) aufweisen, jedoch mit einem stark reduzierten Risiko einer Beeinträchtigung der Wellen 26, 27 durch die Rotorverbiegung.
  • Eine beispielhafte Anordnung für ein Getriebefan-Gasturbinentriebwerk 10 ist in 2 gezeigt. Die Niederdruckturbine 19 (siehe 1) treibt die Welle 26 an, die mit einem zentralen Ritzel oder Sonnenrad 28 der Umlaufrädergetriebeanordnung 30 gekoppelt ist. Radial auswärts von dem Sonnenrad 28 und in dieses eingreifend befindet sich eine Vielzahl von Planetenrädern 32, die durch einen Planetenträger 34 miteinander gekoppelt sind. Der Planetenträger 34 beschränkt die Planetenräder 32, um synchron um das Sonnenrad 28 zu präzessieren, während er jedem Planetenrad 32 ermöglicht, sich um seine eigene Achse zu drehen. Der Planetenträger 34 ist über Gestänge 36 mit dem Fan 23 gekoppelt, um seine Drehung um die Triebwerksachse 9 anzutreiben. Radial auswärts von den Planetenrädern 32 und in diese eingreifend befindet sich ein Zahnkranz oder Hohlrad 38, das über Gestänge 40 mit einer stationären Stützstruktur 24 gekoppelt ist.
  • Es ist zu beachten, dass die Begriffe „Niederdruckturbine“ und „Niederdruckverdichter“, wie sie hier verwendet werden, die Turbinenstufen mit dem niedrigsten Druck bzw. die Verdichterstufen mit dem niedrigsten Druck (d. h. nicht einschließlich des Fans 23) und/oder die Turbinen- und Verdichterstufen bedeuten, die durch die Verbindungswelle 26 mit der niedrigsten Drehzahl im Triebwerk verbunden sind (d. h. nicht einschließlich der Getriebeausgangswelle, die den Fan 23 antreibt). An einigen Literaturstellen können die „Niederdruckturbine“ und der „Niederdruckverdichter“, auf die hierin Bezug genommen wird, alternativ als die „Zwischendruckturbine“ und der „zwischendruckverdichter“ bekannt sein. Wo eine solche alternative Nomenklatur verwendet wird, kann der Fan 23 als eine erste oder niedrigste Druckkompressionsstufe bezeichnet werden.
  • Das Umlaufrädergetriebe 30 ist in 3 beispielhaft in größerem Detail gezeigt. Jedes von dem Sonnenrad 28, den Planetenrädern 32 und dem Hohlrad 38 weist Zähne an seinem Umfang auf, um mit den anderen Zahnrädern in Eingriff zu treten. Aus Gründen der Klarheit sind in 3 jedoch nur beispielhafte Abschnitte der Zähne dargestellt. Es sind vier Planetenräder 32 dargestellt, obwohl es für den erfahrenen Leser offensichtlich ist, dass innerhalb des Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung mehr oder weniger Planetenräder 32 vorgesehen sein können. Praktische Anwendungen eines Planetengetriebes 30 umfassen im Allgemeinen mindestens drei Planetenräder 32.
  • Das beispielhaft in den 2 und 3 dargestellte Umlaufrädergetriebe 30 ist vom Planetentyp, indem der Planetenträger 34 über Gestänge 36 mit einer Ausgangswelle gekoppelt ist, wobei das Hohlrad 38 fixiert ist. Es kann jedoch jeder andere geeignete Typ eines Umlaufrädergetriebes 30 verwendet werden. Als weiteres Beispiel kann das Umlaufrädergetriebe 30 eine Sternanordnung sein, bei der der Planetenträger 34 fixiert gehalten wird und sich das Hohlrad (der Zahnkranz) 38 drehen kann. Bei einer derartigen Anordnung wird der Fan 23 von dem Hohlrad 38 angetrieben. Als weiteres alternatives Beispiel kann das Getriebe 30 ein Differenzialgetriebe sein, bei dem sich sowohl das Hohlrad 38 als auch der Planetenträger 34 drehen können.
