DE102020131807A1

DE102020131807A1 - Gasturbinentriebwerksbetriebsmodus

Info

Publication number: DE102020131807A1
Application number: DE102020131807.3A
Authority: DE
Inventors: Jillian C. GASKELL; Chathura K. Kannangara; Punitha Kamesh
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2021-06-24
Also published as: US20210189962A1; CN113006945A; FR3105305B1; GB201918782D0; FR3105305A1; US11268441B2

Abstract

Ein Gasturbinentriebwerk 10 für ein Flugzeug umfasst einen Triebwerkskern 11, umfassend eine Turbine 19, einen Verdichter 14 und eine Kernwelle 26, die die Turbine mit dem Verdichter verbindet, wobei die Turbine 19 die Turbine mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks ist, die Kernwelle eine Laufdrehzahl im Bereich von 1500 U/min bis 6200 U/min aufweist und der Verdichter der Verdichter mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks ist; einen Fan 23, der stromaufwärts des Triebwerkskerns angeordnet ist; und ein Getriebe 30, das einen Antrieb von der Kernwelle aufnimmt und einen Antrieb an den Fan ausgibt. Der Triebwerkskern 11 umfasst ferner drei Lager 26a-c, die zum Tragen der Kernwelle 26 angeordnet sind, wobei die drei Lager ein vorderes Lager 26a) und zwei hintere Lager 26b, 26c umfassen, wobei die Kernwelle eine Länge zwischen dem vorderen Lager und dem hintersten hinteren Lager 26c im Bereich von 1800 mm bis 2900 mm und eine kurze Spannweite zwischen den beiden hinteren Lagern im Bereich von 250 mm bis 350 mm aufweist, sodass keine primäre Resonanz der Kernwelle zwischen dem vorderen Lager und dem vordersten hinteren Lager innerhalb des Laufdrehzahlbereichs der Kernwelle besteht.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft das Montieren einer Kernwelle innerhalb eines Gasturbinentriebwerks für ein Flugzeug und insbesondere das Lagerpositionieren und wie eine solche Welle angeordnet und montiert werden kann, um Schwingungs- und Resonanzeffekte handzuhaben.
Wie hierin verwendet, bezeichnet ein Bereich „ab Wert X bis Wert Y“, „von Wert X bis Wert Y“ oder „zwischen Wert X und Wert Y“ oder dergleichen einen einschließenden Bereich; einschließlich der Begrenzungswerte X und Y. Wie hierin verwendet, bezeichnet der Begriff „Achsenebene“ eine Ebene, die sich entlang der Länge eines Triebwerks erstreckt, parallel zu und mit einer axialen Mittellinie des Triebwerks, und der Begriff „radiale Ebene“ bezeichnet eine Ebene, die sich senkrecht zu der axialen Mittellinie des Triebwerks erstreckt, also alle radialen Linien an der axialen Position der radialen Ebene umfasst. Achsenebenen können auch als Längsebenen bezeichnet werden, da sie sich über die gesamte Länge des Triebwerks erstrecken. Ein radialer Abstand oder ein axialer Abstand ist also ein Abstand in einer radialen bzw. Achsenebene.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt wird ein Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug bereitgestellt, umfassend einen Triebwerkskern, der eine Turbine, einen Verdichter und eine Kernwelle, die die Turbine mit dem Verdichter verbindet, umfasst, und wobei die Turbine die Turbine mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks ist, die Kernwelle eine Laufdrehzahl im Bereich von 1500 U/min bis 6200 U/min aufweist und der Verdichter der Verdichter mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks ist. Das Triebwerk umfasst ferner einen Fan, der stromaufwärts des Triebwerkskerns angeordnet ist, wobei der Fan eine Vielzahl von Fan-Schaufeln umfasst; und ein Getriebe, das einen Antrieb von der Kernwelle aufnimmt und einen Antrieb an den Fan abgibt, um den Fan mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle anzutreiben.
Der Triebwerkskern umfasst ferner drei Lager, die zum Tragen der Kernwelle angeordnet sind, wobei die drei Lager ein vorderes Lager und zwei hintere Lager umfassen, wobei die Kernwelle eine Länge (L) zwischen dem vorderen Lager und dem hintersten hinteren Lager im Bereich von 1800 mm bis 2900 mm oder 2750 mm und eine kurze Spannweite (S) zwischen den beiden hinteren Lagern im Bereich von 250 mm bis 350 mm aufweist.
Dadurch kann keine primäre Resonanz der Kernwelle zwischen dem vorderen Lager und dem vordersten hinteren Lager innerhalb des Laufdrehzahlbereichs der Kernwelle bestehen.
Die Länge (L) und die kurze Spannweite (S) können wie für den gewünschten Laufdrehzahlbereich geeignet ausgewählt werden, um solche primären Resonanzen zu vermeiden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Länge der Kernwelle (L) im Bereich von 2000 mm bis 2900 mm, ferner optional von 2300 mm bis 2800 mm und ferner optional von 2400 mm bis 2750 mm sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die kurze Spannweite größer oder gleich einem von 250 mm, 255 mm, 260 mm und 265 mm sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die kurze Spannweite kleiner oder gleich einem von 350 mm, 345 mm, 340 mm oder 335 mm sein.
Der Erfinder hat erkannt, dass die vergrößerte Länge einer Kernwelle, wenn ein Gasturbinentriebwerk vergrößert wird, dazu führen kann, dass eine Resonanzfrequenz der Kernwelle im Triebwerkslaufbereich oder in dessen Nähe liegt. Ein einfaches Vergrößern eines bekannten Triebwerks kann daher zu erhöhten Risiken einer resonanzinduzierten Beschädigung führen - die längere Kernwelle kann problematisch sein. Der Erfinder hat festgestellt, dass die Auswahl der Länge, L, und der kurzen Spannweite, S, wie für einen gegebenen Laufdrehzahlbereich geeignet, eine Vermeidung von schädlichen Wirbelmoden unterstützen kann und eine Beschädigung des Triebwerks im Gebrauch reduzieren kann. Die untere Grenze von 1500 U/min bei der Kernwellenlaufdrehzahl kann die minimale Laufdrehzahl unter Bodenleerlaufbedingungen sein, und/oder die obere Grenze von 6200 U/min bei der Kernwellenlaufdrehzahl kann die obere Grenze bei der maximalen Abhebelaufdrehzahl sein.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt wird ein Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug bereitgestellt, umfassend einen Triebwerkskern, der eine Turbine, einen Verdichter und eine Kernwelle, die die Turbine mit dem Verdichter verbindet, umfasst, und wobei die Turbine die Turbine mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks ist und der Verdichter der Verdichter mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks ist. Das Triebwerk umfasst ferner einen Fan, der stromaufwärts des Triebwerkskerns angeordnet ist, wobei der Fan eine Vielzahl von Fan-Schaufeln umfasst und einen Fan-Durchmesser von 330 cm bis 380 cm aufweist; und ein Getriebe, das einen Antrieb von der Kernwelle aufnimmt und einen Antrieb an den Fan abgibt, um den Fan mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle anzutreiben, wobei das Getriebe ein Übersetzungsverhältnis im Bereich von 3,1 bis 3,8 aufweist.
Der Triebwerkskern umfasst ferner drei Lager, die zum Tragen der Kernwelle angeordnet sind, wobei die drei Lager ein vorderes Lager und zwei hintere Lager umfassen, wobei die Kernwelle eine Länge zwischen dem vorderen Lager und dem hintersten hinteren Lager im Bereich von 1800 bis 2900 mm oder 2750 mm und eine kurze Spannweite zwischen den beiden hinteren Lagern im Bereich von 250 mm bis 350 mm aufweist, sodass keine primäre Resonanz der Kernwelle innerhalb eines Laufdrehzahlbereichs der Kernwelle besteht.
Der Fachmann würde erkennen, dass der zweite Gesichtspunkt ein erfinderisches Konzept mit dem ersten Gesichtspunkt teilt, weil die Kombination aus Fan-Durchmesser und Übersetzungsverhältnis mit der Kernwellenlaufdrehzahl verknüpft ist. Für eine besondere Flugzeugausführung kann eine gegebene Kombination aus Fan-Durchmesser und Übersetzungsverhältnis verwendet werden, um eine vorgesehene Kernwellenlaufdrehzahl abzuleiten.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die kurze Spannweite größer oder gleich einem von 250 mm, 255 mm, 260 mm und 265 mm sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die kurze Spannweite kleiner oder gleich einem von 350 mm, 345 mm, 340 mm oder 335 mm sein.
Der Kernwellenlaufdrehzahlbereich kann von 1500 U/min bis 6200 U/min reichen.
Im ersten oder zweiten Gesichtspunkt kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale vorhanden sein:
Die Turbine weist eine Turbinenlänge auf, die zwischen der Anströmkante ihrer stromaufwärtigsten Laufschaufeln und einer Abströmkante ihrer stromabwärtigsten Laufschaufeln definiert ist. Ein Verhältnis zwischen kurzer Spannweite und Turbinenlänge von: $\frac{k u r z e S p a n n w e i t e}{T u r b i n e n l \ddot{a} n g e}$
kann gleich oder kleiner als 1,05 sein. Das Verhältnis zwischen kurzer Spannweite und Turbinenlänge kann gleich oder kleiner als 1,00 sein, optional gleich oder kleiner als 0,95. Das Verhältnis zwischen kurzer Spannweite und Turbinenlänge kann gleich oder größer als 0,70 oder gleich oder größer als 0,75 oder gleich oder größer als 0,80 oder gleich oder größer als 0,85 sein. Zum Beispiel kann das Verhältnis zwischen kurzer Spannweite und Turbinenlänge im Bereich von 0,70 bis 1,05, optional von 0,70 bis 1,00, optional von 0,70 bis 0,95, optional von 0,80 bis 1,05, optional von 0,80 bis 1,00, optional von 0,80 bis 0,95, optional von 0,85 bis 1,05, optional von 0,85 bis 1,00 und ferner optional von 0,85 bis 0,95 im Bereich von 0,85 bis 0,95 sein.
Die Turbine kann vier Sätze von Turbinenschaufeln umfassen. Die beiden hinteren Lager können beide stromabwärts der Abströmkante einer Turbinenschaufel des dritten Satzes von Turbinenschaufeln von der Vorderseite der Turbine an der Wurzel der Laufschaufel angeordnet sein. Die Turbine kann insgesamt vier Sätze von Turbinenschaufeln umfassen.
Die beiden hinteren Lager können stromabwärts der Anströmkante der (stromabwärtigsten) Turbinenschaufel mit dem niedrigsten Druck der Turbine an der Wurzel der Laufschaufel angeordnet sein.
Die Länge der Kernwelle (L) kann im Bereich von 1800 mm bis 2900 mm, optional von 2000 mm bis 2900 mm, ferner optional von 2300 mm bis 2800 mm und ferner optional von 2400 mm bis 2750 mm sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die kurze Spannweite größer oder gleich einem von 250 mm, 255 mm, 260 mm und 265 mm sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die kurze Spannweite kleiner oder gleich einem von 350 mm, 345 mm, 340 mm oder 335 mm sein.
Ein Längenverhältnis (S/L) der kurzen Spannweite zwischen den beiden hinteren Lagern zu der Kernwellenlänge kann gleich oder kleiner als 0,14 sein.
Das Längenverhältnis kann gleich oder kleiner als 0,13 oder gleich oder kleiner als 0,12 sein. Das Längenverhältnis kann gleich oder größer als 0,05 oder gleich oder größer als 0,06 oder gleich oder größer als 0,07 oder gleich oder größer als 0,08 sein. Zum Beispiel kann das Längenverhältnis im Bereich von 0,05 bis 0,14, optional im Bereich von 0,05 bis 0,13, optional im Bereich von 0,06 bis 0,13 und ferner optional im Bereich von 0,08 bis 0,13 sein.
Das vorderste Lager der hinteren Lager kann eine Lagersteifigkeit im Bereich von 30 kN/mm bis 100 kN/mm aufweisen.
Ein Steifigkeitsverhältnis der Lagersteifigkeit an dem vordersten hinteren Lager zu dem Abstand zwischen den beiden hinteren Lagern kann im Bereich von 0,08 bis 0,5 kN/mm², optional im Bereich von 0,08 bis 0,40 kN/mm², optional im Bereich von 0,08 bis 0,30 kN/mm², optional im Bereich von 0,08 bis 0,20 kN/mm², optional im Bereich von 0,09 bis 0,40 kN/mm², optional im Bereich von 0,15 bis 0,50 kN/mm², optional im Bereich von 0,15 bis 0,40 kN/mm² und ferner optional im Bereich von 0,15 bis 0,30 kN/mm² sein.
Die Turbine mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks weist einen Satz von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck auf, wobei jede Laufschaufel des Satzes von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck eine Masse, m, einen Radius an der mittleren Höhe der Laufschaufel, r, und eine Winkelgeschwindigkeit im Reiseflug, ω, aufweist.
Ein erstes Laufschaufel-Lager-Verhältnis von: $\frac{d e r k u r z e n S p a n n w e i t e (S)}{m r ω^{2} (f \ddot{u} r e i n e L a u f s c h a u f e l d e s S a t z e s m i t d e m n i e d r i g s t e n D r u c k)}$
kann einen Wert im Bereich von 2,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 3,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 4,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad ^-2.s², optional von 5,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 2,0 ×10^-6 bis 6,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 3,0 ×10^-6 bis 6,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s² und ferner optional von 4,5 ×10^-6 bis 6,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s² aufweisen.
Ein zweites Laufschaufel-Lager-Verhältnis von: $\frac{d e r k u r z e n S p a n n w e i t e (S)}{m \times r (f \ddot{u} r e i n e L a u f s c h a u f e l d e s S a t z e s m i t d e m n i e d r i g s t e n D r u c k)}$
kann einen Wert im Bereich von 0,8 bis 6,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 5,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 4,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 3,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 2,0 kg^-1 aufweisen.
Gemäß einem dritten Gesichtspunkt wird ein Verfahren für den Betrieb eines Gasturbinentriebwerks für ein Flugzeug bereitgestellt. Das Gasturbinentriebwerk umfasst einen Triebwerkskern, der eine Turbine, einen Verdichter und eine Kernwelle, die die Turbine mit dem Verdichter verbindet, umfasst, und wobei die Turbine mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks ist. Der Triebwerkskern umfasst ferner drei Lager, die zum Tragen der Kernwelle angeordnet sind, wobei die drei Lager ein vorderes Lager und zwei hintere Lager umfassen, wobei die Kernwelle eine Länge (L) zwischen dem vorderen Lager und dem hintersten hinteren Lager im Bereich von 1800 mm bis 2900 mm und eine kurze Spannweite (S) zwischen den beiden hinteren Lagern im Bereich von 250 mm bis 350 mm aufweist. Das Triebwerk umfasst ferner einen Fan, der stromaufwärts des Triebwerkskerns angeordnet ist, wobei der Fan eine Vielzahl von Fan-Schaufeln umfasst; und ein Getriebe, das angeordnet ist, um einen Antrieb von der Kernwelle aufzunehmen und einen Antrieb an den Fan abzugeben, um den Fan mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle anzutreiben Das Verfahren umfasst ein Betreiben des Triebwerks derart, dass die Kernwelle eine Laufdrehzahl im Bereich von 1500 U/min bis 6200 U/min aufweist, und wobei keine primäre Resonanz der Kernwelle innerhalb des Laufdrehzahlbereichs der Kernwelle besteht. Die Länge der Kernwelle (L) kann im Bereich von 1800 mm bis 2750 mm oder von 2000 bis 2750 oder von 2400 mm bis 2750 mm sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die kurze Spannweite größer oder gleich einem von 250 mm, 255 mm, 260 mm und 265 mm sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die kurze Spannweite kleiner oder gleich einem von 350 mm, 345 mm, 340 mm oder 335 mm sein.
Das Triebwerk, das zur Implementierung des Verfahrens verwendet wird, kann wie in dem ersten und/oder zweiten Gesichtspunkt beschrieben sein.
Gemäß einem vierten Gesichtspunkt wird ein Verfahren zum Auslegen eines Gasturbinentriebwerks für ein Flugzeug bereitgestellt. Das Triebwerk umfasst einen Triebwerkskern, der eine Turbine, einen Verdichter und eine Kernwelle, die die Turbine mit dem Verdichter verbindet, umfasst, und wobei die Turbine die Turbine mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks ist, die Kernwelle eine Laufdrehzahl im Bereich von 1500 U/min bis 6200 U/min aufweist und der Verdichter der Verdichter mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks ist. Das Triebwerk umfasst ferner einen Fan, der stromaufwärts des Triebwerkskerns angeordnet ist, wobei der Fan eine Vielzahl von Fan-Schaufeln umfasst; und ein Getriebe, das einen Antrieb von der Kernwelle aufnimmt und einen Antrieb an den Fan abgibt, um den Fan mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle anzutreiben. Der Triebwerkskern umfasst ferner drei Lager, die zum Tragen der Kernwelle angeordnet sind, wobei die drei Lager ein vorderes Lager und zwei hintere Lager umfassen, wobei die Kernwelle eine Länge (L) zwischen dem vorderen Lager und dem hintersten hinteren Lager im Bereich von 1800 mm bis 2900 mm aufweist.
Das Verfahren umfasst:

Auswählen von Positionen für das vordere Lager und das vorderste Lager der hinteren Lager und
Verlängern der Kernwelle hinter dem vordersten Lager der hinteren Lager derart, dass eine zwischen den beiden hinteren Lagern definierte kurze Spannweite (S) im Bereich von 250 mm bis 350 mm ist und keine primäre Resonanz der Kernwelle zwischen dem vorderen Lager und dem vordersten hinteren Lager innerhalb des Laufdrehzahlbereichs der Kernwelle besteht.