  • Es versteht sich, dass die in den 2 und 3 gezeigte Anordnung nur beispielhaft ist und dass verschiedene Alternativen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung liegen. Als Beispiel kann jede geeignete Anordnung zum Unterbringen des Getriebes 30 in dem Triebwerk 10 und/oder zum Verbinden des Getriebes 30 mit dem Triebwerk 10 verwendet werden. Als weiteres Beispiel können die Verbindungen (wie etwa das Gestänge 36, 40 in dem Beispiel der 2) zwischen dem Getriebe 30 und anderen Teilen des Triebwerks 10 (wie etwa der Eingangswelle 26, der Ausgangswelle und der feststehenden Struktur 24) einen beliebigen gewünschten Grad an Steifigkeit oder Flexibilität aufweisen. Als weiteres Beispiel kann jede geeignete Anordnung der Lager zwischen rotierenden und stationären Teilen des Triebwerks (beispielsweise zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle des Getriebes und den feststehenden Strukturen wie etwa dem Getriebegehäuse) verwendet werden, und die Offenbarung ist nicht auf die beispielhafte Anordnung von 2 beschränkt. Wenn beispielsweise das Getriebe 30 eine Sternanordnung hat (oben beschrieben), würde der Fachmann leicht verstehen, dass die Anordnung von Ausgang und Stützgestängen und Lagerpositionen üblicherweise von der in 2 gezeigten Anordnung abweichen würde.
  • Demgemäß erstreckt sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk mit einer beliebigen Anordnung von Getriebetypen (beispielsweise Stern- oder Planetengetriebe), Stützstrukturen, Eingangs- und Ausgangswellenanordnung und Lagerpositionen.
  • Optional kann das Getriebe zusätzliche und/oder alternative Komponenten antreiben (z. B. den Zwischendruckverdichter und/oder einen Booster-Verdichter).
  • Andere Gasturbinentriebwerke, auf die die vorliegende Offenbarung angewendet werden kann, können alternative Konfigurationen aufweisen. Beispielsweise können solche Triebwerke eine alternative Anzahl von Verdichtern und/oder Turbinen und/oder eine alternative Anzahl von Verbindungswellen aufweisen. Als weiteres Beispiel weist das in 1 gezeigte Gasturbinentriebwerk eine geteilte Strömungsdüse 18, 20 auf, was bedeutet, dass die Strömung durch den Bypass-Kanal 22 ihre eigene Düse 18 hat, die von der Kerntriebwerkdüse 20 getrennt und radial außerhalb dieser angeordnet ist. Jedoch ist dies nicht einschränkend, und jeder Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann auch auf Triebwerke angewendet werden, in denen die Strömung durch den Bypass-Kanal 22 und die Strömung durch den Kern 11 vor (oder stromaufwärts von) einer einzigen Düse, die als Mischströmungsdüse bezeichnet werden kann, gemischt oder kombiniert werden. Eine oder beide Düsen (ob gemischte oder geteilte Strömung) können eine feste oder variable Fläche aufweisen.
  • Die Geometrie des Gasturbinentriebwerks 10 und Komponenten davon ist durch ein herkömmliches Achsensystem definiert, das eine axiale Richtung (die mit der Drehachse 9 ausgerichtet ist), eine radiale Richtung (in der Richtung von unten nach oben in 1) und eine Umfangsrichtung (senkrecht zu der Seite in der Ansicht von 1) aufweist. Die axiale, die radiale und die Umfangsrichtung sind zueinander senkrecht.
  • Es versteht sich, dass 1 nicht zwingend in allen Aspekten maßstabsgetreu ist und lediglich zur Unterstützung der Beschreibung enthalten ist. 4 ist eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß der vorliegenden Offenbarung und dient zur Veranschaulichung der hierin genannten Abmessungen. Auch hier ist 4 nicht zwingend in allen Aspekten maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren stellen gleiche Merkmale dar, und die bereitgestellte Beschreibung in Bezug auf eine Figur kann für die gleichen Merkmale in einer Figur gelten.
  • Unter Bezugnahme auf 4 wird der Radius der Fan-Schaufel 23 (auch als Radius der Spitze 231 der Fan-Schaufel bezeichnet) durch das Maß „Rfan“ angegeben. Der Radius der Spitze der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel 151 wird durch das Maß „Rcomp“ angegeben. Das Verdichtungssystem-Radiusverhältnis CSRR ist somit definiert als: C S R R = R f a n R c o m p
    Figure DE102020104625A1_0001
  • Für das Gasturbinentriebwerk 10 kann der CSRR-Wert in den hierin definierten Bereichen liegen, zum Beispiel im Bereich von 5 bis 9, optional um 5,2 bis 8,5, optional um 5,3 bis 7,2, optional um 5,3 bis 6,5.
  • Das in 4 dargestellte Gasturbinentriebwerk 10 umfasst einen Teiler 50 mit einer Anströmkante, an der sich der Strom zwischen dem Bypass-Strom B und dem Kernstrom A teilt. Der Radius der Anströmkante des Teilers wird durch das Maß „Rsplit“ angegeben. Die am weitesten stromabwärts gelegene Turbinenschaufel 191 hat einen Radius, der durch das Maß „Rturb“ angegeben wird. Ein Triebwerkskern-Radiusverhältnis ECRR ist definiert als: E C R R = R t u r b R s p l i t
    Figure DE102020104625A1_0002
  • Für das Gasturbinentriebwerk 10 kann das Verdichtungssystem-Radiusverhältnis (CSRR) dividiert durch das Triebwerkskern-Radiusverhältnis (ECRR) in den hierin definierten Bereichen liegen, zum Beispiel im Bereich von 5,5 bis 10, optional von 6 bis 8. Für das Gasturbinentriebwerk 10 kann das Verdichtungssystem-Schaufelverhältnis (an anderer Stelle hierin definiert) dividiert durch das Triebwerkskern-Radiusverhältnis in den hierin definierten Bereichen liegen, zum Beispiel im Bereich von 50 bis 95, optional von 50 bis 75. Das ECRR selbst kann, zum Beispiel, im Bereich von 0,75 bis 1 liegen, zum Beispiel von 0,8 bis 0,95.
  • Der axiale Abstand zwischen der Anströmkante des Teilers 50 und der Anströmkante der Spitze der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel 151 wird in 1 durch das Maß „Xcomp“ angegeben. Ein Kernverdichter-Seitenverhältnis CCAR ist definiert als: C C A R = X c o m p R s p l i t
    Figure DE102020104625A1_0003
  • Für das Gasturbinentriebwerk 10 kann das Verdichtungssystem-Radiusverhältnis (CSRR) dividiert durch das Kernverdichter-Seitenverhältnis (CCAR) in den hierin definierten Bereichen liegen, zum Beispiel im Bereich von 1,7 bis 4,2, optional von 1,8 bis 3,4. Für das Gasturbinentriebwerk 10 kann das Verdichtungssystem-Schaufelverhältnis (an anderer Stelle hierin definiert), dividiert durch ein Kernverdichter-Seitenverhältnis, in den hierin definierten Bereichen liegen, zum Beispiel im Bereich von 15 bis 50. Das CCAR selbst kann im Bereich von 2 bis 3 liegen, zum Beispiel von 2,1 bis 2,9, oder 2,3 bis 2,8.
  • Ein Verdichtungssystem-Drehzahlverhältnis (CSSR) ist definiert als das Verhältnis der Drehzahl der weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel 151 zur Drehzahl des Fans 23 bei Reiseflugbedingungen (die Drehzahl der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel 151 ist natürlich höher als die Drehzahl des Fans 23). Für das Gasturbinentriebwerk 10 kann das Produkt aus dem Verdichtungssystem-Radiusverhältnis und dem Verdichtungssystem-Drehzahlverhältnis im Bereich von 25 bis 80 liegen, zum Beispiel im Bereich von 35 bis 65. Für das Gasturbinentriebwerk 10 kann das Produkt aus dem Verdichtungssystem-Schaufelverhältnis und dem Verdichtungssystem-Drehzahlverhältnis im Bereich von 300 bis 800 liegen, optional 320 bis 750, optional 325 bis 700. Das CSSR selbst kann im Bereich von 6,0 bis 9,5 liegen, zum Beispiel von 6,5 bis 9,0.
  • Die Fan-Schaufel weist eine Höhe hfan auf. Wie in 4 angegeben, ist diese definiert als der Radius der Anströmkante 232 an der Spitze 231 der Schaufel 23 abzüglich des Radius des Punktes, an dem die Anströmkante 232 die radial innere gasgewaschene Nabe schneidet. Ähnlich ist die Schaufelhöhe hcomp der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel 151 definiert als der Radius der Anströmkante an der Spitze der Schaufel abzüglich des Radius des Punktes, an dem die Anströmkante die radial innere gasgewaschene Oberfläche schneidet. Ein Verdichtungssystem-Schaufelverhältnis CSBR ist definiert als: C S B R = h f a n h c o m p
    Figure DE102020104625A1_0004
  • Für das Gasturbinentriebwerk 10 kann das Verdichtungssystem-Schaufelverhältnis CSBR in den hierin definierten Bereichen liegen, zum Beispiel im Bereich von 45 bis 95, von 50 bis 75 oder von 55 bis 70.