Die Länge der Kernwelle (L) kann im Bereich von 1800 mm bis 2750 mm oder von 2000 bis 2750 oder von 2400 mm bis 2750 mm sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die kurze Spannweite größer oder gleich einem von 250 mm, 255 mm, 260 mm und 265 mm sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die kurze Spannweite kleiner oder gleich einem von 350 mm, 345 mm, 340 mm oder 335 mm sein.
Das Auswählen von Positionen für das vordere Lager und das vorderste Lager der hinteren Lager kann ein Positionieren der beiden hinteren Lager stromabwärts einer Anströmkante der (stromabwärtigsten) Turbinenschaufel mit dem niedrigsten Druck der Turbine an einer Wurzel der Laufschaufel umfassen.
Die Turbine kann vier Sätze von Turbinenschaufeln umfassen, und das Auswählen von Positionen für das vordere Lager und das vorderste Lager der hinteren Lager kann ein Positionieren der beiden hinteren Lager stromabwärts einer Abströmkante einer Turbinenschaufel eines dritten Satzes von Turbinenschaufeln von der Vorderseite der Turbine an einer Wurzel der Laufschaufel umfassen.
Das Triebwerk, das nach dem Verfahren des vierten Gesichtspunkts ausgelegt ist, kann das Triebwerk des ersten und/oder zweiten Gesichtspunkts sein.
Gemäß einem fünften Gesichtspunkt wird ein Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug bereitgestellt, umfassend einen Triebwerkskern, der eine Turbine, einen Verdichter und eine Kernwelle, die die Turbine mit dem Verdichter verbindet, umfasst, und wobei die Turbine die Turbine mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks ist und Turbinenschaufeln umfasst und der Verdichter der Verdichter mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks ist. Das Triebwerk umfasst außerdem einen Fan, der stromaufwärts des Triebwerkskerns angeordnet ist, wobei der Fan eine Vielzahl von Fan-Schaufeln umfasst; und ein Getriebe, das einen Antrieb von der Kernwelle aufnimmt und einen Antrieb an den Fan abgibt, um den Fan mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle anzutreiben. Der Triebwerkskern umfasst ferner drei Lager, die zum Tragen der Kernwelle angeordnet sind, wobei die drei Lager zwei hintere Lager umfassen, die stromabwärts der Anströmkante der Turbinenschaufeln mit dem niedrigsten Druck der Turbine an der Wurzel der Laufschaufeln angeordnet sind. Die beiden hinteren Lager können daher so beschrieben werden, dass sie stromabwärts der Anströmkante der letzten/hintersten Turbinenschaufel angeordnet sind.
Der Erfinder hat erkannt, dass sich die Kernwelle an der axialen Position der Lager im Allgemeinen (in radialer Richtung) am wenigsten bewegt und am ebensten ist (parallel zu der Triebwerksachse) - während Wirbelmoden und andere Biegungen oder Verschiebungen zwischen Lagern auftreten können, wobei die Lager dazu dienen, die radiale Wellenbewegung zu begrenzen. Der Erfinder hat erkannt, dass es eine sorgfältige Kontrolle der Wellenlänge und Lagerposition deshalb ermöglichen kann, Wirbelmoden des Triebwerks handzuhaben, wodurch die Gefahr einer Beschädigung des Triebwerks reduziert wird.
Der Erfinder hat außerdem festgestellt, dass ein Positionieren der Lager näher an den größeren Turbinenstufen, zur Rückseite der Turbine hin, eine verbesserte Turbinenstütze bereitstellt, weil Wellenbewegungen bezogen auf die Turbinenposition eine schädlichere Wirkung auf diese größeren Turbinenstufen haben können.
Das Gasturbinentriebwerk kann ferner eine Scheibe umfassen, die angeordnet ist, um die Turbinenschaufeln mit dem niedrigsten Druck der Turbine zu tragen. Die beiden hinteren Lager können stromabwärts einer Mittellinie der Scheibe angeordnet sein.
Die Länge der Kernwelle kann im Bereich von 1800 bis 2900 mm, optional im Bereich von 2000 bis 2900 mm, optional im Bereich von 2300 bis 2800 mm und ferner optional im Bereich von 2400 bis 2750 mm sein.
Die Kernwelle kann einen Laufdrehzahlbereich mit einer unteren Grenze von 1500 U/min und einer oberen Grenze von 6200 U/min aufweisen.
Die obere Grenze bei dem Kernwellenlaufdrehzahlbereich kann die obere Grenze bei der maximalen Abhebelaufdrehzahl (MTO-Laufdrehzahl) sein. Die untere Grenze bei der Kernwellenlaufdrehzahl kann die minimale Laufdrehzahl unter Bodenleerlaufbedingungen sein.
Die Kernwelle weist eine Länge, L, zwischen dem vordersten Lager und dem hintersten Lager und einen Abstand, S, zwischen den beiden hinteren Lagern auf. Die Lager können derart angeordnet sein, dass ein Längenverhältnis, S/L, des Abstands zwischen den beiden hinteren Lagern (S) zu der Kernwellenlänge (L) gleich oder kleiner als 0,14 oder gleich oder kleiner als 0,13 oder gleich oder kleiner als 0,12 sein kann. Das Längenverhältnis, S/L, des Abstands zwischen den beiden hinteren Lagern (S) zu der Kernwellenlänge (L) kann gleich oder größer als 0,05 oder gleich oder größer als 0,06 oder gleich oder größer als 0,07 oder gleich oder größer als 0,08 sein. Zum Beispiel kann das Längenverhältnis, S/L, des Abstands zwischen den beiden hinteren Lagern (S) zu der Kernwellenlänge (L) im Bereich von 0,05 bis 0,14, optional im Bereich von 0,05 bis 0,13, optional im Bereich von 0,06 bis 0,13 und optional im Bereich von 0,08 bis 0,13 sein.
Die Länge (L) der Kernwelle kann im Bereich von 1800 mm bis 2900 mm oder 2750 mm sein. In solchen Ausführungsformen kann der Abstand zwischen den beiden hinteren Lagern (S) im Bereich von 250 mm bis 350 mm oder optional von 260 mm und 350 mm sein.
Gemäß einem sechsten Gesichtspunkt wird ein Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug bereitgestellt, umfassend einen Triebwerkskern, der eine Turbine, einen Verdichter und eine Kernwelle, die die Turbine mit dem Verdichter verbindet, umfasst, und wobei die Turbine die Turbine mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks ist und vier Sätze von Turbinenschaufeln umfasst und der Verdichter der Verdichter mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks ist. Das Triebwerk umfasst ferner einen Fan, der stromaufwärts des Triebwerkskerns angeordnet ist, wobei der Fan eine Vielzahl von Fan-Schaufeln umfasst; und ein Getriebe, das einen Antrieb von der Kernwelle aufnimmt und einen Antrieb an den Fan abgibt, um den Fan mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle anzutreiben. Der Triebwerkskern umfasst ferner drei Lager, die zum Tragen der Kernwelle angeordnet sind, wobei die drei Lager zwei hintere Lager umfassen, die stromabwärts der Abströmkante einer Turbinenschaufel des dritten Satzes von Turbinenschaufeln von der Vorderseite der Turbine an der Wurzel der Laufschaufel angeordnet sind.
Eines oder mehrere der folgenden Merkmale können für ein Gasturbinentriebwerk des fünften und/oder sechsten Gesichtspunkts gelten:

Das vorderste Lager der hinteren Lager kann eine Lagersteifigkeit im Bereich von 30 kN/mm bis 100 kN/mm aufweisen.

Ein Steifigkeitsverhältnis der Steifigkeit an dem vordersten hinteren Lager zu dem Abstand zwischen den beiden hinteren Lagern (S) kann im Bereich von 0,08 bis 0,5 kN/mm², optional im Bereich von 0,08 bis 0,40 kN/mm², optional im Bereich von 0,08 bis 0,30 kN/mm², optional im Bereich von 0,08 bis 0,20 kN/mm², optional im Bereich von 0,09 bis 0,40 kN/mm², optional im Bereich von 0,15 bis 0,50 kN/mm², optional im Bereich von 0,15 bis 0,40 kN/mm² und ferner optional im Bereich von 0,15 bis 0,30 kN/mm² sein.
Die Länge (L) der Kernwelle kann im Bereich von 1800 mm bis 2900 mm oder 2750 mm sein. In solchen Ausführungsformen kann der Abstand zwischen den beiden hinteren Lagern (S) im Bereich von 250 mm bis 350 mm oder optional von 260 mm und 350 mm sein.
Der Fan kann einen Fan-Durchmesser im Bereich von 330 cm bis 380 cm aufweisen.
Die Länge der Kernwelle (L) kann im Bereich von 1800 mm bis 2900 mm, optional von 2000 mm bis 2900 mm, ferner optional von 2300 mm bis 2800 mm und ferner optional von 2400 mm bis 2750 mm sein.
Der Abstand zwischen den beiden hinteren Lagern (S), der als die kurze Spannweite bezeichnet werden kann, kann im Bereich von 250 mm bis 350 mm sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die kurze Spannweite größer oder gleich einem von 250 mm, 255 mm, 260 mm und 265 mm sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die kurze Spannweite kleiner oder gleich einem von 350 mm, 345 mm, 340 mm oder 335 mm sein. Die Kernwellenlaufdrehzahl kann im Bereich von 1500 U/min bis 6200 U/min sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Durchmesser des Fans im Bereich von 330 cm bis 380 cm sein. Das Übersetzungsverhältnis des Getriebes kann im Bereich von 3,1 bis 3,8 sein.
Die Länge, die kurze Spannweite und/oder die Laufdrehzahl kann derart ausgewählt sein, dass keine primäre Resonanz der Kernwelle innerhalb des Laufbereichs des Triebwerks liegt.
Die Turbine mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks weist einen Satz von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck auf. Jede Laufschaufel des Satzes von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck weist eine Masse, m, einen Radius an der mittleren Höhe der Laufschaufel, r, und eine Winkelgeschwindigkeit im Reiseflug, ω, auf. Eine kurze Spannweite (S) ist, wie oben erwähnt, als der axiale Abstand zwischen den beiden hinteren Lagern definiert.
Ein erstes Laufschaufel-Lager-Verhältnis von: $\frac{d e r k u r z e n S p a n n w e i t e (S)}{m r ω^{2} (f \ddot{u} r e i n e L a u f s c h a u f e l d e s S a t z e s m i t d e m n i e d r i g s t e n D r u c k)}$
kann einen Wert im Bereich von 2,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 3,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 4,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad ^-2.s², optional von 5,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 2,0 x10^-6 bis 6,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 3,0 ×10^-6 bis 6,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s² und ferner optional von 4,5 ×10^-6 bis 6,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s² aufweisen.
Zusätzlich oder alternativ dazu - ein zweites Laufschaufel-Lager-Verhältnis von: $\frac{d e r k u r z e n S p a n n w e i t e (S)}{m \times r (f \ddot{u} r e i n e L a u f s c h a u f e l d e s S a t z e s m i t d e m n i e d r i g s t e n D r u c k)}$
kann einen Wert im Bereich von 0,8 bis 6,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 5,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 4,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 3,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 2,0 kg^-1 aufweisen.
Die Turbine weist eine Länge zwischen der Anströmkante der vordersten Turbinenschaufel der Turbine und einer Abströmkante der hintersten Turbinenschaufel der Turbine auf. Ein Verhältnis zwischen kurzer Spannweite und Turbinenlänge (d. h. S geteilt durch die Turbinenlänge) kann gleich oder kleiner als 1,05, optional gleich oder kleiner als 1,00, optional gleich oder kleiner als 0,95 sein. Das Verhältnis zwischen kurzer Spannweite und Turbinenlänge kann gleich oder größer als 0,70 oder gleich oder größer als 0,75 oder gleich oder größer als 0,80 oder gleich oder größer als 0,85 sein. Zum Beispiel kann das Verhältnis zwischen kurzer Spannweite und Turbinenlänge im Bereich von 0,70 bis 1,05, optional von 0,70 bis 1,00, optional von 0,70 bis 0,95, optional von 0,80 bis 1,05, optional von 0,80 bis 1,00, optional von 0,80 bis 0,95, optional von 0,85 bis 1,05, optional von 0,85 bis 1,00 und ferner optional von 0,85 bis 0,95 sein.
Die Turbine kann insgesamt vier Sätze von Turbinenschaufeln umfassen. In einer alternativen Ausführungsform kann die Turbine insgesamt drei Sätze von Turbinenschaufeln umfassen.
Gemäß einem siebten Gesichtspunkt wird ein Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug bereitgestellt, umfassend einen Triebwerkskern, der eine Turbine, einen Verdichter und eine Kernwelle, die die Turbine mit dem Verdichter verbindet, umfasst. Die Turbine ist die Turbine mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks, und der Verdichter ist der Verdichter mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks. Die Kernwelle weist einen Laufdrehzahlbereich mit einer unteren Grenze von 1500 U/min und einer oberen Grenze von 6200 U/min auf. Das Triebwerk umfasst ferner einen Fan, der stromaufwärts des Triebwerkskerns angeordnet ist, wobei der Fan eine Vielzahl von Fan-Schaufeln umfasst; und ein Getriebe, das einen Antrieb von der Kernwelle aufnimmt und einen Antrieb an den Fan abgibt, um den Fan mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle anzutreiben.
Der Triebwerkskern umfasst ferner drei Lager, die zum Tragen der Kernwelle angeordnet sind, wobei die drei Lager ein vorderes Lager und zwei hintere Lager umfassen. Die Kernwelle weist eine Länge (L) zwischen dem vorderen Lager und dem hintersten hinteren Lager und eine kurze Spannweite (S) zwischen den hinteren Lagern auf. Die Lager sind derart angeordnet, dass ein Längenverhältnis der kurzen Spannweite zu der Kernwellenlänge (S/L) gleich oder kleiner als 0,14 ist.
Das Längenverhältnis kann gleich oder kleiner als 0,13 oder gleich oder kleiner als 0,12 sein. Das Längenverhältnis kann gleich oder größer als 0,05 oder gleich oder größer als 0,06 oder gleich oder größer als 0,07 oder gleich oder größer als 0,08 sein. Zum Beispiel kann das Längenverhältnis im Bereich von 0,05 bis 0,14, optional im Bereich von 0,05 bis 0,13, optional im Bereich von 0,06 bis 0,13 und ferner optional im Bereich von 0,08 bis 0,13 sein.
Der Erfinder hat erkannt, dass die vergrößerte Länge einer Kernwelle, wenn ein Gasturbinentriebwerk vergrößert wird, dazu führen kann, dass eine Resonanzfrequenz der Kernwelle im Triebwerkslaufbereich oder in dessen Nähe liegt. Ein einfaches Vergrößern eines bekannten Triebwerks kann daher zu erhöhten Risiken einer resonanzinduzierten Beschädigung führen - die längere Kernwelle kann problematisch sein.
In Bezug auf ein weiteres Verlängern der Kernwelle - Verlängern nach hinten von einem ersten hinteren Lager und zu einem zweiten hinteren Lager, wobei der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten hinteren Lager innerhalb eines vorgegebenen Bereichs in Bezug auf die gesamte Kernwellenlänge ist - wurde jedoch erkannt, dass dadurch in einigen Ausführungsformen die Steifigkeit der Kernwelle erhöht und die Resonanzfrequenz von dem Triebwerkslaufbereich weg bewegt wird.
Die obere Grenze bei dem Kernwellenlaufdrehzahlbereich kann die obere Grenze bei der maximalen Abhebelaufdrehzahl sein.
Die untere Grenze bei der Kernwellenlaufdrehzahl kann die minimale Laufdrehzahl unter Bodenleerlaufbedingungen sein.
Die Laufdrehzahl der Kernwelle unter Reiseflugbedingungen kann im Bereich von 5400 bis 5700 U/min und optional im Bereich von 5500 bis 5600 U/min sein.
Die Laufdrehzahl der Kernwelle unter maximalen Abhebebedingungen (MTO-Bedingungen) kann im Bereich von 5800 bis 6200 U/min und optional im Bereich von 5900 bis 6100 U/min sein.
Die Länge der Kernwelle (L) kann im Bereich von 1800 mm bis 2900 mm, optional von 2000 mm bis 2900 mm, ferner optional von 2300 mm bis 2800 mm und ferner optional von 2400 mm bis 2750 mm sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die kurze Spannweite größer oder gleich einem von 250 mm, 255 mm, 260 mm und 265 mm sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die kurze Spannweite kleiner oder gleich einem von 350 mm, 345 mm, 340 mm oder 335 mm sein.
Das vorderste Lager der hinteren Lager kann eine Lagersteifigkeit im Bereich von 30 kN/mm bis 100 kN/mm aufweisen. Ein Steifigkeitsverhältnis der Steifigkeit an dem vordersten hinteren Lager zu der kurzen Spannweite kann im Bereich von 0,08 bis 0,5 kN/mm², optional im Bereich von 0,08 bis 0,40 kN/mm², optional im Bereich von 0,08 bis 0,30 kN/mm², optional im Bereich von 0,08 bis 0,20 kN/mm², optional im Bereich von 0,09 bis 0,40 kN/mm², optional im Bereich von 0,15 bis 0,50 kN/mm², optional im Bereich von 0,15 bis 0,40 kN/mm² und ferner optional im Bereich von 0,15 bis 0,30 kN/mm² sein.
Die Länge (L) der Kernwelle kann im Bereich von 1800 mm bis 2900 mm oder 2750 mm sein. Die kurze Spannweite (S) kann im Bereich von 250 mm bis 350 mm, optional von 260 mm bis 350 mm sein.
Der Fan kann einen Fan-Durchmesser im Bereich von 330 cm bis 380 cm aufweisen.
In einigen Ausführungsformen kann die Länge der Kernwelle im Bereich von 1800 mm bis 2900 mm oder 2750 mm sein. Die kurze Spannweite kann im Bereich von 250 mm bis 350 mm, optional von 260 mm bis 350 mm sein. Die Kernwellenlaufdrehzahl kann im Bereich von 1500 U/min bis 6200 U/min sein; und/oder ein Durchmesser des Fans kann im Bereich von 330 cm bis 380 cm sein, und das Übersetzungsverhältnis des Getriebes kann im Bereich von 3,1 bis 3,8 sein. In solchen Ausführungsformen kann die Länge, die kurze Spannweite und/oder die Laufdrehzahl derart ausgewählt sein, dass keine primäre Resonanz der Kernwelle (innerhalb des Laufbereichs des Triebwerks liegt.
Die hinteren Lager können axial angeordnet sein, eben mit oder hinter:

(i) einer Anströmkante einer Turbinenschaufel mit dem niedrigsten Druck der Turbine an der Wurzel der Laufschaufel; und/oder
(ii) einer Abströmkante einer Turbinenschaufel eines dritten Satzes von Turbinenschaufeln von der Vorderseite der Turbine an der Wurzel der Laufschaufel, wobei die Turbine vier Sätze von Turbinenschaufeln umfasst.