  • Ein Kernverdichter-Druckverhältnis (CCPR) ist definiert als der Druck (d. h. der mittlere Gesamtdruck) unmittelbar stromabwärts der letzten Rotorschaufel 151 im Verdichter (z. B. in der Ebene senkrecht zur Axialrichtung an der durch die Bezugsnummer 155 in 4 schematisch dargestellten Axialposition) dividiert durch den Druck (d. h. den mittleren Gesamtdruck) unmittelbar stromaufwärts der ersten Rotorschaufel 141 im Kernverdichter (z. B. in der Ebene senkrecht zur Axialrichtung an der Axialposition, schematisch durch die Bezugsnummer 145 in 4 dargestellt) bei Reiseflugbedingungen. In manchen Anordnungen kann das Kernverdichter-Druckverhältnis (das bei Reiseflugbedingungen definiert ist) im Bereich von 34 bis 60 liegen, zum Beispiel von 35, 36, 38 oder 40 bis 55, zum Beispiel von 41 bis 52 bei Reiseflugbedingungen.
  • Ein Verhältnis des Kernverdichter-Seitenverhältnisses dividiert durch das Kernverdichter-Druckverhältnis (d. h. CCAR/CCPR) kann in den hierin definierten Bereichen liegen, zum Beispiel in einem Bereich von 0,03 bis 0,09, zum Beispiel in dem Bereich, der eine Untergrenze von 0,04, 0,045 oder 0,05 und eine Obergrenze von 0,06, 0,07, 0,08 oder 0,085 aufweist.
  • Keine anderen Verdichterrotorschaufeln als die am weitesten stromaufwärts gelegene Reihe von Rotorschaufeln 141 des Niederdruckverdichters 14 und die am weitesten stromabwärts gelegene Reihe von Verdichterschaufeln 151 des Hochdruckverdichters 15 sind in 4 dargestellt. Es versteht sich, dass dies nur zur Unterstützung der hierin enthaltenen Erläuterungen dient und dass der Niederdruckverdichter 14 und der Hochdruckverdichter 15 jeweils mehr als eine Rotorstufe umfassen, von denen jede eine zugehörige Statorstufe aufweisen kann. Die Gesamtzahl der Rotorstufen im Niederdruckverdichter 14 und im Hochdruckverdichter 15 zusammen kann beispielsweise zwölf, dreizehn oder vierzehn betragen.
  • In einer ersten Anordnung des Gasturbinentriebwerks 10 kann eines oder mehrere der Folgenden gelten:
    • • der Radius der Fan-Schaufel Rfan beträgt 160 cm bis 190 cm, der Radius der Spitze der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel 151 beträgt 27 cm bis 31 cm, und das CSRR liegt im Bereich von 5,3 bis 7,7 cm; als nicht einschränkendes Beispiel beträgt der Radius der Fan-Schaufel Rfan 175 cm und der Radius der Spitze der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel 151 beträgt 29 cm, was ein CSRR von 6,0 ergibt
    • • der Radius der am weitesten stromabwärts gelegenen Turbinenschaufel 191 beträgt 65 cm bis 80 cm, der Radius der Anströmkante des Teilers 50 beträgt 70 cm bis 90 cm, und das ECRR liegt im Bereich von 0,8 bis 1; als nicht einschränkendes Beispiel beträgt der Radius der am weitesten stromabwärts gelegenen Turbinenschaufel 191 75 cm, und der Radius der Anströmkante des Teilers 50 beträgt 80 cm, was ein ECRR von 0,93 ergibt
    • • der axiale Abstand zwischen der Anströmkante des Teilers 50 und der Anströmkante der Spitze der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel 151 Xcomp beträgt 180 cm bis 225 cm, und das CCAR liegt im Bereich von 1,7 bis 3,4; als nicht einschränkendes Beispiel ist der axiale Abstand zwischen der Anströmkante des Teilers 50 und der Anströmkante der Spitze der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel 151 Xcomp 195 cm, was ein CCAR von 2,4 ergibt
    • • die Fan-Schaufelhöhe beträgt 115 cm bis 150 cm, die Höhe der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel beträgt 1,9 cm bis 2,3 cm, und das CSBR beträgt 50 bis 90 cm; als nicht einschränkendes Beispiel beträgt die Höhe der Fan-Schaufel 125 cm, und die Höhe der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel beträgt 2,1 cm, was ein CSBR von 60 ergibt
    • • bei Reiseflugbedingungen beträgt die Drehzahl des Fans 23 1300 U/min bis 1800 U/min, und die Drehzahl der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel 151 beträgt 11.000 U/min bis 12.000 U/min, und das CSSR liegt im Bereich von 6,5 bis 9; als nicht einschränkendes Beispiel beträgt bei Reiseflugbedingungen die Drehzahl des Fans 23 1650 U/min, und die Drehzahl der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel 151 beträgt 12.000 U/min, was ein CSSR von 7,3 ergibt
    • • bei Reiseflugbedingungen beträgt das Fan-Druckverhältnis 1,30 bis 1,45, das Fanwurzel-Druckverhältnis beträgt 1,18 bis 1,30, das Fanspitzen-Druckverhältnis beträgt 1,30 bis 1,45, und das Kernverdichter-Druckverhältnis beträgt 35 bis 55; als nicht einschränkendes Beispiel beträgt bei Reiseflugbedingungen das Fan-Druckverhältnis 1,4, das Fanwurzel-Druckverhältnis beträgt 1,25, das Fanspitzen-Druckverhältnis beträgt 1,42, und das Kernverdichter-Druckverhältnis beträgt 44
    • • bei Reiseflugbedingungen beträgt das CCPR 40 bis 60, das Verhältnis CCAR/CCPR beträgt 0,03 bis 0,08, und die Anzahl der Verdichterrotorstufen beträgt 12 bis 14; als nicht einschränkendes Beispiel beträgt bei Reiseflugbedingungen das CCPR 44, das CCAR-/CCPR-Verhältnis beträgt 0,055, und die Anzahl der Verdichterrotorstufen beträgt 12.
  • Rein beispielhaft können sich die in jedem der vorstehenden Aufzählungspunkte genannten nicht einschränkenden Beispiele, die sich auf eine erste Anordnung beziehen, auf dasselbe Triebwerk beziehen.
  • In einer zweiten Anordnung kann eines oder mehrere der Folgenden gelten:
    • • der Radius der Fan-Schaufel Rfan beträgt 120 cm bis 140 cm, der Radius der Spitze der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel 151 beträgt 20 cm bis 25 cm, und das CSRR liegt im Bereich von 5,2 bis 6,6 cm; als nicht einschränkendes Beispiel beträgt der Radius der Fan-Schaufel Rfan 130 cm, und der Radius der Spitze der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel 151 beträgt 23 cm, was ein CSRR von 5,7 ergibt
    • • der Radius der am weitesten stromabwärts gelegenen Turbinenschaufel 191 Rturb beträgt 40 cm bis 60 cm, der Radius der Anströmkante des Teilers 50 Rsplit beträgt 50 cm bis 70 cm, und das ECRR liegt im Bereich von 0,75 bis 1,0; als nicht einschränkendes Beispiel ist der Radius der am weitesten stromabwärts gelegenen Turbinenschaufel 191 Rturb 45 cm, und der Radius der Anströmkante des Teilers 50 Rsplit beträgt 56 cm, was ein ECRR von 0,80 ergibt
    • • der axiale Abstand zwischen der Anströmkante des Teilers 50 und der Anströmkante der Spitze der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel 151 Xcomp beträgt 150 cm bis 190 cm, und das CCAR liegt im Bereich von 2,2 bis 3,8; als nicht einschränkendes Beispiel ist der axiale Abstand zwischen der Anströmkante des Teilers 50 und der Anströmkante der Spitze der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel 151 Xcomp 159 cm, was ein CCAR von 2,8 ergibt
    • • die Fan-Schaufelhöhe beträgt 75 cm bis 100 cm, die Höhe der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel beträgt 1,5 cm bis 2,0 cm, und das CSBR beträgt 45 bis 75 cm; als nicht einschränkendes Beispiel beträgt die Höhe der Fan-Schaufel 85 cm, und die Höhe der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel beträgt 1,7 cm, was ein CSBR von 50 ergibt
    • • bei Reiseflugbedingungen beträgt die Drehzahl des Fans 23 2200 U/min bis 2700 U/min, und die Drehzahl der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel 151 beträgt 14.000 U/min bis 17.000 U/min, und das CSSR liegt im Bereich von 6 bis 8; als nicht einschränkendes Beispiel beträgt bei Reiseflugbedingungen die Drehzahl des Fans 23 2500 U/min, und die Drehzahl der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel 151 beträgt 16.000 U/min, was ein CSSR von 6,4 ergibt
    • • bei Reiseflugbedingungen beträgt das Fan-Druckverhältnis 1,30 bis 1,45, das Fanwurzel-Druckverhältnis beträgt 1,18 bis 1,30, das Fanspitzen-Druckverhältnis beträgt 1,30 bis 1,45, und das Kernverdichter-Druckverhältnis beträgt 35 bis 55; als nicht einschränkendes Beispiel beträgt bei Reiseflugbedingungen das Fan-Druckverhältnis 1,4, das Fanwurzel-Druckverhältnis beträgt 1,25, das Fanspitzen-Druckverhältnis beträgt 1,42, und das Kernverdichter-Druckverhältnis beträgt 35
    • • bei Reiseflugbedingungen beträgt das CCPR 34 bis 50, das Verhältnis CCAR/CCPR beträgt 0,05 bis 0,09, und die Anzahl der Verdichterrotorstufen beträgt 12 bis 14; als nicht einschränkendes Beispiel beträgt bei Reiseflugbedingungen das CCPR 35, das CCAR-/CCPR-Verhältnis beträgt 0,08, und die Anzahl der Verdichterrotorstufen beträgt 12.