Der Erfinder hat erkannt, dass ein Positionieren der hinteren Lager näher an den größeren Turbinenstufen, zur Rückseite der Turbine hin, eine verbesserte Turbinenstütze bereitstellt, weil Wellenbewegungen bezogen auf die Turbinenposition eine schädlichere Wirkung auf diese größeren Turbinenstufen haben können.
Die Turbine mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks weist einen Satz von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck auf, wobei jede Laufschaufel des Satzes von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck eine Masse, m, einen Radius an der mittleren Höhe der Laufschaufel, r, und eine Winkelgeschwindigkeit im Reiseflug, ω, aufweist. Eine kurze Spannweite (S) ist als der axiale Abstand zwischen den beiden hinteren Lagern definiert, wie oben angegeben.
Ein erstes Laufschaufel-Lager-Verhältnis von: $\frac{d e r k u r z e n S p a n n w e i t e (S)}{m r ω^{2} (f \ddot{u} r e i n e L a u f s c h a u f e l d e s S a t z e s m i t d e m n i e d r i g s t e n D r u c k)}$
kann einen Wert im Bereich von 2,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 3,0 10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 4,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad ^-2.s², optional von 5,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 2,0 ×10^-6 bis 6,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 3,0 ×10^-6 bis 6,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s² und ferner optional von 4,5 ×10^-6 bis 6,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s² aufweisen.
Zusätzlich oder alternativ dazu - ein zweites Laufschaufel-Lager-Verhältnis von: $\frac{d e r k u r z e n S p a n n w e i t e (S)}{m \times r (f \ddot{u} r e i n e L a u f s c h a u f e l d e s S a t z e s m i t d e m n i e d r i g s t e n D r u c k)}$
kann einen Wert im Bereich von 0,8 bis 6,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 5,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 4,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 3,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 2,0 kg^-1 aufweisen.
Die Turbine weist eine Länge zwischen der Anströmkante der vordersten Turbinenschaufel der Turbine und einer Abströmkante der hintersten Turbinenschaufel der Turbine auf. Ein Verhältnis zwischen kurzer Spannweite und Turbinenlänge kann im Bereich von 0,70 bis 1,05, optional von 0,70 bis 1,00, optional von 0,70 bis 0,95, optional von 0,80 bis 1,05, optional von 0,80 bis 1,00, optional von 0,80 bis 0,95, optional von 0,85 bis 1,05, optional von 0,85 bis 1,00 und ferner optional von 0,85 bis 0,95 sein.
Gemäß einem achten Gesichtspunkt wird ein Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug bereitgestellt, umfassend einen Triebwerkskern, der eine Turbine, einen Verdichter und eine Kernwelle, die die Turbine mit dem Verdichter verbindet, umfasst, und wobei die Turbine die Turbine mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks ist und der Verdichter der Verdichter mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks ist. Die Turbine weist eine Turbinenlänge auf, die als der Abstand zwischen der Wurzel der stromaufwärtigsten Laufschaufel der Turbine an ihrer Anströmkante und der Wurzel der stromabwärtigsten Laufschaufel der Turbine an ihrer Abströmkante definiert ist. Das Triebwerk umfasst ferner einen Fan, der stromaufwärts des Triebwerkskerns angeordnet ist, wobei der Fan eine Vielzahl von Fan-Schaufeln umfasst; und ein Getriebe, das einen Antrieb von der Kernwelle aufnimmt und einen Antrieb an den Fan abgibt, um den Fan mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle anzutreiben.
Der Triebwerkskern umfasst ferner drei Lager, die zum Tragen der Kernwelle angeordnet sind, wobei die drei Lager ein vorderes Lager und zwei hintere Lager umfassen, wobei eine kurze Spannweite (S) als der Abstand zwischen den beiden hinteren Lagern definiert ist. Ein Verhältnis zwischen kurzer Spannweite und Turbinenlänge von: $\frac{k u r z e S p a n n w e i t e}{T u r b i n e n l \ddot{a} n g e}$
ist gleich oder kleiner als 1,05.
Der Erfinder hat erkannt, dass ein Halten des Verhältnisses zwischen kurzer Spannweite und Turbinenlänge innerhalb dieses Bereichs und allgemeiner kleiner als das in dem bekannten Flugzeug dazu beitragen kann, schädliche Wirbelmoden im Betrieb zu reduzieren oder zu vermeiden.
Das Verhältnis zwischen kurzer Spannweite und Turbinenlänge kann gleich oder kleiner als 1,00 sein, optional gleich oder kleiner als 0,95. Das Verhältnis zwischen kurzer Spannweite und Turbinenlänge kann gleich oder größer als 0,70 oder gleich oder größer als 0,75 oder gleich oder größer als 0,80 oder gleich oder größer als 0,85 sein. Zum Beispiel kann das Verhältnis zwischen kurzer Spannweite und Turbinenlänge im Bereich von 0,70 bis 1,05, optional von 0,70 bis 1,00, optional von 0,70 bis 0,95, optional von 0,80 bis 1,05, optional von 0,80 bis 1,00, optional von 0,80 bis 0,95, optional von 0,85 bis 1,05, optional von 0,85 bis 1,00 und ferner optional von 0,85 bis 0,95 im Bereich von 0,85 bis 0,95 sein.
Der Erfinder hat erkannt, dass die vergrößerte Länge einer Kernwelle, wenn ein Gasturbinentriebwerk vergrößert wird, dazu führen kann, dass eine Resonanzfrequenz der Kernwelle im Triebwerkslaufbereich oder in dessen Nähe liegt. Ein einfaches Vergrößern eines bekannten Triebwerks kann daher zu erhöhten Risiken einer resonanzinduzierten Beschädigung führen - die längere Kernwelle kann problematisch sein. Der Erfinder hat festgestellt, dass ein Anordnen der kurzen Spannweite derart, dass sie ungefähr gleich und optional etwas kleiner als die Turbinenlänge (der Turbine mit dem niedrigsten Druck in Ausführungsformen mit mehr als einer Turbine) und genauer innerhalb des beanspruchten Bereichs ist, eine Vermeidung von schädlichen Wirbelmoden unterstützen kann und eine Beschädigung des Triebwerks im Gebrauch reduzieren kann.
Die Turbine kann insgesamt vier Sätze von Turbinenschaufeln umfassen. In solchen Ausführungsformen können beide der beiden hinteren Lager stromabwärts der Abströmkante einer Turbinenschaufel des dritten Satzes von Turbinenschaufeln von der Vorderseite der Turbine an der Wurzel der Laufschaufel angeordnet sein.
Die beiden hinteren Lager können stromabwärts der Anströmkante der (stromabwärtigsten) Turbinenschaufel mit dem niedrigsten Druck der Turbine an der Wurzel der Laufschaufel angeordnet sein.
Die Länge der Kernwelle (L) kann im Bereich von 1800 mm bis 2900 mm, optional von 2000 mm bis 2900 mm, ferner optional von 2300 mm bis 2800 mm und ferner optional von 2400 mm bis 2750 mm sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die kurze Spannweite größer oder gleich einem von 250 mm, 255 mm, 260 mm und 265 mm sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die kurze Spannweite kleiner oder gleich einem von 350 mm, 345 mm, 340 mm oder 335 mm sein.
Die Kernwelle kann einen Laufdrehzahlbereich mit einer unteren Grenze von 1500 U/min und einer oberen Grenze von 6200 U/min aufweisen. Die obere Grenze bei dem Kernwellenlaufdrehzahlbereich kann die obere Grenze bei der maximalen Abhebelaufdrehzahl (MTO-Laufdrehzahl) sein. Die untere Grenze bei der Kernwellenlaufdrehzahl kann die minimale Laufdrehzahl unter Bodenleerlaufbedingungen sein.
Die Kernwelle weist eine Länge, L, zwischen dem vordersten Lager und dem hintersten Lager und einen Abstand (die kurze Spannweite, S) zwischen den beiden hinteren Lagern auf. Die Lager können derart angeordnet sein, dass ein Längenverhältnis (S/L) des Abstands zwischen den beiden hinteren Lagern zu der Kernwellenlänge gleich oder kleiner als 0,14 oder gleich oder kleiner als 0,13 oder gleich oder kleiner als 0,12 ist. Das Längenverhältnis, S/L, des Abstands zwischen den beiden hinteren Lagern (S) zu der Kernwellenlänge (L) kann gleich oder größer als 0,05 oder gleich oder größer als 0,06 oder gleich oder größer als 0,07 oder gleich oder größer als 0,08 sein. Zum Beispiel kann das Längenverhältnis, S/L, des Abstands zwischen den beiden hinteren Lagern (S) zu der Kernwellenlänge (L) im Bereich von 0,05 bis 0,14, optional im Bereich von 0,05 bis 0,13, optional im Bereich von 0,06 bis 0,13 und optional im Bereich von 0,08 bis 0,13 sein.
Das vorderste Lager der hinteren Lager kann eine Lagersteifigkeit im Bereich von 30 kN/mm bis 100 kN/mm aufweisen. Ein Steifigkeitsverhältnis der Lagersteifigkeit an dem vordersten hinteren Lager geteilt durch den Abstand zwischen den beiden hinteren Lagern kann im Bereich von 0,08 bis 0,5 kN/mm², optional im Bereich von 0,08 bis 0,40 kN/mm², optional im Bereich von 0,08 bis 0,30 kN/mm², optional im Bereich von 0,08 bis 0,20 kN/mm², optional im Bereich von 0,09 bis 0,40 kN/mm², optional im Bereich von 0,15 bis 0,50 kN/mm², optional im Bereich von 0,15 bis 0,40 kN/mm² und ferner optional im Bereich von 0,15 bis 0,30 kN/mm² sein.
Die Länge (L) der Kernwelle kann im Bereich von 1800 mm bis 2900 mm oder 2750 mm sein. Der Abstand (S) zwischen den beiden hinteren Lagern kann im Bereich von 250 mm bis 350 mm, optional von 260 mm bis 350 mm sein.
Der Fan kann einen Fan-Durchmesser im Bereich von 330 cm bis 380 cm aufweisen.
Die Gaslänge der Kernwelle kann im Bereich von 1800 mm bis 2900 mm oder 2750 mm sein; und die kurze Spannweite kann im Bereich von 250 mm bis 350 mm, optional von 260 mm bis 350 mm sein. Die Kernwellenlaufdrehzahl kann im Bereich von 1500 U/min bis 6200 U/min sein; und/oder ein Durchmesser des Fans kann im Bereich von 330 cm bis 380 cm sein, und das Übersetzungsverhältnis des Getriebes kann im Bereich von 3,1 bis 3,8 sein. Die Länge, die kurze Spannweite und/oder die Laufdrehzahl kann derart ausgewählt sein, dass keine primäre Resonanz der Kernwelle innerhalb des Laufbereichs des Triebwerks liegt.
Die Turbine mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks weist einen Satz von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck auf, wobei jede Laufschaufel des Satzes von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck eine Masse, m, einen Radius an der mittleren Höhe der Laufschaufel, r, und eine Winkelgeschwindigkeit im Reiseflug, ω, aufweist.
Ein erstes Laufschaufel-Lager-Verhältnis von: $\frac{d e r k u r z e n S p a n n w e i t e (S)}{m r ω^{2} (f \ddot{u} r e i n e L a u f s c h a u f e l d e s S a t z e s m i t d e m n i e d r i g s t e n D r u c k)}$
kann einen Wert im Bereich von 2,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 3,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 4,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 5,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 2,0 ×10^-6 bis 6,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 3,0 ×10^-6 bis 6,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s² und ferner optional von 4,5 ×10^-6 bis 6,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s² aufweisen.
Ein zweites Laufschaufel-Lager-Verhältnis von: $\frac{d e r k u r z e n S p a n n w e i t e (S)}{m \times r (f \ddot{u} r e i n e L a u f s c h a u f e l d e s S a t z e s m i t d e m n i e d r i g s t e n D r u c k)}$
kann einen Wert im Bereich von 0,8 bis 6,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 5,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 4,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 3,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 2,0 kg^-1 aufweisen.
Gemäß einem neunten Gesichtspunkt wird ein Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug bereitgestellt, umfassend einen Triebwerkskern, der eine Turbine, einen Verdichter und eine Kernwelle, die die Turbine mit dem Verdichter verbindet, umfasst, und wobei die Turbine die Turbine mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks ist und der Verdichter der Verdichter mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks ist. Das Triebwerk umfasst ferner einen Fan, der stromaufwärts des Triebwerkskerns angeordnet ist, wobei der Fan eine Vielzahl von Fan-Schaufeln umfasst; und ein Getriebe, das einen Antrieb von der Kernwelle aufnimmt und einen Antrieb an den Fan abgibt, um den Fan mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle anzutreiben. Der Triebwerkskern umfasst ferner drei Lager, die zum Tragen der Kernwelle angeordnet sind, wobei die drei Lager ein vorderes Lager und zwei hintere Lager umfassen und wobei das vorderste hintere Lager eine Lagersteifigkeit im Bereich von 30 kN/mm bis 100 kN/mm aufweist, wobei die Lagersteifigkeit durch die radiale Verschiebung definiert ist, die durch das Anlegen einer radialen Kraft an dem axialen Mittelpunkt des Lagers bewirkt wird.
Der Erfinder hat erkannt, dass ein Steuern der Lagersteifigkeit derart, dass diese innerhalb des spezifizierten Bereichs liegt, eine Handhabung von Schwingungsmoden ermöglichen oder erleichtern kann, wodurch potentiell eine Beschädigung des Triebwerks im Gebrauch reduziert wird, die durch Wirbelmodenverschiebungen der Kernwelle bewirkt wird.
Die Kernwelle weist eine Länge (L) zwischen dem vorderen Lager und dem hintersten hinteren Lager und eine kurze Spannweite (S) zwischen den hinteren Lagern auf. Die Lager können derart angeordnet sein, dass ein Längenverhältnis (S/L) der kurzen Spannweite zu der Kernwellenlänge gleich oder kleiner als 0,14 oder gleich oder kleiner als 0,13 oder gleich oder kleiner als 0,12 ist. Das Längenverhältnis kann gleich oder größer als 0,05 oder gleich oder größer als 0,06 oder gleich oder größer als 0,07 oder gleich oder größer als 0,08 sein. Zum Beispiel kann das Längenverhältnis im Bereich von 0,05 bis 0,14, optional im Bereich von 0,05 bis 0,13, optional im Bereich von 0,06 bis 0,13 und ferner optional im Bereich von 0,08 bis 0,13 sein.
Die Kernwelle kann einen Laufdrehzahlbereich mit einer unteren Grenze von 1500 U/min und einer oberen Grenze von 6200 U/min aufweisen.
Die Lagersteifigkeit des vordersten hinteren Lagers kann gleich oder ungefähr 50 kN/mm sein.
Das Gasturbinentriebwerk kann ferner eine stationäre Tragstruktur und eine erste Lagertragstruktur umfassen. Das vorderste hintere Lager kann durch die erste Lagertragstruktur an der stationären Tragstruktur montiert sein. Die erste Lagertragstruktur kann an der stationären Tragstruktur an einer ersten Position angebracht sein, die axial hinter dem vordersten hinteren Lager angeordnet ist.
In solchen Ausführungsformen kann die erste Lagertragstruktur eine Vielzahl von Verbindungselementen umfassen, die umfänglich um die Triebwerksachse beabstandet sein können und das Lager mit der stationären Tragstruktur verbinden. Die erste Lagertragstruktur kann als eine Tragstruktur vom Federstangentyp beschrieben werden.
Die erste Lagertragstruktur kann einen äußeren Laufring des vordersten hinteren Lagers umfassen.
Das Gasturbinentriebwerk von Ausführungsformen mit einer ersten Lagertragstruktur kann ferner eine zweite Lagertragstruktur umfassen. Die zweite Lagertragstruktur kann an der stationären Tragstruktur montiert sein, optional an einer zweiten Position, die vor der ersten Position und in einem größeren radialen Abstand von der Triebwerksachse als diese angeordnet ist. Die zweite Lagertragstruktur kann mit der ersten Lagertragstruktur durch einen Quetschfilmdämpfer im Bereich des vordersten hinteren Lagers verbunden sein.
Ein Steifigkeitsverhältnis der Lagersteifigkeit an dem vordersten hinteren Lager zu der kurzen Spannweite kann im Bereich von 0,08 bis 0,5 kN/mm², optional im Bereich von 0,08 bis 0,40 kN/mm², optional im Bereich von 0,08 bis 0,30 kN/mm², optional im Bereich von 0,08 bis 0,20 kN/mm², optional im Bereich von 0,09 bis 0,40 kN/mm², optional im Bereich von 0,15 bis 0,50 kN/mm², optional im Bereich von 0,15 bis 0,40 kN/mm² und ferner optional im Bereich von 0,15 bis 0,30 kN/mm² sein.
Die Länge der Kernwelle (L) kann im Bereich von 1800 mm bis 2900 mm, optional von 2000 mm bis 2900 mm, ferner optional von 2300 mm bis 2800 mm und ferner optional von 2400 mm bis 2750 mm sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die kurze Spannweite größer oder gleich einem von 250 mm, 255 mm, 260 mm und 265 mm sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die kurze Spannweite kleiner oder gleich einem von 350 mm, 345 mm, 340 mm oder 335 mm sein.
Die Länge der Kernwelle kann im Bereich von 1800 mm bis 2900 mm oder 2750 mm sein. In solchen Ausführungsformen kann die kurze Spannweite im Bereich von 250 mm bis 350 mm, optional von 260 mm bis 350 mm sein.
Der Fan kann einen Fan-Durchmesser im Bereich von 330 cm bis 380 cm aufweisen.
Die Länge der Kernwelle kann im Bereich von 1800 mm bis 2900 mm oder 2750 mm sein.
Die kurze Spannweite kann im Bereich von 250 mm bis 350 mm sein. Die Kernwellenlaufdrehzahl kann im Bereich von 1500 U/min bis 6200 U/min sein; und/oder ein Durchmesser des Fans kann im Bereich von 330 cm bis 380 cm sein, und das Übersetzungsverhältnis des Getriebes kann im Bereich von 3,1 bis 3,8 sein. Die Länge, die kurze Spannweite und/oder die Laufdrehzahl kann derart ausgewählt sein, dass keine primäre Resonanz der Kernwelle innerhalb des Laufbereichs des Triebwerks liegt.
Die hinteren Lager können axial eben mit oder hinter einer Anströmkante einer Turbinenschaufel mit dem niedrigsten Druck der Turbine an der Wurzel der Laufschaufel angeordnet sein.
Die hinteren Lager können axial eben mit oder hinter einer Abströmkante einer Turbinenschaufel eines dritten Satzes von Turbinenschaufeln von der Vorderseite der Turbine an der Wurzel der Laufschaufel angeordnet sein, wobei die Turbine vier Sätze von Turbinenschaufeln umfasst.
Die Turbine mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks weist einen Satz von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck auf, wobei jede Laufschaufel des Satzes von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck eine Masse, m, einen Radius an der mittleren Höhe der Laufschaufel, r, und eine Winkelgeschwindigkeit im Reiseflug, ω, aufweist.
Ein erstes Laufschaufel-Lager-Verhältnis von: $\frac{d e r k u r z e n S p a n n w e i t e (S)}{m r ω^{2} (f \ddot{u} r e i n e L a u f s c h a u f e l d e s S a t z e s m i t d e m n i e d r i g s t e n D r u c k 19 c,19 d)}$
kann einen Wert im Bereich von 2,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 3,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 4,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad ^-2.s², optional von 5,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad ^-2.s², optional von 2,0 ×10^-6 bis 6,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 3,0 ×10^-6 bis 6,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s² und ferner optional von 4,5 ×10^-6 bis 6,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s² aufweisen.
Ein zweites Laufschaufel-Lager-Verhältnis von: $\frac{d e r k u r z e n S p a n n w e i t e (S)}{m \times r (f \ddot{u} r e i n e L a u f s c h a u f e l d e s S a t z e s m i t d e m n i e d r i g s t e n D r u c k 19 c,19 d)}$
kann einen Wert im Bereich von 0,8 bis 6,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 5,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 4,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 3,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 2,0 kg^-1 aufweisen.
Die Turbine weist eine Länge zwischen der Anströmkante der vordersten Turbinenschaufel der Turbine und einer Abströmkante der hintersten Turbinenschaufel der Turbine auf. Ein Verhältnis zwischen kurzer Spannweite und Turbinenlänge kann gleich oder kleiner als 1,05 sein. Das Verhältnis zwischen kurzer Spannweite und Turbinenlänge kann gleich oder kleiner als 1,00 sein, optional gleich oder kleiner als 0,95. Das Verhältnis zwischen kurzer Spannweite und Turbinenlänge kann gleich oder größer als 0,70 oder gleich oder größer als 0,75 oder gleich oder größer als 0,80 oder gleich oder größer als 0,85 sein. Zum Beispiel kann das Verhältnis zwischen kurzer Spannweite und Turbinenlänge im Bereich von 0,70 bis 1,05, optional von 0,70 bis 1,00, optional von 0,70 bis 0,95, optional von 0,80 bis 1,05, optional von 0,80 bis 1,00, optional von 0,80 bis 0,95, optional von 0,85 bis 1,05, optional von 0,85 bis 1,00 und ferner optional von 0,85 bis 0,95 im Bereich von 0,85 bis 0,95 sein.
Gemäß einem zehnten Gesichtspunkt wird ein Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug bereitgestellt, umfassend einen Triebwerkskern, der eine Turbine, einen Verdichter und eine Kernwelle, die die Turbine mit dem Verdichter verbindet, umfasst, und wobei der Verdichter der Verdichter mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks ist und die Turbine die Turbine mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks ist und einen Satz von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck aufweist, wobei jede Laufschaufel des Satzes von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck eine Masse, m, einen Radius an der mittleren Höhe der Laufschaufel, r, und eine Winkelgeschwindigkeit im Reiseflug, ω, aufweist. Das Triebwerk umfasst ferner einen Fan, der stromaufwärts des Triebwerkskerns angeordnet ist, wobei der Fan eine Vielzahl von Fan-Schaufeln umfasst; und ein Getriebe, das einen Antrieb von der Kernwelle aufnimmt und einen Antrieb an den Fan abgibt, um den Fan mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle anzutreiben.
Der Triebwerkskern umfasst ferner drei Lager, die zum Tragen der Kernwelle angeordnet sind, wobei die drei Lager ein vorderes Lager und zwei hintere Lager umfassen, wobei eine kurze Spannweite (S) als der axiale Abstand zwischen den beiden hinteren Lagern definiert ist. Ein erstes Laufschaufel-Lager-Verhältnis von: $\frac{d e r k u r z e n S p a n n w e i t e (S)}{m r ω^{2} (f \ddot{u} r e i n e L a u f s c h a u f e l d e s S a t z e s m i t d e m n i e d r i g s t e n D r u c k)}$
weist einen Wert im Bereich von 2,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s² auf.
Der Erfinder hat erkannt, dass das Triebwerk nicht linear mit einem Kraftanstieg (wobei mrω² ein Maß der Kraft bereitstellt) vergrößert werden sollte, sondern dass stattdessen die kurze Spannweite (S) so wenig wie möglich erhöht werden sollte, um die Länge und das Gewicht des Triebwerks relativ zu reduzieren, um es zu ermöglichen, dass Effizienzgewinne durch Vermeiden des zusätzlichen Gewichts erhöht werden, und um die Entwicklung von unerwünschten Wirbelmoden innerhalb der kurzen Spannweite zu vermeiden. Während nach herkömmlichem Wissen eine größere kurze Spannweite wünschenswert ist, um die Reaktion von Kräften von der Niederdruckturbine zu verbessern, hat der Erfinder festgestellt, dass die Gefahr des Einführens von Wirbelmoden und die Einführung von mehr Länge und Gewicht die Kraftreaktionsvorteile ausgleichen und dass das erste Laufschaufel-Lager-Verhältnis daher innerhalb des spezifizierten Bereichs gehalten werden sollte.
Das erste Laufschaufel-Lager-Verhältnis kann im Bereich von 3,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 4,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 5,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 2,0 ×10^-6 bis 6,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 3,0 ×10^-6 bis 6,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 3,0 ×10^-6 bis 4,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s² und ferner optional von 4,5 ×10^-6 bis 6,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s² sein.
Ein zweites Laufschaufel-Lager-Verhältnis von: $\frac{d e r k u r z e n S p a n n w e i t e (S)}{m \times r (f \ddot{u} r e i n e L a u f s c h a u f e l d e s S a t z e s m i t d e m n i e d r i g s t e n D r u c k)}$
kann einen Wert im Bereich von 0,8 bis 6,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 5,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 4,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 3,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 2,0 kg^-1 aufweisen.
Gemäß einem elften Gesichtspunkt wird ein Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug bereitgestellt, umfassend einen Triebwerkskern, der eine Turbine, einen Verdichter und eine Kernwelle, die die Turbine mit dem Verdichter verbindet, umfasst, und wobei die Turbine die Turbine mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks ist und einen Satz von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck aufweist, wobei jede Laufschaufel des Satzes von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck eine Masse, m, einen Radius an der mittleren Höhe der Laufschaufel, r, aufweist und der Verdichter der Verdichter mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks ist. Das Triebwerk umfasst ferner einen Fan, der stromaufwärts des Triebwerkskerns angeordnet ist, wobei der Fan eine Vielzahl von Fan-Schaufeln umfasst; und ein Getriebe, das einen Antrieb von der Kernwelle aufnimmt und einen Antrieb an den Fan abgibt, um den Fan mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle anzutreiben.
Der Triebwerkskern umfasst ferner drei Lager, die zum Tragen der Kernwelle angeordnet sind, wobei die drei Lager ein vorderes Lager und zwei hintere Lager umfassen, wobei eine kurze Spannweite (S) als der axiale Abstand zwischen den beiden hinteren Lagern definiert ist. Ein zweites Laufschaufel-Lager-Verhältnis von: $\frac{d e r k u r z e n S p a n n w e i t e (S)}{m \times r (f \ddot{u} r e i n e L a u f s c h a u f e l d e s S a t z e s m i t d e m n i e d r i g s t e n D r u c k)}$
weist einen Wert im Bereich von 0,8 bis 6,0 kg^-1 auf.
Das zweite Laufschaufel-Lager-Verhältnis kann im Bereich von 0,8 bis 5,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 4,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 3,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 2,0 kg^-1 sein.
Jede Laufschaufel des Satzes von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck weist eine Winkelgeschwindigkeit im Reiseflug, ω, auf, und ein erstes Laufschaufel-Lager-Verhältnis von: $\frac{d e r k u r z e n S p a n n w e i t e (S)}{m r ω^{2} (f \ddot{u} r e i n e L a u f s c h a u f e l d e s S a t z e s m i t d e m n i e d r i g s t e n D r u c k 19 c,19 d)}$
kann einen Wert im Bereich von 2,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 3,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 4,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad ^-2.s², optional von 5,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 2,0 ×10^-6 bis 6,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 3,0 ×10^-6 bis 6,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s² und ferner optional von 4,5 ×10^-6 bis 6,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s² aufweisen.
Im zehnten oder elften Gesichtspunkt kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale vorhanden sein:

Die kurze Spannweite, S, kann im Bereich von 250 mm bis 350 mm sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die kurze Spannweite größer oder gleich einem von 250 mm, 255 mm, 260 mm und 265 mm sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die kurze Spannweite kleiner oder gleich einem von 350 mm, 345 mm, 340 mm oder 335 mm sein.

Die Länge der Kernwelle (L) kann im Bereich von 1800 mm bis 2900 mm, optional von 2000 mm bis 2900 mm, ferner optional von 2300 mm bis 2800 mm und ferner optional von 2400 mm bis 2750 mm sein.
Der Wert der Laufschaufelmasse, m, multipliziert mit dem Laufschaufelradius an der mittleren Höhe, r, kann im Bereich von 180 bis 280 kg sein.mm
Das Getriebe kann ein Übersetzungsverhältnis von größer als 3 und optional im Bereich von 3,1 bis 3,8 aufweisen.
Die Kernwelle kann eine Laufdrehzahl im Bereich von 1500 U/min bis 6200 U/min aufweisen.
Die Kernwellenlaufdrehzahl im Reiseflug kann im Bereich von 5400 bis 5700 U/min und optional von 5500 bis 5600 U/min im Reiseflug sein.
Die Kernwellenlaufdrehzahl unter maximalen Abhebebedingungen (MTO-Bedingungen) kann im Bereich von 5800 bis 6200 U/min und optional von 5900 bis 6100 U/min sein.
Ein Längenverhältnis (S/L) der kurzen Spannweite zwischen den beiden hinteren Lagern der Kernwellenlänge kann gleich oder kleiner als 0,14 oder gleich oder kleiner als 0,13 oder gleich oder kleiner als 0,12 sein. Das Längenverhältnis, S/L, kann gleich oder größer als 0,05 oder gleich oder größer als 0,06 oder gleich oder größer als 0,07 oder gleich oder größer als 0,08 sein. Zum Beispiel kann das Längenverhältnis, S/L, im Bereich von 0,05 bis 0,14, optional im Bereich von 0,05 bis 0,13, optional im Bereich von 0,06 bis 0,13 und optional im Bereich von 0,08 bis 0,13 sein.
Die Masse, m, einer Laufschaufel des Satzes von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck kann im Bereich von 0,2 bis 0,6 kg sein.
Der Radius, r, einer Laufschaufel des Satzes von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck kann im Bereich von 400 bis 600 mm sein.
Jede Laufschaufel des Satzes von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck kann eine Winkelgeschwindigkeit im Reiseflug, ω, im Bereich von 560 bis 600 rad.s^-1 aufweisen.
Die Länge der Kernwelle kann im Bereich von 1800 mm bis 2900 mm oder 2750 mm sein. Die kurze Spannweite kann im Bereich von 250 mm bis 350 mm und optional von 260 mm bis 350 mm sein.
Der Fan kann einen Fan-Durchmesser im Bereich von 330 cm bis 380 cm aufweisen.
Die Turbine weist eine Turbinenlänge auf, die zwischen der Anströmkante ihrer stromaufwärtigsten Laufschaufeln und einer Abströmkante ihrer stromabwärtigsten Laufschaufeln definiert ist. Ein Verhältnis zwischen kurzer Spannweite und Turbinenlänge von: $\frac{k u r z e S p a n n w e i t e}{T u r b i n e n l \ddot{a} n g e}$
kann gleich oder kleiner als 1,05, optional gleich oder kleiner als 1,00, optional gleich oder kleiner als 0,95 sein. Das Verhältnis zwischen kurzer Spannweite und Turbinenlänge kann gleich oder größer als 0,70 oder gleich oder größer als 0,75 oder gleich oder größer als 0,80 oder gleich oder größer als 0,85 sein. Zum Beispiel kann das Verhältnis zwischen kurzer Spannweite und Turbinenlänge im Bereich von 0,70 bis 1,05, optional von 0,70 bis 1,00, optional von 0,70 bis 0,95, optional von 0,80 bis 1,05, optional von 0,80 bis 1,00, optional von 0,80 bis 0,95, optional von 0,85 bis 1,05, optional von 0,85 bis 1,00 und ferner optional von 0,85 bis 0,95 sein.
Die hinteren Lager können axial eben mit oder hinter einer Anströmkante einer Turbinenschaufel mit dem niedrigsten Druck der Turbine an der Wurzel der Laufschaufel angeordnet sein.
Die hinteren Lager können axial eben mit oder hinter einer Abströmkante einer Turbinenschaufel eines dritten Satzes von Turbinenschaufeln von der Vorderseite der Turbine an der Wurzel der Laufschaufel angeordnet sein. In solchen Ausführungsformen kann die Turbine vier Sätze von Turbinenschaufeln umfassen und kann optional insgesamt vier Sätze von Turbinenschaufeln aufweisen.
Das vorderste Lager der hinteren Lager kann eine Lagersteifigkeit im Bereich von 30 kN/mm bis 100 kN/mm aufweisen.
Ein Steifigkeitsverhältnis der Lagersteifigkeit an dem vordersten hinteren Lager zu dem Abstand zwischen den beiden hinteren Lagern kann im Bereich von 0,08 bis 0,5 kN/mm², optional im Bereich von 0,08 bis 0,40 kN/mm², optional im Bereich von 0,08 bis 0,30 kN/mm², optional im Bereich von 0,08 bis 0,20 kN/mm², optional im Bereich von 0,09 bis 0,40 kN/mm², optional im Bereich von 0,15 bis 0,50 kN/mm², optional im Bereich von 0,15 bis 0,40 kN/mm² und ferner optional im Bereich von 0,15 bis 0,30 kN/mm² sein.
Gemäß einem zwölften Gesichtspunkt wird ein Verfahren für den Betrieb eines Gasturbinentriebwerks für ein Flugzeug bereitgestellt, das Triebwerk umfassend einen Triebwerkskern, der eine Turbine, einen Verdichter und eine Kernwelle, die die Turbine mit dem Verdichter verbindet, umfasst, und wobei der Verdichter der Verdichter mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks ist und die Turbine die Turbine mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks ist und einen Satz von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck aufweist, wobei jede Laufschaufel des Satzes von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck eine Masse, m, einen Radius an der mittleren Höhe der Laufschaufel, r, und eine Winkelgeschwindigkeit im Reiseflug, ω, aufweist. Der Triebwerkskern umfasst ferner drei Lager, die zum Tragen der Kernwelle angeordnet sind, wobei die drei Lager ein vorderes Lager und zwei hintere Lager umfassen, wobei eine kurze Spannweite (S) als der axiale Abstand zwischen den beiden hinteren Lagern definiert ist. Das Triebwerk umfasst ferner einen Fan, der stromaufwärts des Triebwerkskerns angeordnet ist, wobei der Fan eine Vielzahl von Fan-Schaufeln umfasst; und ein Getriebe, das angeordnet ist, um einen Antrieb von der Kernwelle aufzunehmen und einen Antrieb an den Fan abzugeben, um den Fan mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle anzutreiben.
Das Verfahren umfasst ein Betreiben des Triebwerks derart, dass ein erstes Laufschaufel-Lager-Verhältnis von: $\frac{d e r k u r z e n S p a n n w e i t e (S)}{m r ω^{2} (f \ddot{u} r e i n e L a u f s c h a u f e l d e s S a t z e s m i t d e m n i e d r i g s t e n D r u c k)}$
einen Wert im Bereich von 2,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s² im Reiseflug aufweist.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren ein Betreiben des Triebwerks derart umfassen, dass das erste Laufschaufel-Lager-Verhältnis im Bereich von 3,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 4,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 5,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 2,0 ×10^-6 bis 6,5 ×10^-6 kg^-1.rad ^-2.s², optional von 3,0 ×10^-6 bis 6,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s² und ferner optional von 4,5 ×10^-6 bis 6,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s² sein kann.
Das Triebwerk, das zur Implementierung des Verfahrens gemäß dem zwölften Gesichtspunkt verwendet wird, kann wie in dem zehnten und/oder elften Gesichtspunkt beschrieben sein.
Gemäß einem dreizehnten Gesichtspunkt wird ein Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug bereitgestellt, umfassend einen Triebwerkskern, der eine Turbine, einen Verdichter und eine Kernwelle, die die Turbine mit dem Verdichter verbindet, umfasst, und wobei die Turbine die Turbine mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks ist und der Verdichter der Verdichter mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks ist. Das Triebwerk umfasst ferner einen Fan, der stromaufwärts des Triebwerkskerns angeordnet ist, wobei der Fan eine Vielzahl von Fan-Schaufeln umfasst; und ein Getriebe, das einen Antrieb von der Kernwelle aufnimmt und einen Antrieb an den Fan abgibt, um den Fan mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle anzutreiben.
Der Triebwerkskern umfasst ferner drei Lager, die zum Tragen der Kernwelle angeordnet sind, wobei die drei Lager ein vorderes Lager und zwei hintere Lager umfassen, wobei der Abstand zwischen den beiden hinteren Lagern als die kurze Spannweite, S, definiert ist. Das vorderste hintere Lager weist eine Lagersteifigkeit auf, die durch die radiale Verschiebung definiert ist, die durch das Anlegen einer radialen Kraft an dem axialen Mittelpunkt des Lagers bewirkt wird. Ein Steifigkeitsverhältnis der Lagersteifigkeit an dem vordersten hinteren Lager zu der kurzen Spannweite ist im Bereich von 0,08 bis 0,5 kN/mm².
Das Lagersteifigkeitsverhältnis kann im Bereich von 0,09 bis 0,40 kN/mm², optional im Bereich von 0,08 bis 0,30 kN/mm², optional im Bereich von 0,08 bis 0,20 kN/mm², optional im Bereich von 0,09 bis 0,40 kN/mm², optional im Bereich von 0,15 bis 0,50 kN/mm², optional im Bereich von 0,15 bis 0,40 kN/mm² und ferner optional im Bereich von 0,15 bis 0,30 kN/mm² sein.
Der Erfinder hat erkannt, dass ein Steuern der Lagersteifigkeit und der kurzen Spannweite derart, dass das Verhältnis der beiden innerhalb des spezifizierten Bereichs liegt, eine Handhabung von Schwingungsmoden ermöglichen oder erleichtern kann, wodurch potentiell eine Beschädigung des Triebwerks im Gebrauch reduziert wird, die durch Wirbelmodenverschiebungen der Kernwelle bewirkt wird.
Die Kernwelle weist eine Länge, L, zwischen dem vorderen Lager und dem hintersten hinteren Lager auf. Die Lager können derart angeordnet sein, dass ein Längenverhältnis (S/L) der kurzen Spannweite zu der Kernwellenlänge gleich oder kleiner als 0,14 oder gleich oder kleiner als 0,13 oder gleich oder kleiner als 0,12 ist. Das Längenverhältnis, S/L, kann gleich oder größer als 0,05 oder gleich oder größer als 0,06 oder gleich oder größer als 0,07 oder gleich oder größer als 0,08 sein. Zum Beispiel kann das Längenverhältnis, S/L, im Bereich von 0,05 bis 0,14, optional im Bereich von 0,05 bis 0,13, optional im Bereich von 0,06 bis 0,13 und optional im Bereich von 0,08 bis 0,13 sein.
Die Kernwelle kann einen Laufdrehzahlbereich mit einer unteren Grenze von 1500 U/min und einer oberen Grenze von 6200 U/min aufweisen.
Die Lagersteifigkeit des vordersten hinteren Lagers kann im Bereich von 30 kN/mm bis 100 kN/mm sein. Optional kann die Lagersteifigkeit des vordersten hinteren Lagers mindestens im Wesentlichen gleich 50 kN/mm sein.
Das Gasturbinentriebwerk kann ferner eine stationäre Tragstruktur und eine erste Lagertragstruktur umfassen. Das vorderste hintere Lager kann durch die erste Lagertragstruktur an der stationären Tragstruktur montiert sein. Die erste Lagertragstruktur kann an der stationären Tragstruktur an einer ersten Position angebracht sein, die axial hinter dem vordersten hinteren Lager angeordnet ist.
In solchen Ausführungsformen kann die erste Lagertragstruktur eine Vielzahl von Verbindungselementen umfassen, die umfänglich um die Triebwerksachse beabstandet sein können. Die Verbindungselemente können das vorderste hintere Lager mit der stationären Tragstruktur verbinden.
Zusätzlich oder alternativ dazu kann die erste Lagertragstruktur in solchen Ausführungsformen einen äußeren Laufring des vordersten hinteren Lagers umfassen.
In Ausführungsformen mit einer ersten Lagertragstruktur kann das Triebwerk ferner eine zweite Lagertragstruktur umfassen. Die zweite Lagertragstruktur kann an der stationären Tragstruktur montiert sein, optional an einer zweiten Position, die vor der ersten Position und in einem größeren radialen Abstand von der Triebwerksachse als diese angeordnet ist. Die zweite Lagertragstruktur kann mit der ersten Lagertragstruktur durch einen Quetschfilmdämpfer im Bereich des vordersten hinteren Lagers verbunden sein.
Die Länge, L, der Kernwelle kann im Bereich von 1800 mm bis 2900 mm oder 2750 mm sein. Die kurze Spannweite kann im Bereich von 250 mm bis 350 mm, optional von 260 mm bis 350 mm sein.
Der Fan kann einen Fan-Durchmesser im Bereich von 330 cm bis 380 cm aufweisen.
Die Länge, L, der Kernwelle kann im Bereich von 1800 mm bis 2900 mm oder 2750 mm sein, und die kurze Spannweite im Bereich von 250 mm bis 350 mm, optional von 260 mm bis 350 mm. Die Kernwellenlaufdrehzahl kann im Bereich von 1500 U/min bis 6200 U/min sein; und/oder ein Durchmesser des Fans kann im Bereich von 330 cm bis 380 cm sein, und das Übersetzungsverhältnis des Getriebes im Bereich von 3,1 bis 3,8. Die Länge, die kurze Spannweite und/oder die Laufdrehzahl kann derart ausgewählt sein, dass keine primäre Resonanz der Kernwelle innerhalb des Laufbereichs des Triebwerks liegt.
Die hinteren Lager können axial eben mit oder hinter einer Anströmkante einer Turbinenschaufel mit dem niedrigsten Druck der Turbine an der Wurzel der Laufschaufel angeordnet sein.
Die hinteren Lager können axial eben mit oder hinter einer Abströmkante einer Turbinenschaufel eines dritten Satzes von Turbinenschaufeln von der Vorderseite der Turbine an der Wurzel der Laufschaufel angeordnet sein. In solchen Ausführungsformen kann die Turbine vier Sätze von Turbinenschaufeln umfassen.
Die Turbine mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks kann einen Satz von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck aufweisen, wobei jede Laufschaufel des Satzes von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck eine Masse, m, einen Radius an der mittleren Höhe der Laufschaufel, r, und eine Winkelgeschwindigkeit im Reiseflug, ω, aufweist. Die kurze Spannweite (S) ist als der axiale Abstand zwischen den beiden hinteren Lagern definiert, wie an anderer Stelle beschrieben.
Ein erstes Laufschaufel-Lager-Verhältnis von: $\frac{d e r k u r z e n S p a n n w e i t e (S)}{m r ω^{2} (f \ddot{u} r e i n e L a u f s c h a u f e l d e s S a t z e s m i t d e m n i e d r i g s t e n D r u c k)}$
kann einen Wert im Bereich von 2,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 3,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 4,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad ^-2.s², optional von 5,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad ^-2.s², optional von 2,0 x10^-6 bis 6,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s², optional von 3,0 ×10^-6 bis 6,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s² und ferner optional von 4,5 ×10^-6 bis 6,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s² aufweisen.
Ein zweites Laufschaufel-Lager-Verhältnis von: $\frac{d e r k u r z e n S p a n n w e i t e (S)}{m \times r (f \ddot{u} r e i n e L a u f s c h a u f e l d e s S a t z e s m i t d e m n i e d r i g s t e n D r u c k 19 c,19 d)}$
kann einen Wert im Bereich von 0,8 bis 6,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 5,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 4,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 3,0 kg^-1, optional von 0,8 bis 2,0 kg^-1 aufweisen.
Die Turbine weist eine Länge zwischen der Anströmkante der vordersten Turbinenschaufel der Turbine und einer Abströmkante der hintersten Turbinenschaufel der Turbine auf. Ein Verhältnis zwischen kurzer Spannweite und Turbinenlänge (kurze Spannweite geteilt durch Turbinenlänge) kann gleich oder kleiner als 1,05, optional gleich oder kleiner als 1,00, optional gleich oder kleiner als 0,95 sein. Das Verhältnis zwischen kurzer Spannweite und Turbinenlänge kann gleich oder größer als 0,70 oder gleich oder größer als 0,75 oder gleich oder größer als 0,80 oder gleich oder größer als 0,85 sein. Zum Beispiel kann das Verhältnis zwischen kurzer Spannweite und Turbinenlänge im Bereich von 0,70 bis 1,05, optional von 0,70 bis 1,00, optional von 0,70 bis 0,95, optional von 0,80 bis 1,05, optional von 0,80 bis 1,00, optional von 0,80 bis 0,95, optional von 0,85 bis 1,05, optional von 0,85 bis 1,00 und ferner optional von 0,85 bis 0,95 sein.
In jedem der oben beschriebenen Gesichtspunkte kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale vorhanden sein:

Die Turbine kann eine erste Turbine sein, der Verdichter kann ein erster Verdichter sein und die Kernwelle kann eine erste Kernwelle sein. Der Triebwerkskern kann ferner eine zweite Turbine, einen zweiten Verdichter und eine Verbindungswelle, die die zweite Turbine mit dem zweiten Verdichter verbindet, umfassen. 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.

Das Triebwerk kann ferner ein hinteres Lagergehäuse umfassen, das hinter der Turbine angeordnet ist. Das hintere Lagergehäuse kann zwei Lagerscheiben umfassen; wobei jede Lagerscheibe angeordnet sein kann, um eines der beiden hinteren Lager zu tragen. In alternativen Ausführungsformen kann das hintere Lagergehäuse eine einzige Lagerscheibe umfassen, wobei die Lagerscheibe angeordnet ist, um eines der beiden hinteren Lager (zum Beispiel das hinterste Lager) zu tragen.
In Ausführungsformen mit einer oder mehreren Lagerscheiben können eine oder mehrere der Lagerscheiben mindestens im Wesentlichen senkrecht zu der Triebwerksachse (d. h. mindestens im Wesentlichen in einer radialen Ebene durch das Triebwerk) ausgerichtet sein.
In den verschiedenen Gesichtspunkten und Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, kann der Laufbereich als der Bereich der Drehraten der Kernwelle während des normalen Betriebs des Triebwerks (z. B. bei Bodenleerlauf, Abheben, Steigflug und Reiseflug) definiert sein und kann in Umdrehungen pro Minute (U/min) gemessen werden. In diesem Zusammenhang kann der „normale Betrieb des Triebwerks“ Übergangszeiträume beim Starten und Abschalten ausschließen, z. B., wenn die Kernwellendrehrate von null auf die Bodenleerlaufdrehrate steigt. Der Triebwerkslaufbereich schließt die Bodenleerlaufdrehzahl, die Reiseflugdrehzahl und die maximale Abhebedrehzahl (MTO-Drehzahl) ein. Die Kernwellendrehrate kann größer oder gleich der Bodenleerlaufdrehrate während des normalen Betriebs des Triebwerks sein. Die Kernwellendrehrate während des normaler Betriebs des Triebwerks kann auch als die Kernwellenlaufdrehzahl bezeichnet werden.
Wie an anderer Stelle hierin angegeben, kann sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk beziehen. Ein solches Gasturbinentriebwerk kann einen Triebwerkskern umfassen, der eine Turbine, eine Brennkammer, einen Verdichter und eine Kernwelle, die die Turbine mit dem Verdichter verbindet, umfasst. Ein solches Gasturbinentriebwerk kann einen Fan (mit Fan-Schaufeln) umfassen, der stromaufwärts des Triebwerkskerns angeordnet ist.
Anordnungen der vorliegenden Offenbarung können insbesondere, obwohl nicht ausschließlich, für Fans vorteilhaft sein, die über ein Getriebe angetrieben werden. Dementsprechend kann das Gasturbinentriebwerk ein Getriebe umfassen, das einen Antrieb von der Kernwelle aufnimmt und einen Abtrieb an den Fan ausgibt, um den Fan mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle anzutreiben. Der Antrieb zum Getriebe kann direkt von der Kernwelle oder indirekt von der Kernwelle erfolgen, zum Beispiel über eine Stirnradwelle und/oder ein Zahnrad. 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 Gasturbinentriebwerk, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, kann jede geeignete allgemeine Architektur aufweisen. Zum Beispiel kann das Gasturbinentriebwerk eine beliebige Anzahl von Wellen aufweisen, die Turbinen und Verdichter verbinden, zum Beispiel eine, zwei oder drei Wellen. Rein beispielhaft kann die mit der Kernwelle verbundene Turbine eine erste Turbine sein, kann der mit der Kernwelle verbundene Verdichter ein erster Verdichter sein und kann die Kernwelle eine erste Kernwelle sein.
Der Triebwerkskern 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 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 einen Strom von dem ersten Verdichter aufzunehmen (zum Beispiel direkt aufzunehmen, zum Beispiel über einen im Allgemeinen ringförmigen Kanal).
Das Getriebe kann so angeordnet sein, dass es von der Kernwelle angetrieben wird, die konfiguriert ist, um sich (zum Beispiel im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen (zum Beispiel von der ersten Kernwelle in dem obigen Beispiel). Zum Beispiel kann das Getriebe so angeordnet sein, dass es nur von der Kernwelle angetrieben wird, die konfiguriert ist, um sich (zum Beispiel im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen (zum Beispiel 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 beliebigen einen oder beliebigen mehreren Wellen angetrieben wird, zum Beispiel von der ersten und/oder zweiten Welle in dem obigen Beispiel.
Das Getriebe kann ein Untersetzungsgetriebe sein (dadurch, dass der Abtrieb an den Fan eine niedrigere Drehzahl aufweist als der Antrieb von der Kernwelle). Es kann jeder Typ von Getriebe verwendet werden. Zum Beispiel kann das Getriebe ein „Planetengetriebe“ oder ein „Sterngetriebe“ sein, wie es an anderer Stelle hierin detaillierter beschrieben ist. Das Getriebe kann jedes gewünschte Untersetzungsverhältnis aufweisen (definiert als die Drehzahl der Antriebswelle geteilt durch die Drehzahl der Abtriebswelle), zum Beispiel größer als 2,5, zum Beispiel im Bereich von 3 bis 4,2 oder 3,2 bis 3,8, zum Beispiel in der Größenordnung 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 „Sterngetriebe“ mit einer Übersetzung im Bereich von 3,1 oder 3,2 bis 3,8 sein. In einigen Anordnungen kann das Übersetzungsverhältnis außerhalb dieser Bereiche liegen.
In jedem Gasturbinentriebwerk, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, kann eine Brennkammer axial stromabwärts des Fans und des (der) Verdichter(s) bereitgestellt sein.
Zum Beispiel kann sich die Brennkammer direkt stromabwärts des zweiten Verdichters (zum Beispiel an dessen Ausgang) befinden, wo ein zweiter Verdichter bereitgestellt ist. Als weiteres Beispiel kann die der Strom am Ausgang zur Brennkammer an den Einlass der zweiten Turbine bereitgestellt werden, wo eine zweite Turbine bereitgestellt ist. Die Brennkammer kann stromaufwärts der Turbine(n) bereitgestellt sein.
Der oder jeder Verdichter (zum Beispiel der erste Verdichter und der zweite Verdichter, wie oben beschrieben) kann eine beliebige Anzahl von Stufen, zum Beispiel mehrere Stufen, umfassen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorschaufeln, die variable Statorschaufeln sein können (da ihr Einfallswinkel variabel sein kann), umfassen. Die Reihe von Rotorschaufeln und die Reihe von Statorschaufeln können axial voneinander versetzt sein.
Die oder jede Turbine (zum Beispiel die erste Turbine und die zweite Turbine, wie oben beschrieben) kann eine beliebige Anzahl von Stufen, zum Beispiel 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 voneinander versetzt sein.
Jede Fan-Schaufel kann so definiert sein, dass sie eine radiale Spannweite aufweist, die 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 hiervon liegen): 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 zu dem Radius der Fan-Schaufel an der Spitze 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), zum Beispiel im Bereich von 0,28 bis 0,32. Diese Verhältnisse können allgemein als das Nabe-zu-Spitze-Verhältnis bezeichnet werden. Der Radius an der Nabe und der Radius an der Spitze können beide an der Anströmkante (oder dem axial vordersten Teil) der Laufschaufel gemessen werden. Das Nabe-zu-Spitze-Verhältnis bezieht sich natürlich auf den gasgewaschenen Abschnitt der Fan-Schaufel, d. h. den Abschnitt radial außerhalb irgendeiner Plattform.
Der Radius des Fans kann zwischen der Mittellinie des Triebwerks und der Spitze einer Fan-Schaufel an ihrer Anströmkante gemessen werden. Der Fan-Durchmesser (der einfach das Doppelte des Fan-Radius betragen kann) kann größer sein als (oder in der Größenordnung hiervon liegen): 220 cm, 230 cm, 240 cm, 250 cm (etwa 100 Zoll), 260 cm, 270 cm (etwa 105 Zoll), 280 cm (etwa 110 Zoll), 290 cm (etwa 115 Zoll), 300 cm (etwa 120 Zoll), 310 cm, 320 cm (etwa 125 Zoll), 330 cm (etwa 130 Zoll), 340 cm (etwa 135 Zoll), 350 cm, 360 cm (etwa 140 Zoll), 370 cm (etwa 145 Zoll), 380 (etwa 150 Zoll) cm, 390 cm (etwa 155 Zoll), 400 cm, 410 cm (etwa 160 Zoll) oder 420 cm (etwa 165 Zoll). 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), zum Beispiel im Bereich von 240 cm bis 280 cm oder 330 cm bis 380 cm.
Die Drehzahl des Fans kann im Gebrauch variieren. Im Allgemeinen ist die Drehzahl bei Fans mit einem größeren Durchmesser niedriger. Rein als ein nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Fans unter Reiseflugbedingungen kleiner als 2500 U/min, zum Beispiel kleiner als 2300 U/min, sein. Rein als weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Fans unter Reiseflugbedingungen für ein Triebwerk, das einen Fan-Durchmesser im Bereich von 220 cm bis 300 cm aufweist (zum Beispiel 240 cm bis 280 cm oder 250 cm bis 270 cm), im Bereich von 1700 U/min bis 2500 U/min, zum Beispiel im Bereich von 1800 U/min bis 2300 U/min, zum Beispiel im Bereich von 1900 U/min bis 2100 U/min, liegen. Rein als weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Fans unter Reiseflugbedingungen für ein Triebwerk mit einem Fan-Durchmesser im Bereich von 330 cm bis 380 cm im Bereich von 1200 U/min bis 2000 U/min, zum Beispiel im Bereich von 1300 U/min bis 1800 U/min, zum Beispiel im Bereich von 1400 U/min bis 1800 U/min, liegen.
Im 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 U_Spitze bewegt. Die Arbeit, die von den Fan-Schaufeln 13 am Strom geleistet wird, führt zu einem Enthalpieanstieg dH des Stroms. Eine Fan-Spitzen-Belastung kann als dH/U_Spitze ² definiert sein, wobei dH der Enthalpieanstieg (zum Beispiel der mittlere 1-D-Enthalpieanstieg) über den Fan ist und U_Spitze die (translatorische) Geschwindigkeit der Fan-Spitze ist, zum Beispiel an der Anströmkante der Spitze (die als der Fan-Spitzen-Radius an der Anströmkante multipliziert mit der Winkelgeschwindigkeit definiert sein kann). Die Fan-Spitzen-Belastung unter Reiseflugbedingungen kann größer sein als (oder in der Größenordnung hiervon liegen): 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. Die Fan-Spitzen-Belastung kann in einem einschließenden Bereich liegen, der durch zwei der Werte im vorherigen Satz begrenzt ist (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen 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 als das Verhältnis der Massenströmungsrate der des Stroms durch den Bypass-Kanal zu der Massenströmungsrate des Stroms durch den Kern unter Reiseflugbedingungen. In einigen Anordnungen kann das Bypass-Verhältnis größer sein als eines von Folgendem (oder in der Größenordnung hiervon liegen): 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 Bypassverhältnis 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), zum Beispiel 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 Fan-Gehäuse definiert sein.
Das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, kann als das Verhältnis des Staudrucks stromaufwärts des Fans zu dem Staudruck am Ausgang des Höchstdruckverdichters (vor Eintritt in die Brennkammer) definiert sein. Als nicht einschränkendes Beispiel kann das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, unter Reiseflugbedingungen größer sein als eines von Folgendem (oder in der Größenordnung hiervon liegen): 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75. Das Gesamtdruckverhältnis 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), zum Beispiel im Bereich von 50 bis 70.
Der spezifische Schub eines Triebwerks kann als der Nettoschub des Triebwerks geteilt durch den Gesamtmassenstrom durch das Triebwerk definiert sein. Unter Reiseflugbedingungen kann der spezifische Schub eines hierin beschriebenen und/oder beanspruchten Triebwerks kleiner sein als eines von Folgendem (oder in der Größenordnung hiervon): 110 Nkg^-1s, 105 Nkg^-1s, 100 Nkg^-1s, 95 Nkg^-1s, 90 Nkg^-1s, 85 Nkg^-1s 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 aufweisen. Rein als nicht einschränkendes Beispiel kann eine Gasturbine, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, in der Lage sein, einen maximalen Schub von mindestens einem von Folgendem (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 beliebige zwei der Werte in dem vorhergehenden Satz begrenzt ist (d. h., die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Zum Beispiel kann eine Gasturbine, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, in der Lage sein, einen maximalen Schub im Bereich von 330 kN bis 420 kN, zum Beispiel 350 kN bis 400 kN, zu erzeugen. Der oben 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 Gebrauch kann die Temperatur des Stroms am Eintritt in die Hochdruckturbine besonders hoch sein. Diese Temperatur, die als TET bezeichnet werden kann, kann am Ausgang zur Brennkammer gemessen werden, zum Beispiel unmittelbar stromaufwärts der ersten Turbinenschaufel, die selbst als Düsenleitschaufel bezeichnet werden kann.
Im Flug kann die TET mindestens eines von Folgendem sein (oder in der Größenordnung hiervon liegen): 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 beliebige zwei der Werte in dem vorhergehenden Satz begrenzt ist (d. h., die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Die maximale TET im Gebrauch des Triebwerks kann zum Beispiel mindestens eines von Folgendem sein (oder in der Größenordnung hiervon liegen): 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 beliebige zwei der Werte in dem vorhergehenden Satz begrenzt ist (d. h., die Werte können obere oder untere Grenzen bilden), zum Beispiel im Bereich von 1800 K bis 1950 K. Die maximale TET kann zum Beispiel bei einem hohen Schubzustand, zum Beispiel bei einer maximalen Abhebebedingung (MTO-Bedingung) auftreten.
Wie hierin verwendet, hat maximale Abhebebedingung (MTO-Bedingung) die herkömmliche Bedeutung. Maximale Abhebebedingungen können definiert sein als ein Betreiben des Triebwerks bei einem Druck der Internationalen Standardatmosphäre (ISA) auf Meeresniveau und Temperaturbedingungen + 15 °C bei maximalem Abhebeschub am Ende der Startbahn, der in der Regel bei einer Geschwindigkeit des Flugzeugs von etwa 0,25 Mn (d. h. einer Machzahl von 0,25) oder zwischen etwa 0,24 und 0,27 Mn definiert ist. Maximale Abhebebedingungen für das Triebwerk können daher definiert sein als ein Betreiben des Triebwerks bei einem maximalen Abhebeschub für das Triebwerk bei ISA-Meeresniveaudruck und einer Temperatur von +15 °C bei einer Flugzeuggeschwindigkeit von 0,25 Mn.
Eine Fan-Schaufel und/oder ein Luftleitblechabschnitt einer Fan-Schaufel, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, kann bzw. können aus jedem geeigneten Material oder jeder geeigneten Kombination von Materialien hergestellt sein. Zum Beispiel kann mindestens ein Teil der Fan-Schaufel und/oder des Luftleitblechs mindestens teilweise aus einem Verbundwerkstoff, zum Beispiel einem Metallmatrixverbundwerkstoff und/oder einem organischen Matrixverbundwerkstoff, wie Kohlefaser, hergestellt sein. Als weiteres Beispiel kann mindestens ein Teil der Fan-Schaufel und/oder des Luftleitblechs mindestens teilweise aus einem Metall, wie einem auf Titan basierenden Metall oder einem auf Aluminium basierenden Material (wie einer Aluminium-Lithium-Legierung) oder einem auf Stahl basierenden Material, hergestellt sein. Die Fan-Schaufel kann mindestens zwei Bereiche umfassen, die unter Verwendung unterschiedlicher Materialien hergestellt sind. Zum Beispiel kann die Fan-Schaufel eine schützende Anströmkante aufweisen, die unter Verwendung eines Materials hergestellt sein kann, das besser in der Lage ist, einem Aufprall (zum Beispiel von Vögeln, Eis oder anderem Material) zu widerstehen als der Rest der Laufschaufel. Eine derartige Anströmkante kann zum Beispiel unter Verwendung von Titan oder einer auf Titan basierenden Legierung hergestellt sein. Somit kann die Fan-Schaufel rein beispielhaft einen auf Kohlenstofffaser oder Aluminium basierenden Körper (wie eine Aluminium-Lithium-Legierung) mit einer Anströmkante aus Titan aufweisen.
Ein Fan, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, kann einen zentralen Abschnitt umfassen, von dem sich die Fan-Schaufeln, zum Beispiel in einer radialen Richtung, erstrecken können. Die Fan-Schaufeln können in jeder gewünschten Weise an dem zentralen Abschnitt befestigt sein. Zum Beispiel kann jede Fan-Schaufel eine Befestigung umfassen, die in einen entsprechenden Schlitz in der Nabe (oder Scheibe) eingreifen kann. Eine solche Befestigung kann rein beispielhaft 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 gebildet sein. Eine derartige Anordnung kann als Schaufelscheibe oder Schaufelring bezeichnet werden. Jedes geeignete Verfahren kann zur Herstellung einer solchen Schaufelscheibe oder eines solchen Schaufelrings verwendet werden. Zum Beispiel kann mindestens ein Teil der Fan-Schaufeln aus einem Block gefertigt sein und/oder kann mindestens ein Teil der Fan-Schaufeln 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 im Gebrauch 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, zum Beispiel 14, 16, 18, 20, 22, 24 oder 26 Fan-Schaufeln, aufweisen.
Wie hierin verwendet, haben Reiseflugbedingungen die herkömmliche Bedeutung und würden vom Fachmann leicht verstanden werden. Somit würde der Fachmann sofort erkennen, dass bei einem gegebenen Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug Reiseflugbedingungen den Arbeitspunkt des Triebwerks bei Reiseflugmitte einer gegebenen Mission (was in der Branche als die „wirtschaftliche Mission“ bezeichnet werden kann) eines Flugzeugs bedeuten, an dem das Gasturbinentriebwerk angebracht werden soll. In dieser Hinsicht ist die Reiseflugmitte 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, der einen Betrieb in einem stabilen Zustand (d. h. Aufrechterhaltung einer konstanten Höhe und konstanten Machzahl, Mn) bei Reiseflugmitte eines Flugzeugs, an dem es angebracht werden soll, unter Berücksichtigung der für dieses Flugzeug bereitgestellten 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 Betrieb in einem stabilen Zustand dieses Flugzeugs bei Reiseflugmitte erforderlich wäre.
Mit anderen Worten sind die Reiseflugbedingungen für ein gegebenes Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug als der Arbeitspunkt des Triebwerks definiert, der einen spezifizierten Schub (erforderlich, um - in Kombination mit jeglichen anderen Triebwerken am Flugzeug - einen Betrieb in einem stabilen Zustand des Flugzeugs, an dem es angebracht werden soll, bei einer gegebenen Reiseflugmitte-Machzahl bereitzustellen) unter Reiseflugmitte-Atmosphärenbedingungen (definiert durch die Internationale Standardatmosphäre gemäß ISO 2533 bei Reiseflughöhe) bereitstellt. Für jedes gegebene Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug sind der Schub bei Reiseflugmitte, die Atmosphärenbedingungen und die Machzahl bekannt, und somit ist der Arbeitspunkt des Triebwerks unter Reiseflugbedingungen klar definiert.
Rein beispielhaft 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, zum Beispiel unter Mach 0,7 oder über Mach 0,9, liegen.
Rein beispielhaft können die Reiseflugbedingungen 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 Fuß), 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 Fuß) 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 beispielhaft 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 Fuß (11.582 m) ein bekanntes erforderliches Schubniveau (zum Beispiel 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 Fuß (10.668 m) ein bekanntes erforderliches Schubniveau (zum Beispiel einen Wert im Bereich von 50 kN bis 65 kN) bereitstellt.
Im Gebrauch kann ein Gasturbinentriebwerk, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, unter den Reiseflugbedingungen arbeiten, die an anderer Stelle hierin definiert sind. Derartige Reiseflugbedingungen können durch die Reiseflugbedingungen (zum Beispiel die Reiseflugmitte-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 Gesichtspunkt wird ein Flugzeug umfassend ein Gasturbinentriebwerk, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, bereitgestellt. Das Flugzeug gemäß diesem Gesichtspunkt ist das Flugzeug, für das das Gasturbinentriebwerk zur Befestigung daran konzipiert wurde. Dementsprechend entsprechen die Reiseflugbedingungen gemäß diesem Gesichtspunkt der Streckenflugmitte des Flugzeugs, wie an anderer Stelle hierin definiert.
Gemäß einem Gesichtspunkt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinentriebwerks, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, bereitgestellt. Der Betrieb kann unter den Reiseflugbedingungen, wie hierin an anderer Stelle definiert, (zum Beispiel in Hinblick auf Schub, Atmosphärenbedingungen und Machzahl) erfolgen.
Gemäß einem Gesichtspunkt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Flugzeugs umfassend ein Gasturbinentriebwerk, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, bereitgestellt. Der Betrieb gemäß diesem Gesichtspunkt kann einen Betrieb bei Streckenflugmitte des Flugzeugs, wie an anderer Stelle hierin definiert, einschließen (oder ein solcher sein).
Der Fachmann wird verstehen, dass, außer im Falle des gegenseitigen Ausschlusses, ein Merkmal oder ein Parameter, das/der in Bezug auf einen der oben genannten Gesichtspunkte beschrieben ist, auf jeden anderen Gesichtspunkt angewendet werden kann. Außerdem kann, außer im Falle des gegenseitigen Ausschlusses, jedes hierin beschriebene Merkmal oder jeder hierin beschriebene Parameter auf einen beliebigen Gesichtspunkt angewendet werden und/oder mit irgendeinem anderen hierin beschriebenen Merkmal oder Parameter kombiniert werden.
Ausführungsformen werden nun nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, in denen:

1 eine Querschnittsseitenansicht eines Gasturbinentriebwerks ist;
2 eine Querschnittsseitenansicht eines stromaufwärtigen Abschnitts eines Gasturbinentriebwerks aus der Nähe ist;
3 eine teilweise aufgeschnittene Ansicht eines Getriebes für ein Gasturbinentriebwerk ist;
4 eine Querschnittsseitenansicht eines Gasturbinentriebwerks ist, die drei Lager auf der Kernwelle veranschaulicht;
5 eine schematische Seitenansicht eines Gasturbinentriebwerks ist, die die Haupt- und Nebenspannweiten zwischen den Lagern veranschaulicht;
6 Biegemoden der Kernwelle für zwei unterschiedliche Lagerkonfigurationen veranschaulicht;
7 eine schematische Seitenansicht eines Gasturbinentriebwerks ist, die eine alternative Lageranordnung zu der in 5 gezeigten veranschaulicht;
8 eine schematische Ansicht der Befestigung von zwei Lagern an einem hinteren Lagergehäuse ist;
9 eine schematische Ansicht der Befestigung von zwei Lagern an einem hinteren Lagergehäuse einer anderen Anordnung als der in 8 gezeigten ist;
10 ein Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinentriebwerks veranschaulicht;
11 die ersten vier Resonanzfrequenzen eines Trägers veranschaulicht;
12 eine Nahansicht des in 5 gezeigten Lagergehäuses ist;
13 eine perspektivische Ansicht einer ersten Lagertragstruktur ist;
14 eine Querschnittsansicht der in 13 gezeigten ersten Lagertragstruktur in einer Position innerhalb eines Lagergehäuses ist;
15A und 15B die Lagersteifigkeitsbestimmung veranschaulichen und insbesondere die Anlegung einer radialen Kraft und die daraus resultierende Verschiebung zeigen;
16 ein Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinentriebwerks, wie hierin beschrieben, veranschaulicht;
17 ein Graph der Verschiebung gegen Last ist, der einen elastischen Bereich veranschaulicht, innerhalb dessen Steifigkeiten von Komponenten bestimmt werden können;
18 ein Verfahren zum Auslegen eines Gasturbinentriebwerks, wie hierin beschrieben, veranschaulicht;
19 eine schematische Ansicht der in 9 gezeigten Befestigung von zwei Lagern ist, wobei die Lagerscheibenwinkel gekennzeichnet sind; und
20 eine schematische Ansicht einer anderen als der in 9 gezeigten Befestigung von zwei Lagern ist, wobei die entsprechenden Lagerscheibenwinkel gekennzeichnet sind.