  • Rein beispielhaft können sich die in jedem der vorstehenden Aufzählungspunkte genannten nicht einschränkenden Beispiele, die sich auf eine zweite Anordnung beziehen, auf dasselbe Triebwerk beziehen.
  • Ein weiteres Beispiel für ein Merkmal, das für Gasturbinentriebwerke 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung im Vergleich zu herkömmlichen Gasturbinentriebwerken besser optimiert werden kann, ist der Einlassbereich, zum Beispiel das Verhältnis zwischen der Einlasslänge L und dem Fan-Durchmesser D. Unter Bezugnahme auf 1 ist die Einlasslänge L definiert als der axiale Abstand zwischen der Anströmkante des Einlasses und der Anströmkante 232 der Spitze 231 der Fan-Schaufeln, und der Durchmesser D des Fans 23 ist an der Anströmkante des Fans 23 definiert (d. h. D = 2 x Rfan). Gasturbinentriebwerke 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung, wie sie beispielhaft in 1 dargestellt sind, können Werte des hierin definierten Verhältnisses L/D aufweisen, zum Beispiel kleiner oder gleich 0,45, zum Beispiel 0,2 bis 0,45. Dies kann zu weiteren Vorteilen wie Installation und/oder aerodynamischen Vorteilen führen.
  • Das in den Figuren beispielhaft dargestellte Gasturbinentriebwerk 10 kann eines oder mehrere der hierin beschriebenen und/oder beanspruchten Merkmale umfassen. Zum Beispiel kann ein solches Gasturbinentriebwerk 10, soweit kompatibel, eines oder mehrere der hierin beschriebenen Merkmale oder Werte aufweisen von: CSRR; CCAR; ECRR; CSSR; CSBR; Kernverdichter-Druckverhältnis; CCAR/(Kernverdichter-Druckverhältnis); CSRR/ECRR; CSRR/CCAR; CSRR*CSSR; CSBR/ECRR; CSBR/CCAR; CSBR*CSSR; Anzahl der Verdichterrotorstufen; spezifischer Schub; maximaler Schub, Turbineneintrittstemperatur; Gesamtdruckverhältnis; Bypass-Verhältnis; Fan-Durchmesser; Fan-Drehzahl; Fan-Nabe-zu-Spitze-Verhältnis; Fan-Druckverhältnis; Fanwurzel-Druckverhältnis; Verhältnis zwischen dem Fanwurzel-Druckverhältnis und dem Fanspitzen-Druckverhältnis; Fanspitzen-Belastung; Anzahl der Fan-Schaufeln; Aufbau der Fan-Schaufeln; und/oder Übersetzungsverhältnis.
  • Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und dass verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hierin beschriebenen Konzepten abzuweichen. Mit Ausnahme der Fälle, in denen sie sich gegenseitig ausschließen, kann jedes der Merkmale getrennt oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen verwendet werden, und die Offenbarung erstreckt sich auf und umfasst alle Kombinationen und Unterkombinationen von einem oder mehreren hierin beschriebenen Merkmalen.

Claims (18)

  1. Gasturbinentriebwerk (10) für ein Flugzeug, umfassend: einen Triebwerkskern (11), umfassend eine Turbine (19), einen Verdichter (14), und eine Brennkammer (16); einen Fan (23), der eine Vielzahl von Fan-Schaufeln umfasst, wobei jede Fan-Schaufel eine Fan-Schaufelhöhe aufweist, die definiert ist als der Radius der Anströmkante an der Spitze der Schaufel abzüglich des Radius des Punktes, an dem die Anströmkante die radial innere gasgewaschene Nabe schneidet; und ein Getriebe (30), das einen Eingang von einer Kernwelle (26) aufnimmt, die mit zumindest einem Teil der Turbine verbunden ist, wobei das Getriebe einen Antrieb an den Fan ausgibt, um den Fan mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle anzutreiben, wobei: die Schaufelhöhe der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel definiert ist als der Radius der Anströmkante an der Spitze der Schaufel abzüglich des Radius des Punktes, an dem die Anströmkante die radial innere gasgewaschene Oberfläche schneidet; und ein Verdichtungssystem-Schaufelverhältnis, definiert als das Verhältnis der Fan-Schaufelhöhe zur Höhe der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel, im Bereich von 45 bis 95 liegt.
  2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, wobei das Verdichtungssystem-Schaufelverhältnis im Bereich von 50 bis 75 liegt, optional von 55 bis 70.
  3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei: die Höhe jeder Fan-Schaufel im Bereich von 115 cm bis 150 cm und das Verdichtungssystem-Schaufelverhältnis im Bereich von 50 bis 80 liegt; oder die Höhe jeder Fan-Schaufel im Bereich von 75 cm bis 100 cm und das Verdichtungssystem-Schaufelverhältnis im Bereich von 45 bis 75 liegt, optional von 50 bis 70.
  4. Gasturbinentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Getriebe ein Untersetzungsverhältnis von mindestens 3,2 aufweist, sodass die Drehzahl der Getriebeeingangskernwelle mindestens das 3,2-fache der Drehzahl des Fans beträgt.
  5. Gasturbinentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: ein Verdichtungssystem-Radiusverhältnis, definiert als das Verhältnis des Radius der Spitze einer Fan-Schaufel zum Radius der Spitze der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel, im Bereich von 5 bis 9 liegt, optional von 5,1 bis 8,5, optional von 5,3 bis 7,2.
  6. Gasturbinentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: ein Bypass-Kanal radial außerhalb des Kerns definiert ist, wobei die Anströmkante eines Teilers den Punkt definiert, an dem sich der Strom in Kernstrom und Bypass-Strom teilt; ein Triebwerkskern-Radiusverhältnis definiert ist als das Verhältnis des Radius der Spitze der am weitesten stromabwärts gelegenen Turbinenschaufel im Triebwerk zum Radius der Anströmkante des Teilers; und das Verdichtungssystem-Schaufelverhältnis dividiert durch das Triebwerkskern-Radiusverhältnis im Bereich von 50 bis 95 liegt, optional 50 bis 85.
  7. Gasturbinentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: ein Bypass-Kanal radial außerhalb des Kerns definiert ist, wobei die Anströmkante eines Teilers den Punkt definiert, an dem sich der Strom im Betrieb in Kernstrom und Bypass-Strom teilt; ein Kernverdichter-Seitenverhältnis als das Verhältnis des axialen Abstands zwischen der Anströmkante des Teilers und der Anströmkante der Spitze der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel zu dem Radius der Anströmkante des Teilers definiert ist; und das Verdichtungssystem-Schaufelverhältnis dividiert durch das Kernverdichter-Seitenverhältnis im Bereich von 15 bis 50, optional von 16 bis 40 liegt.
  8. Gasturbinentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: das Verhältnis des Radius einer Fan-Schaufel an ihrer Nabe zum Radius der Fan-Schaufel an ihrer Spitze weniger als 0,33 beträgt, optional im Bereich von 0,25 bis 0,29 liegt; und/oder die Fan-Schaufeln einen Hauptkörper umfassen, der an einer Anströmkantenummantelung angebracht ist, wobei der Hauptkörper und die Anströmkantenummantelung unter Verwendung verschiedener Materialien gebildet sind, wobei optional das Anströmkantenummantelungsmaterial Titan umfasst und/oder das Hauptkörpermaterial Kohlefaser oder eine Aluminiumlegierung umfasst.
  9. Gasturbinentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Einlass, der sich stromaufwärts der Fan-Schaufeln erstreckt, wobei: eine Einlasslänge L definiert ist als der axiale Abstand zwischen der Anströmkante des Einlasses und der Anströmkante der Spitze der Fan-Schaufeln; der Fan-Durchmesser D der Durchmesser des Fans an der Anströmkante der Spitzen der Fan-Schaufeln ist; und das Verhältnis L/D im Bereich von 0,2 bis 0,45 liegt.
  10. Gasturbinentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: ein Verdichtungssystem-Drehzahlverhältnis definiert ist als das Verhältnis der Drehzahl der am weitesten stromabwärts gelegenen Verdichterschaufel zur Drehzahl des Fans bei Reiseflugbedingungen; das Produkt aus dem Verdichtungssystem-Schaufelverhältnis und dem Verdichtungssystem-Drehzahlverhältnis im Bereich von 300 bis 800 liegt, optional von 320 bis 750, optional von 325 bis 700; und optional das Verdichtungssystem-Drehzahlverhältnis im Bereich von 6 bis 10 liegt, optional 7,0 bis 10,0.
  11. Gasturbinentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: ein Bypass-Verhältnis, definiert als das Verhältnis der Massenströmungsrate durch einen außerhalb des Triebwerkskerns definierten Bypass-Kanal und der Massenströmungsrate durch den Triebwerkskern bei Reiseflugbedingungen, im Bereich von 10 bis 20 liegt, optional von 12 bis 16, optional von 13,0 bis 16,0.
  12. Gasturbinentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Fan-Druckverhältnis, definiert als das Verhältnis des mittleren Gesamtdrucks des Stroms am Fan-Ausgang zum mittleren Gesamtdruck des Stroms am Fan-Einlass, nicht größer als 1,5 bei Reiseflugbedingungen beträgt, optional im Bereich von 1,35 bis 1,43 liegt.
  13. Gasturbinentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: ein Fanwurzel-Druckverhältnis, definiert als das Verhältnis des mittleren Gesamtdrucks des Stroms am Fan-Ausgang, der anschließend durch den Triebwerkskern strömt, zum mittleren Gesamtdruck des Stroms am Fan-Einlass, nicht größer als 1,3 bei Reiseflugbedingungen beträgt, optional 1,18 bis 1,30.
  14. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 13, wobei: ein Fanspitzen-Druckverhältnis definiert ist als das Verhältnis des mittleren Gesamtdrucks des Stroms am Fan-Ausgang, der anschließend durch den radial außerhalb des Triebwerkskerns definierten Bypass-Kanal strömt, zum mittleren Gesamtdruck des Stroms am Fan-Einlass; und das Verhältnis zwischen dem Fanwurzel-Druckverhältnis und dem Fanspitzen-Druckverhältnis bei Reiseflugbedingungen weniger als 0,95 beträgt, optional im Bereich von 0,80 bis 0,87 liegt.
  15. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 7 oder einem davon abhängigen Anspruch, wobei: ein Kernverdichter-Druckverhältnis, definiert als der Druck unmittelbar stromaufwärts der ersten Rotorschaufel im Kernverdichter zum Druck unmittelbar stromabwärts der letzten Rotorschaufel im Verdichter, im Bereich von 35 bis 60 bei Reiseflugbedingungen liegt; und das Verhältnis des Kernverdichter-Seitenverhältnisses dividiert durch den Wert des Kernverdichter-Druckverhältnisses im Bereich von 0,03 bis 0,09 liegt, optional von 0,04 bis 0,08, optional von 0,04 bis 0,07, optional von 0,045 bis 0,06.
  16. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei die Reiseflugbedingungen Folgenden entsprechen: einer Vorwärts-Machzahl von 0,85; und internationalen Standardatmosphärenbedingungen bei 35.000 ft (10.668 m).
  17. Gasturbinentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: die Kernwelle eine erste Kernwelle ist, die eine erste Turbine (19) mit einem ersten Verdichter (14) verbindet; der Triebwerkskern ferner eine zweite Turbine (17), einen zweiten Verdichter (15) und eine zweite Kernwelle (27) umfasst, die die zweite Turbine mit dem zweiten Verdichter verbindet; und die zweite Turbine, der zweite Verdichter und die zweite Kernwelle so angeordnet sind, dass sie sich mit einer höheren Drehzahl als die erste Kernwelle drehen.
  18. Flugzeug, umfassend mindestens ein Gasturbinentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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