1 veranschaulicht ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einer Hauptdrehachse 9. Das Triebwerk 10 umfasst einen Lufteinlass 12 und einen Antriebs-Fan 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 Verbrennungsausrüstung 16, eine Hochdruckturbine 17, eine Niederdruckturbine 19 und eine Kernauslassdüse 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 Kernwelle 26 und ein Umlaufrädergetriebe 30 an der Niederdruckturbine 19 angebracht und wird davon angetrieben.
Im Gebrauch wird der Kernluftstrom A beschleunigt und durch den Niederdruckverdichter 14 verdichtet und in den Hochdruckverdichter 15 geleitet, wo er weiter verdichtet wird. Die aus dem Hochdruckverdichter 15 ausgelassene verdichtete Luft wird in die Verbrennungsausrüstung 16 geleitet, wo sie mit Treibstoff gemischt wird und das Gemisch verbrannt wird. Die resultierenden heißen Verbrennungsprodukte dehnen sich dann durch die Hochdruck- und die Niederdruckturbine 17, 19 aus und treiben diese dadurch an, bevor sie durch die Düse 20 ausgelassen 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 Vortrieb schubs bereit. Das Umlaufrädergetriebe 30 ist ein Untersetzungsgetriebe.
Eine beispielhafte Anordnung für ein Getriebefan-Gasturbinentriebwerk 10 ist in 2 gezeigt. Die Niederdruckturbine 19 (siehe 1) treibt die Kernwelle 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 feststehenden Struktur 24 gekoppelt ist.
Es ist zu beachten, dass die Begriffe „Niederdruckturbine“ und „Niederdruckverdichter“, wie hierin verwendet, 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, die durch die Verbindungswelle mit der niedrigsten Drehzahl im Triebwerk verbunden sind (d. h. nicht einschließlich der Getriebeabtriebswelle, die den Fan 23 antreibt), bedeuten. 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 Druckverdichtungsstufe bezeichnet werden.
Das Umlaufrädergetriebe 30 ist in 3 beispielhaft detaillierter gezeigt. Jedes von dem Sonnenrad 28, den Planetenrädern 32 und dem Hohlrad 38 umfasst Zähne an seinem Umfang, um mit den anderen Zahnrädern in Eingriff zu treten. Aus Gründen der Klarheit sind in 3 jedoch nur beispielhafte Abschnitte der Zähne veranschaulicht. Es sind vier Planetenräder 32 veranschaulicht, obwohl es für den Fachmann offensichtlich ist, dass innerhalb des Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung mehr oder weniger Planetenräder 32 bereitgestellt sein können. Praktische Anwendungen eines Planetenumlaufrädergetriebes 30 umfassen im Allgemeinen mindestens drei Planetenräder 32.
Das beispielhaft in den 2 und 3 veranschaulichte Umlaufrädergetriebe 30 ist vom Planetentyp, da der Planetenträger 34 über Gestänge 36 mit einer Abtriebswelle 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 (oder der Zahnkranz) 38 drehen kann. In einer solchen 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. Rein beispielhaft 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 die Gestänge 36, 40 in dem Beispiel von 2) zwischen dem Getriebe 30 und anderen Teilen des Triebwerks 10 (wie der Antriebswelle (Kernwelle 26), der Abtriebswelle 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 (zum Beispiel zwischen der Antriebs- und der Abtriebswelle des Getriebes und den feststehenden Strukturen, wie dem Getriebegehäuse) verwendet werden, und die Offenbarung ist nicht auf die beispielhafte Anordnung von 2 beschränkt. Wenn zum Beispiel das Getriebe 30 eine Sternanordnung aufweist (oben beschrieben), würde der Fachmann leicht verstehen, dass die Anordnung von Abtrieb und Stützgestängen und Lagerpositionen üblicherweise von der in 2 beispielhaft gezeigten Anordnung abweichen würde.
Dementsprechend erstreckt sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk mit einer beliebigen Anordnung von Getriebetypen (zum Beispiel Stern- oder Planetengetriebe), Stützstrukturen, Antriebs- und Abtriebswellenanordnung 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. Zum Beispiel 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 der Strom durch den Bypass-Kanal 22 seine eigene Düse 18 aufweist, die von der Kerntriebwerksdüse 20 getrennt und radial außerhalb dieser angeordnet ist. Jedoch ist dies nicht einschränkend, und jeder Gesichtspunkt der vorliegenden Offenbarung kann auch auf Triebwerke angewendet werden, in denen der Strom durch den Bypass-Kanal 22 und der Strom 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 (egal, ob Misch- oder geteilte Strömung) können eine feste oder variable Fläche aufweisen. Während sich das beschriebene Beispiel auf ein Turbofan-Triebwerk bezieht, kann die Offenbarung zum Beispiel auf jeden Typ von Gasturbinentriebwerk, wie zum Beispiel einen offenen Rotor (bei dem die Fan-Stufe nicht von einer Gondel umgeben ist) oder ein Turboprop-Triebwerk, angewendet werden. In einigen Anordnungen kann das Gasturbinentriebwerk 10 kein Getriebe 30 umfassen.
Die Geometrie des Gasturbinentriebwerks 10 und von 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.
In den beschriebenen Ausführungsformen ist das Triebwerk 10 ein Getriebegasturbinentriebwerk mit einem Getriebe 30.
Der Fan 23 ist über die Kernwelle 26 und ein Umlaufrädergetriebe 30 an der Niederdruckturbine 19 angebracht und wird davon angetrieben. Die Kernwelle 26 wird von drei Lagern 26a, 26b, 26c getragen, wobei die drei Lager ein vorderes Lager 26a und zwei hintere Lager 26b, 26c umfassen. In alternativen Ausführungsformen können mehr Lager 26a-c bereitgestellt werden. Das vordere Lager 26a kann als das erste Lager, das vorderste 26b der beiden hinteren Lager 26b, 26c als das zweite Lager und das hinterste 26c der beiden hinteren Lager 26b, 26c als das dritte Lager bezeichnet werden.
Das vordere Lager 26a ist das Positionslager 26a für die Kernwelle 26; d. h., es ist das Lager auf der Kernwelle, das angeordnet ist, um sowohl eine axiale Bewegung der Kernwelle 26 als auch eine radiale Bewegung zu begrenzen, wodurch die Kernwelle axial positioniert wird. Das vordere Lager 26a ist an der feststehenden Struktur befestigt, um die Kernwelle 26 axial zu positionieren. Der Fachmann würde erkennen, dass das Vorhandensein von mehreren Positionslagern auf einer einzigen Welle bewirken kann, dass sich die Welle schädlich biegt oder bei der Ausdehnung im Gebrauch anderweitig verformt und dass die Verwendung eines einzigen Positionslagers pro Welle daher im Allgemeinen bevorzugt ist.
In der beschriebenen Ausführungsform ist das vordere Lager 26a das Kernwellenlager 26a, das der Vorderseite des Triebwerks 10 am nächsten ist. In alternativen Ausführungsformen können ein oder mehrere andere Lager, z. B. Wälzlager, auf der Kernwelle 26 vor dem vorderen Lager 26a vorhanden sein, wobei jedoch alle derartigen Lager keine Positionslager sind - d. h., während sie ein radiales Positionieren der Kernwelle 26 unterstützen können, kann sich die Kernwelle bezogen auf diese Lager axial bewegen.
In den beschriebenen Ausführungsformen ist das vordere Lager 26a das Kernwellenlager 26a, das dem Triebwerk 30 am nächsten und hinter diesem ist. Das vordere Lager 26a ist axial eben mit oder nahe dem Ausgang aus dem Verdichter 14 in der beschriebenen Ausführungsform. In alternativen Ausführungsformen kann das vordere Lager 26a vor dem Getriebe 30 angeordnet sein, wobei jedoch die Nähe des vorderen Lagers 26a zu einem Wälzlager des Fans 23 die Komplexität erhöhen kann.
Das vordere Lager 26a ist an der feststehenden Struktur montiert.
Die hinteren Lager 26b, 26c sind die nächsten beiden Kernwellenlager hinter dem vorderen Lager 26a. In der beschriebenen Ausführungsform sind die hinteren Lager 26b, 26c die Kernwellenlager am nächsten zur Rückseite des Triebwerks 10. In alternativen Ausführungsformen kann ein zusätzliches Lager hinter diesen Lagern angeordnet sein.
In der in 4 gezeigten Ausführungsform sind beide hinteren Lager 26b, 26c am hinteren Lagergehäuse 29 montiert. Das hintere Lagergehäuse 29 ist eine Struktur, die so angeordnet ist, dass sie sich in Bezug auf die feststehende Struktur nicht dreht und die Lager 26b, 26c der Kernwelle 26 trägt. Das hintere Lagergehäuse 29 umfasst zwei Lagerscheiben 29a, 29b. Jede Scheibe 29a, 29b ist angeordnet, um eine der beiden hinteren Lager 26b, 26c zu tragen.
In der in 4 gezeigten Ausführungsform ist das hinterste Lager 26c der beiden hinteren Lager 26b, 26c axial eben mit oder nahe dem Ausgang aus der Niederdruckturbine 19 angeordnet. Genauer ist das hinterste Lager 26c mindestens im Wesentlichen axial eben mit einem hintersten Rotor/Rotor mit dem niedrigsten Druck der Niederdruckturbine 19 in der beschriebenen Ausführungsform.
In verschiedenen alternativen Ausführungsformen, wie den in 5 bis 7 gezeigten, können eines oder beide der beiden hinteren Lager 26b, 26c axial stromabwärts der Anströmkante des Satzes von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck 19d der Niederdruckturbine 19 an der Wurzel der Laufschaufel bereitgestellt sein.
In Ausführungsformen, wie den in 1 und 4 gezeigten, kann die Niederdruckturbine 19 drei Stufen aufweisen; d. h. drei Sätze von Rotorschaufeln 19a, 19b, 19c. Jeder Satz von Rotorschaufeln weist eine entsprechende axiale Position entlang der Triebwerksachse 9 auf und ist von der axialen Position der anderen Sätze versetzt. Der stromaufwärtigste oder axial vorderste Satz von Laufschaufeln ist der Satz von Laufschaufeln mit dem höchsten Druck der Niederdruckturbine 19 und kann als der erste Satz von Laufschaufeln bezeichnet werden. Der stromabwärtigste oder axial hinterste Satz von Laufschaufeln ist der Satz von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck der Niederdruckturbine 19 und kann als der letzte oder in diesen Ausführungsformen dritte Satz von Laufschaufeln bezeichnet werden. Der mittlere Satz von Laufschaufeln 19b der drei Sätze kann als der zweite Satz von Laufschaufeln bezeichnet werden.
In Ausführungsformen, wie den in 5 und 6 gezeigten, kann die Niederdruckturbine 19 vier Stufen aufweisen; d. h. vier Sätze von Rotorschaufeln 19a, 19b, 19c, 19d. Der stromaufwärtigste oder axial vorderste Satz von Laufschaufeln ist der Satz von Laufschaufeln mit dem höchsten Druck der Niederdruckturbine 19 und kann als der erste Satz von Laufschaufeln 19a bezeichnet werden. Der stromabwärtigste oder axial hinterste Satz von Laufschaufeln 19d ist der Satz von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck der Niederdruckturbine 19 und kann als der letzte oder in diesen Ausführungsformen vierte Satz von Laufschaufeln bezeichnet werden. Die mittleren Sätze von Laufschaufeln 19b, 19c der vier Sätze können als der zweite bzw. der dritte Satz von Laufschaufeln bezeichnet werden.
In alternativen Ausführungsformen kann die Turbine 19 weniger als drei oder mehr als vier Sätze von Laufschaufeln aufweisen, zum Beispiel zwei Sätze oder fünf Sätze aufweisen.
Eine Länge der Niederdruckturbine 19 kann als der Abstand zwischen einer Anströmkante einer Laufschaufel 19a des ersten Satzes von Laufschaufeln der Niederdruckturbine und einer Abströmkante einer Laufschaufel 19c/19d des letzten Satzes von Laufschaufeln der Niederdruckturbine definiert sein. Ein Gehäuse der Niederdruckturbine 19 kann sich über die Spanne zwischen der ersten Laufschaufel (mit dem höchsten Druck) und der letzten Laufschaufel (mit dem niedrigsten Druck) hinaus erstrecken.
In verschiedenen Ausführungsformen, in denen die beiden hinteren Lager 26b, 26c axial stromabwärts der Anströmkante der Laufschaufel mit dem niedrigsten Druck 19b, 19d der Niederdruckturbine 19 an der Wurzel der Laufschaufel bereitgestellt sind, können das Längenverhältnis (wie unten beschrieben) und/oder die Kernwellenlaufdrehzahl innerhalb der an anderer Stelle hierin detaillierten Bereiche definiert sein oder nicht. In solchen Ausführungsformen können die beiden hinteren Lager 26b, 26c axial stromabwärts der Mittellinie einer Scheibe, die die Turbinenschaufel mit dem niedrigsten Druck 19d der Niederdruckturbine 19 trägt, bereitgestellt sein, wie in 12 veranschaulicht. In solchen Ausführungsformen kann die Länge, L, der Kernwelle im Bereich von 1800 bis 2900 mm, optional 2300 bis 2800 mm und ferner optional 2400 bis 2750 mm sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Niederdruckturbine 19 eine vierstufige Turbine 19 sein, die vier Sätze 19a-d von Rotorblättern aufweist, zum Beispiel wie oben in Bezug auf 5 und 6 beschrieben. Der vorderste Satz von Rotorblättern 19a kann als der erste Satz und der hinterste 19d als der vierte Satz definiert sein. Die beiden hinteren Lager 26b, 26c können axial stromabwärts der Abströmkante einer Niederdruckturbinenschaufel des dritten Satzes 19c an ihrer Wurzel bereitgestellt sein. Eine oder beide der beiden hinteren Lager 26b, 26c kann in solchen Ausführungsformen axial stromaufwärts der Anströmkante der Turbinenschaufel mit dem niedrigsten Druck 19d (eine Laufschaufel des vierten Satzes) der Niederdruckturbine 19 an der Wurzel der Laufschaufel bereitgestellt sein. Der Druck nimmt über die Niederdruckturbine 19 ab - der erste Satz von Laufschaufeln 19a kann daher als der Satz von Laufschaufeln mit dem höchsten Druck der Niederdruckturbine 19 und der vierte Satz von Laufschaufeln als die Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck beschrieben werden.
In verschiedenen solchen Ausführungsformen können das Längenverhältnis und/oder die Kernwellenlaufdrehzahl innerhalb der an anderer Stelle hierin detaillierten Bereiche sein oder nicht. In solchen Ausführungsformen kann die Länge, L, der Kernwelle im Bereich von 1800 bis 2900 mm, optional 2300 bis 2800 mm und ferner optional 2400 bis 2750 mm sein.
In der Niederdruckturbine 19 sind die Turbinenschaufeln 19a-d innerhalb jedes Satzes identisch ausgelegt (innerhalb der Herstellungstoleranzen). Laufschaufeln können sich zum Beispiel in Größe und/oder Form zwischen verschiedenen Sätzen unterscheiden. Jede Laufschaufel innerhalb eines Satzes 19d weist eine Masse, m, und einen Turbinenschaufelradius an der mittleren Höhe, r, auf. Im Allgemeinen befinden sich die schwereren und größeren Laufschaufeln in den Sätzen zur Rückseite der Turbine hin. Die Turbinenschaufeln weisen jeweils eine Position an der mittleren Höhe auf, an der der Radius an der mittleren Höhe gemessen wird. Die Position an der mittleren Höhe befindet sich auf halbem Weg zwischen einem radial innersten Punkt und einem radial äußersten Punkt an der Anströmkante der Laufschaufel. Der Turbinenschaufelradius an der mittleren Höhe wird in einer radialen Richtung zwischen einer axialen Mittellinie 9 des Triebwerks 10 und der Position an der mittleren Höhe gemessen.
Jede Laufschaufel 19a-d weist auch eine maximale Winkelgeschwindigkeit, ω, auf, die auch als eine maximale Abhebedrehzahl (MTO-Drehzahl) bezeichnet werden kann. Die MTO-Drehzahl kann die maximale Winkelgeschwindigkeit sein, bei der die Welle zum Drehen ausgelegt ist. ω kann zwischen 5000 und 9000 U/min, optional im Bereich von 5000 bis 8000 U/min oder von 5000 bis 7000 U/min und optional ungefähr 5500, 6000 (d. h. ungefähr 630 Radian pro Sekunde) oder 6500 U/min sein.
Ein Wert, Y, kann wie folgt definiert sein: $Y = m r ω^{2}$
Y kann Einheiten von kg.m.rad².s^-2 haben. In einigen Ausführungsformen ist der Wert von Y für den Satz von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck 19b (für eine dreistufige Turbine), 19d (für eine vierstufige Turbine) der Niederdruckturbine 19 im Bereich von 45000 bis 100000 kg.m.rad².s^-2, optional im Bereich von 50000 bis 100000 kg.m.rad².s^-2, optional im Bereich von 55000 bis 100000 kg.m.rad².s^-2 und ferner optional im Bereich von 60000 bis 100000 kg.m.rad².s^-2. In solchen Ausführungsformen kann die Masse, m, jeder Laufschaufel des letzten Satzes im Bereich von 0,2 kg bis 0,6 kg sein und kann optional ungefähr 0,4 kg sein. Der Radius, r, jeder Laufschaufel des letzten Satzes an der mittleren Höhe kann im Bereich von 400 mm bis 600 mm sein und kann optional ungefähr 500 mm (0,5 m) sein.
Der Wert von Y kann derart angesehen werden, dass er ein Maß für die Größe der Zentripetalkraft (F_c) bereitstellt, die auf die Laufschaufel wirkt, wenn diese sich mit der MTO-Drehzahl dreht: $F_{c} = m a_{c} = \frac{m v^{2}}{r} = m w^{2} r$
wobei a_c die Zentripetalbeschleunigung ist und v die Lineargeschwindigkeit ist, die gleich ωr ist.
Der Fachmann würde erkennen, dass eine höhere Zentripetalkraft (Fe), die auf die Laufschaufel wirkt, die Gefahr eines Laufschaufelabsprengereignisses für diese Laufschaufel erhöhen kann.
Die kurze Spannweite, S, ist der Abstand zwischen den beiden hintersten Lagern und kann im Bereich von 250 mm bis 350 mm, optional im Bereich von 275 mm bis 325 mm und ferner optional ungefähr 300 mm sein.
Ein erstes Laufschaufel-Lager-Verhältnis kann definiert sein als: $\frac{d i e k u r z e n S p a n n w e i t e, S}{\begin{matrix} Y f \ddot{u} r d e n S a t z v o n L a u f s c h a u f e l n m i t d e m n i e d r i g s t e n D r u c k 19 c,19 d d e r \\ N i e d e r d r u c k t u r b i n e 19 \end{matrix}}$
Das erste Laufschaufel-Lager-Verhältnis kann im Bereich von 2,0 x10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s² und optional im Bereich von 3,0 ×10^-6 bis 4,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s² sein. Der Wert dieses Verhältnisses kann kleiner als der für herkömmliche Triebwerke sein, weil die kurze Spannweite, S, im Vergleich zu dem Wert von Y kleiner ist. Der Fachmann würde erkennen, dass das Erhöhen der Winkelgeschwindigkeit im Reiseflug den Wirkungsgrad des Triebwerks verbessern kann und dass die MTO-Drehzahl ein Maß für eine maximale Drehzahl und daraus folgend eine maximale Kraft (angegeben durch Y), die von einem Triebwerk 10 verfügbar ist, bereitstellt. Der Erfinder hat jedoch erkannt, dass das Triebwerk 10 nicht linear mit einem Kraftanstieg (wobei Y ein Maß der Kraft bereitstellt) vergrößert werden sollte, sondern dass stattdessen die kurze Spannweite so wenig wie möglich erhöht werden sollte, um die Länge und das Gewicht des Triebwerks relativ zu reduzieren, um es zu ermöglichen, dass Effizienzgewinne durch Vermeiden des zusätzlichen Gewichts erhöht werden, und um die Entwicklung von unerwünschten Wirbelmoden innerhalb der kurzen Spannweite zu vermeiden. Während nach herkömmlichem Wissen eine größere kurze Spannweite wünschenswert ist, um die Reaktion von Kräften von der Niederdruckturbine 19 zu verbessern, hat der Erfinder festgestellt, dass die Gefahr des Einführens von Wirbelmoden und die Einführung von mehr Länge und Gewicht die Kraftreaktionsvorteile ausgleichen.
In alternativen oder zusätzlichen Ausführungsformen kann ein zweites Laufschaufel-Lager-Verhältnis definiert sein als: $\frac{d i e k u r z e n S p a n n w e i t e, S}{m r (\begin{matrix} f \ddot{u} r d e n S a t z v o n L a u f s c h a u f e l n m i t d e m n i e d r i g s t e n D r u c k 19 c,19 d d e r \\ N i e d e r d r u c k t u r b i n e 19 \end{matrix})}$
Der Wert der Laufschaufelmasse, m, multipliziert mit dem Laufschaufelradius, r, kann im Bereich von 180 bis 280 kg sein.mm Die kurze Spannweite, S, d. h. der Abstand zwischen den beiden hintersten Lagern, kann im Bereich von 250 mm bis 350 mm sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die kurze Spannweite größer oder gleich einem von 250 mm, 255 mm, 260 mm und 265 mm sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die kurze Spannweite kleiner oder gleich einem von 350 mm, 345 mm, 340 mm oder 335 mm sein. Das zweite Laufschaufel-Lager-Verhältnis kann im Bereich von 0,8 bis 6,0 kg^-1 und optional im Bereich von 0,9 bis 3,9 kg^-1 und ferner optional im Bereich von 1,2 bis 2,6 kg^-1 sein. In solchen Ausführungsformen kann das Übersetzungsverhältnis des Getriebes 30 größer als 3 und optional im Bereich von 3,1 bis 3,8 sein.
In solchen Ausführungsformen kann die Laufdrehzahl des Triebwerks 10/der Kernwelle 26 im Bereich von 5400 bis 5700 U/min (d. h. ungefähr 565 bis 597 Radian pro Sekunde) und optional von 5500 bis 5600 U/min im Reiseflug sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Kernwellenlaufdrehzahl 26 im Bereich von 5800 bis 6200 U/min und optional von 5900 bis 6100 U/min bei MTO sein.
In solchen Ausführungsformen kann die Länge, L, der Kernwelle 26 im Bereich von 1800 bis 2900 mm, optional 2000 bis 2900 mm, ferner optional 2300 bis 2800 mm und ferner optional 2400 bis 2750 mm sein.
Insbesondere sind in der in 5 und 6 gezeigten Ausführungsform beide hinteren Lager 26b, 26c am hinteren Lagergehäuse 29 montiert. Das hintere Lagergehäuse 29 ist axial hinter der Niederdruckturbine 19 angeordnet. Zwei Lagerscheiben 29a, 29b erstrecken sich von dem hinteren Lagergehäuse 29. Während die vorderste Lagerscheibe 29a des Lagergehäuses 29 dieser Ausführungsform vor dem hinteren Lagergehäuse 29 abgewinkelt ist und sich zu dem Gehäuse der Niederdruckturbine 19 hin und, in diesem Fall, innerhalb dessen erstreckt, ist das vorderste Lager 26b der hinteren Lager, das an der vordersten Lagerscheibe 29a montiert ist, dennoch axial hinter der Anströmkante der Turbinenschaufel mit dem niedrigsten Druck der Niederdruckturbine 19 an der Wurzel der Laufschaufel angeordnet. Das hinterste Lager 26c der hinteren Lager, das an der hintersten Lagerscheibe 29b montiert ist, ist axial hinter der Niederdruckturbine 19 angeordnet.
In der in 7 gezeigten Ausführungsform weist das hintere Lagergehäuse 29 nur eine Lagerscheibe 29c auf, die sich davon erstreckt. Die einzelne Lagerscheibe 29c ist in einer ähnlichen Position angeordnet und weist eine ähnliche Form wie die vorderste Lagerscheibe 29a der in 5 und 6 gezeigten Ausführungsform auf, trägt aber in diesem Fall das hinterste Lager 26c der hinteren Lager, wodurch dieses Lager 26c axial hinter der Anströmkante der Turbinenschaufel mit dem niedrigsten Druck der Niederdruckturbine 19 gehalten wird. Das vorderste Lager 26b der hinteren Lager ist an einem vorderen Lagergehäuse 31 anstelle an dem hinteren Lagergehäuse 29 montiert. Das vordere Lagergehäuse 31 weist eine einzelne Lagerscheibe 31a auf, die so angeordnet ist, dass sie das vorderste 26b der hinteren Lager trägt. Das vorderste 26b der hinteren Lager ist in dieser Ausführungsform vor und benachbart zu der Niederdruckturbine 19 angeordnet. Das vorderste 26b der hinteren Lager wird in dieser Ausführungsform axial eben mit einem Teil der Niederdruckturbine 19 und genauer axial eben mit der Anströmkante der Turbinenschaufel mit dem höchsten Druck der Niederdruckturbine 19 gehalten. Die Kernwelle 26 kann in solchen Ausführungsformen mit nur einem hinteren Lager 26c hinter der Anströmkante der Turbinenschaufel mit dem niedrigsten Druck der Niederdruckturbine 19 insgesamt kürzer sein, weil die Kernwelle 26 sich möglicherweise nicht so weit hinter der Niederdruckturbine 19 erstreckt, weil die kurze Spannweite, S, mindestens teilweise axial eben mit der Niederdruckturbine 19 angeordnet ist, und nicht streng hinter der Niederdruckturbine 19 (genauer, der Anströmkante der Turbinenschaufel mit dem niedrigsten Druck der Niederdruckturbine 19).
Eine Länge, L, der Kernwelle 26 kann zwischen dem vorderen Lager 26a und dem hintersten hinteren Lager 26c definiert sein, wie in 5 und 6 gekennzeichnet (d. h. zwischen dem ersten und dem dritten Lager). Diese Länge, L, kann als eine lange Spannweite der Kernwelle 26 oder eine Zwischenlagerlänge der Kernwelle 26 bezeichnet werden. In der beschriebenen Ausführungsform ist die Länge, L, der Kernwelle 26 im Bereich 1800 bis 2900, genauer im Bereich 2300 bis 2800 mm und noch genauer im Bereich 2400 bis 2750 mm.
Die kurze Spannweite, S, der Kernwelle 26 kann als der Abstand zwischen den hinteren Lagern 26b, 26c (d. h. zwischen dem zweiten und dem dritten Lager auf der Kernwelle 26) definiert sein.
Die kurze Spannweite, S, ist gleich der Länge, L, der Kernwelle 26 minus dem Abstand, D, zwischen dem vorderen Lager 26a und dem ersten hinteren Lager 26b (d. h. minus dem Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Lager auf der Kernwelle 26).
Ein Längenverhältnis der Kernwelle kann definiert sein als: $\frac{k u r z e S p a n n w e i t e (S)}{K e r n w e l l e n l \ddot{a} n g e (L)}$
In verschiedenen Ausführungsformen sind die Lager 26a-26c derart angeordnet, dass das Längenverhältnis der kurzen Spannweite der Kernwellenlänge im Bereich von 0,08 bis 0,14 und optional im Bereich von 0,08 bis 0,13 ist. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Kernwelle 26 jedes geeignete Längenverhältnis aufweisen, zum Beispiel im Bereich von 0,09 bis 0,13 oder 0,10 bis 0,12 oder zum Beispiel in der Größenordnung von oder mindestens 0,08, 0,09, 0,10, 0,11, 0,12, 0,13 oder 0,14. Das Kernwellenlängenverhältnis kann zum Beispiel zwischen beliebigen zwei der Werte in dem vorherigen Satz liegen.
Der Erfinder hat erkannt, dass das Verhältnis des Abstands zwischen den hinteren beiden Lagern 26b, 26c zu der Wellenlänge, L, ein wesentlicher Parameter beim Steuern des rotordynamischen Verhaltens der Kernwelle 26 sein kann.
Der Wert dieses Längenverhältnisses für Triebwerke 10 von verschiedenen Ausführungsformen kann im Vergleich zu bisherigen Triebwerken relativ niedrig sein.
Wenn das Triebwerk 10 größer wird, wird die Kernwelle 26 länger - jedoch kann ein Erhöhen des Abstands, S, zwischen den beiden hinteren Lagern 26b-c (die kurze Spannweite) linear mit der Zunahme der Wellenlänge, L, zu schädlichen Effekten führen. Sobald die kurze Spannweite, S, eine bestimmte Länge erreicht, hat das Verlängern dieses Abstands in Bezug auf Auswirkungen auf den Abschnitt der Kernwelle 26, der zwischen dem ersten 26a und dem zweiten 26b Lager angeordnet ist, und/oder in Bezug auf die Reaktion auf die Momente der Lagerscheiben 29a-b, 31a möglicherweise keine Nutzwirkung. Wenn infolgedessen dieser Abstand, S, linear mit der Kernwellenlänge, L, erhöht wird, kann die kurze Spannweite lange genug werden, um Wirbelmoden (wie unten in Bezug auf 11 beschrieben) zwischen dem zweiten und dem dritten Lager 26b innerhalb des Triebwerkslaufbereichs aufzuweisen, wodurch die unerwünschte Bewegung potentiell verschlimmert wird.
Zusätzlich oder alternativ dazu kann ein relativ großes hinteres Lagergehäuse (Tail Bearing Housing, TBH) 29 verwendet werden, um die breitere kurze Spannweite, S, zwischen den Lagern 26b, 26c aufzunehmen, wie in 8 gezeigt. Ein größeres TBH 29 kann dem Triebwerk 10 unerwünschtes Gewicht und/oder unerwünschte Masse hinzufügen. Alternativ oder zusätzlich dazu können die Lagerscheiben 29a, 29b breiter abgewinkelt sein, um die breitere kurze Spannweite zwischen den Lagern 26b, 26c aufzunehmen, wie in 9 gezeigt. Das Abwinkeln der Lagerscheiben 29a, 29b weiter weg von einer Richtung senkrecht zu der Triebwerksachse 9/parallel zu einem Radius kann von einem strukturellen Standpunkt aus eine suboptimale Lösung sein - zum Beispiel kann das Moment der Lagerscheiben nicht so gut wie in der in 8 gezeigten Ausführungsform umgesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann eines der Lager 29a, 29b an einer anderen Lagerstruktur 31 anstelle des TBH 29 angeordnet sein.
In verschiedenen Ausführungsformen können die Lagerscheiben 29a,b, 31a, egal ob sie an dem TBH 29 oder an einer separaten Lagerstruktur 31 angeordnet sind, mindestens im Wesentlichen senkrecht zu der Triebwerksachse 9 ausgerichtet sein, zum Beispiel einen Winkel (Θ) zu einem Radius des Triebwerks 10 von zwischen 0° und 20° und optional zwischen 0° und 15° (d. h. einen Winkel zu der Achse 9 des Triebwerks von zwischen 90° und 70° und optional zwischen 90° und 75°) aufweisen.
In Ausführungsformen, wie der in 9 und 19 gezeigten, erstrecken sich die Lagerscheiben 29a, 29b jeweils nach innen zu der Triebwerksachse 9 hin von dem Rest des TBH 29 in einem mindestens im Wesentlichen konstanten Winkel (die Lagerscheiben 29a, 29b können zum Beispiel eine massive Scheibe oder eine Reihe von umfänglich beabstandeten Streben um die Achse, die sich zwischen inneren und äußeren Ringen erstrecken, umfassen). Ein Winkel, Θ₁ Θ₂, kann daher zwischen der Scheibe 29a, 29b und einer radialen Richtung definiert sein. In anderen Ausführungsformen, wie den in 20 gezeigten, kann eine Lagerscheibe 29a, 29b zwei oder mehr Abschnitte umfassen, die sich in verschiedenen Winkeln erstrecken (wie nur beispielhaft mit drei Abschnitten für die vorderste Lagerscheibe 29a und zwei Abschnitten der hinteren Lagerscheibe 29b in 20 gezeigt). In solchen Fällen ist der ausgewählte Winkel der für den Abschnitt mit der längsten radialen Erstreckung, wie für die zwei in 20 gezeigten Beispiele gekennzeichnet. In Ausführungsformen, in denen es keinen einzelnen Abschnitt mit einer größeren radialen Erstreckung als dem/den anderen Abschnitt(en) gibt, kann stattdessen ein durchschnittlicher Winkel über die zwei oder mehr Abschnitte mit der größten radialen Erstreckung genommen werden.
In den beschriebenen Ausführungsformen weist die Kernwelle 26 einen Laufdrehzahlbereich mit einer unteren Grenze von 1500 U/min (z. B. bei Bodenleerlauf) und einer oberen Grenze von 6200 U/min (z. B. bei maximalem Abheben - MTO) auf. Insbesondere liegt die Kernwellenlaufdrehzahl in verschiedenen Ausführungsformen im Reiseflug innerhalb des Bereichs 5400 bis 5700 U/min und optional im Bereich 5500 bis 5600 U/min. Bei MTO kann die Kernwellenlaufdrehzahl im Bereich 5800 bis 6200 U/min und optional im Bereich 5900 bis 6100 U/min liegen. Der Laufdrehzahlbereich im Reiseflug für ein bestimmtes Flugzeug ist allgemein weit unter einer maximalen Nenndrehzahl für die Kernwelle 26 dieses Flugzeugs (der MTO-Drehzahl). Das Triebwerk 10 kann während des normalen Betriebs für relativ kurze Zeitdauern - z. B. fünf oder zehn Minuten - innerhalb des MTO-Laufdrehzahlbereichs arbeiten.
6 veranschaulicht die versteifende Wirkung auf die Kernwelle 26, die durch die Anordnung der Lager 26a-26c, wie hierin beschrieben, und insbesondere die Verwendung von zwei hinteren Lagern 26b, 26c erhalten wird. Die Positionierung der Lager ist ausgewählt, um die Wirbelmoden des Triebwerks 10 zu steuern oder deren Steuerung zu unterstützen.
Insbesondere kann die Randbedingung an der Kernwelle 26 an der Stelle des zweiten Lagers 26b (des vordersten hinteren Lagers) durch die Verlängerung der Kernwelle 26 über das zweite Lager 26b hinaus zu dem dritten Lager 26c (dem hintersten hinteren Lager) geändert werden. Dies kann die Randbedingung an dem zweiten Lager 26b von einer einfach gestützten/festgelegten Randbedingung zu einer freitragenden Randbedingung ändern, wodurch die Form der Kernwelle 26, wenn sich diese biegt, beeinflusst wird. Diese Wirkung ist unmittelbar links von dem zweiten Lager 26b, wie in 6 gezeigt, am deutlichsten ersichtlich - in der oberen Konfiguration mit zwei Lagern (festgelegt-festgelegt-Randbedingungen) ist der Winkel der Kernwelle an dem zweiten Lager 26b steiler als in der unteren Konfiguration mit drei Lagern (festgelegt-freitragend-Randbedingungen), in der die Welle 26 beim Eintreten in das zweite Lager 26b näher zu der Horizontalen ist.
In der Rotordynamik ist die kritische Drehzahl die theoretische Winkelgeschwindigkeit, die die Eigenfrequenz eines sich drehenden Objekts, wie einer Welle (wie der Kernwelle 26), anregt. Wirbelmoden höherer Frequenz können ebenfalls induziert werden (zum Beispiel bei der doppelten Eigen-/Resonanzfrequenz). Triebwerke 10 der beschriebenen Ausführungsformen können dafür anfällig sein, Wirbelmoden (Resonanzfrequenzen) innerhalb oder in der Nähe des Triebwerkslaufbereichs aufzuweisen, was eine unerwünschte und potentiell schädliche Bewegung der Kernwelle 26 verursachen kann, wie in 6 veranschaulicht ist. Diese Übereinstimmung von Wirbelmoden mit dem Triebwerkslaufbereich kann ein Ergebnis der längeren Kernwelle 26 des größeren Triebwerks 10 sein.
Während der Durchmesser und/oder die Dicke der Kernwelle 26 geändert werden könnten, um die Steifigkeit zu erhöhen und die Wirbelmoden dadurch aus dem Triebwerkslaufbereich zu schieben, können die resultierende Zunahme der Größe und/oder des Gewichts und/oder Anstoßeffekte auf andere Komponenten die Durchführbarkeit dieser Option beseitigen oder reduzieren. Zum Beispiel kann der Kernwellendurchmesser durch andere Triebwerkskomponenten, die radial nach außen von der Kernwelle 26 angeordnet sind, beschränkt sein (zum Beispiel befindet sich die Kernwelle 26 radial nach innen in Bezug auf die Verbindungswelle 27, die die zweite (Hochdruck-)Turbine 17 mit dem zweiten (Hochdruck-)Verdichter 15 in den beschriebenen Ausführungsformen verbindet).
In den beschriebenen Ausführungsformen treibt die Niederdruckturbine 19 einen Niederdruckverdichter 14 direkt an und treibt einen Fan 23 indirekt über ein Untersetzungsgetriebe 30 an. Ein System mit einem höheren Druck 15, 17, umfassend einen Hochdruckverdichter 15 und eine Hochdruckturbine 17 sowie eine Verbindungswelle 27 dazwischen, ist zwischen dem Niederdruckverdichter 14 und der Niederdruckturbine 19 angeordnet. Die Kernwelle 26 ist daher länger als die Verbindungswelle 27, da sie sich über die volle Länge des Systems mit einem höheren Druck 15, 17 und die zusätzliche Länge des Niederdrucksystems 14, 19 erstreckt.
Die relativ lange Länge, L, der Kernwelle 26 reduziert im Vergleich zu bisherigen Triebwerksarchitekturen die Eigenfrequenz der Kernwelle, wodurch die Eigenfrequenz innerhalb der Betriebsdrehzahl des Triebwerks 10 gehalten wird, da die Eigenfrequenz umgekehrt proportional zu der langen Spannweite (Kernwellenlänge L) ist.
Eigenfrequenzen bestehen in verschiedenen Moden (die Wirbelmoden genannt werden können), wie in 11 veranschaulicht. Eine primäre Resonanz (Mode 1) weist insgesamt zwei Knoten (nicht bewegliche Punkte) auf, eine an jedem beschränkten Ende (die Lager 26a, 26b auf der Welle 26). Eine sekundäre Resonanz (Mode 2) weist einen zusätzlichen Knoten in der Mitte auf (insgesamt drei Knoten). Eine dritte Resonanzmode (Mode 3) weist vier Knoten auf, und eine vierte Resonanzmode (Mode 4) weist fünf Knoten auf usw. Die Knoten sind gleichmäßig entlang der Spannweite der Welle 26 zwischen den beschränkten Enden 26a, 26b beabstandet. Die Amplitude nimmt mit zunehmender Modenzahl ab - die maximale Amplitude der Mode-1-Resonanz ist größer als die der Mode-2-Resonanz usw. Die primäre Resonanz kann daher am schädlichsten sein, weil sie die maximale radiale Verschiebung der Welle 26 verursacht. Das Vermeiden von Betriebsdrehzahlen, die wahrscheinlich die primäre Resonanz auslösen - durch Verschieben der primären Resonanz aus dem Betriebsdrehzahlbereich - kann daher von besonderem Interesse sein.
Die Beziehung von Eigenfrequenz eines einfach gestützten (festgelegten) Trägers zu der Länge des Trägers ist gegeben durch: $f_{n} = \frac{K_{n}}{2 π} \sqrt{\frac{E I g}{w l^{4}}}$
wobei:

n die Modennummer ist (wobei die Mode 1 Knoten nur an jedem festgelegten Ende aufweist, wie in 6 veranschaulicht, die Mode 2 einen zusätzlichen Knoten an dem Mittelpunkt zwischen den Enden aufweist usw.);
f_n die Frequenz der n. Mode (die Resonanzfrequenz), gemessen in Hz, ist;
K_n ein von der Größenordnung der Mode, n, und auch von den anwendbaren Randbedingungen abhängiger dimensionsloser Faktor ist und für verschiedene Randbedingungen abgeleitet werden kann, wie zum Beispiel detailliert in „Roark's Formulas or Stress and Strain‟, Warren C. Young und Richard G. Budynas, siebte Auflage.
E das Elastizitätsmodul des Trägers (N/m²) ist;
I das Flächenträgheitsmoment des Trägers (m⁴) ist;
g die Beschleunigung aufgrund von Schwerkraft (m/s²) ist;
l die Länge des Trägers zwischen den festgelegten Enden (m) ist; und
w die Last pro Einheitslänge auf der Kernwelle (N/m) ist.

Die Knotenpositionen (abhängig von der Länge des Trägers, l und Werte von K_n für die ersten fünf Moden können wie in Tabelle 1 tabellarisch dargestellt sein. Die Daten in Tabelle 1 sind für einen Träger, bei dem beide Enden festgelegt sind (die Randbedingungen), und K_n ist daher gleich (nπ)². Zum Beispiel ist, für die zweite Mode, n=2 und K_n=(2π)²=39,5 (auf drei signifikante Ziffern). Tabelle 1:

Mode K_n Knotenposition/l

1 9,87 0,0 1,00

2 39,5 0,0 0,50 1,00

3 88,8 0,0 0,33 0,67 1,00

4 158 0,0 0,25 0,50 0,75 1,00

5 247 0,0 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
Die Biegesteifigkeit der Kernwelle 26 ist abhängig von sowohl der Materialeigenschaft als auch dem Flächenträgheitsmoment, I (geometrisch). Das Flächenträgheitsmoment für eine rohrförmige Struktur, wie die Kernwelle 26, ist: $I = \frac{π}{4} (r_{2}^{4} - r_{1}^{4})$
wobei r₁ und r₂ die inneren bzw. äußeren Radien des Rohres sind.
Um die Frequenz zu erhöhen, schließen die verfügbaren Optionen das Verwenden eines steiferen Materials für die Welle 26, das Verringern der Länge, L, der Welle 26 oder das Vergrößern des Wellendurchmessers ein. Der Durchmesser und die Wellenlänge sind durch eine quadratische Funktion mit der Frequenz verknüpft und haben daher den größten Einfluss auf eine Änderung einer vorgegebenen Größe. Jedoch ist der Durchmesser durch einen Mangel an verfügbarem Raum innerhalb des Triebwerks 10 beschränkt.
Das Bereitstellen eines zweiten hinteren Lagers 26c modifiziert die Randbedingungen, um einen Freiträger nachzuahmen, wie oben erwähnt - diese Änderung der Randbedingung hat eine versteifende Wirkung auf die Welle 26, wodurch ihre Eigenfrequenz erhöht wird. Die Änderung der Randbedingung spiegelt sich in einer Änderung von K_n wider, wie in Tabelle 2 gezeigt. Insbesondere weist der Träger nun nur ein festgelegtes Ende (einfach gestützt) auf, und das andere ist feststehend, sodass $K_{n} = π^{2} {(n + \frac{1}{4})}^{2}$

In dem Beispiel von n=2, K_n ist daher (2,25)²π²=50,0 (auf drei signifikante Ziffern). Tabelle 2

Mode	K_n	Knotenposition/l
1	15,4	0,0	1,000
2	50,0	0,0	0,557	1,000
3	104	0,0	0,386	0,692	1,000
4	178	0,0	0,295	0,529	0,765	1,000
5	272	0,0	0,239	0,428	0,619	0,810	1,000

Unter der Annahme, dass alle Parameter außer K_n Konstanten sind, ist ersichtlich, dass eine einfache Änderung der Randbedingung die erste Eigenfrequenz um über 50 % erhöhen könnte.
Die relative Positionierung der Kernwellenlager 26a-c kann daher verwendet werden, um die versteifende Wirkung abzustimmen, um die Resonanzfrequenzen zu steuern.
Ein Verhältnis zwischen kurzer Spannweite und Turbinenlänge kann definiert sein als: $\frac{k u r z e S p a n n w e i t e, S}{T u r b i n e n l \ddot{a} n g e}$
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Verhältnis zwischen kurzer Spannweite und Turbinenlänge gleich oder kleiner als 1,05, optional im Bereich von 0,85 bis 1,05 und ferner optional von 0,85 bis 0,95 sein.
In solchen Ausführungsformen können das Längenverhältnis und/oder die Kernwellenlaufdrehzahl innerhalb der an anderer Stelle hierin detaillierten Bereiche sein oder nicht. In ähnlicher Weise können die hinteren zwei Lager 26b, 26c hinter verschiedenen Laufschaufeln der Turbine 19 angeordnet sein oder nicht, wie an anderer Stelle hierin detailliert. Der Fachmann wird erkennen, dass verschiedene unterschiedliche Ansätze zum Steuern oder Modifizieren von Schwingungsmoden hierin offenbart sind und dass diese Ansätze einzeln oder in einer beliebigen geeigneten Kombination verwendet werden können.
In verschiedenen zusätzlichen oder alternativen Ausführungsformen kann das Triebwerk 10 eine Kernwelle 26 mit einer Länge (L) zwischen dem vordersten und dem hintersten Lager 26a, 26c im Bereich von 1800 bis 2900 mm oder 2750 mm und einem axialen Abstand (kurze Spannweite, S) zwischen den beiden hinteren Lagern 26b, 26c im Bereich von 250 mm bis 350 mm aufweisen, sodass keine Eigenfrequenz der Kernwelle 26 mit nur zwei Knoten (einer an jedem Ende der Spannweite zwischen dem ersten und dem zweiten Lager 26a, 26b - eine Mode-1-Frequenz oder primäre Resonanz, wie in Tabellen 1 und 2 oben gezeigt) innerhalb des Betriebsbereichs des Triebwerks 10 besteht.
In solchen Ausführungsformen:

• kann die Kernwelle 26 einen Laufdrehzahlbereich mit einer unteren Grenze von 1500 U/min und einer oberen Grenze von 6200 U/min aufweisen und/oder
• kann der Fan 23 einen Fan-Durchmesser im Bereich von 330 cm bis 380 cm (130 bis 150") aufweisen und kann das Getriebe 30 ein Übersetzungsverhältnis zwischen 3,1 und 3,8 aufweisen.

Die Kernwellenlänge, L, und der Abstand, S, zwischen den beiden hinteren Lagern 26b, 26c und die Laufdrehzahl können daher derart ausgewählt sein, dass die Kernwelle 26 keine primäre Resonanzmode zwischen dem ersten 26a und dem zweiten 26b Lager innerhalb des Triebwerkslaufbereichs aufweist. Ein Fan-Durchmesser des Fans 23 des Triebwerks 10 kann derart ausgewählt sein, dass er für eine gewünschte Laufdrehzahl geeignet ist - der Fan-Durchmesser kann daher derart ausgewählt sein, dass eine geeignete Laufdrehzahl für den Fan keine primäre Resonanzmode der Kernwelle 26 zwischen dem ersten 26a und dem zweiten 26b Lager innerhalb des Triebwerkslaufbereichs verursacht.
Der Fachmann würde erkennen, dass eine Mode-1-Resonanz (eine primäre Resonanz) nur zwei Knoten aufweist, wohingegen eine Mode-2-Frequenz einen zusätzlichen zentralen Knoten und eine kleinere maximale Amplitude, A, aufweist.
Wenn ein Triebwerk 10 vor der Herstellung ausgelegt 3000 wird, hat der Konstrukteur einen größeren Spielraum für das Einstellen von Triebwerksparametern. Ein Auslegungsverfahren 3000 kann ein Auswählen 3002 von Positionen für das vordere Lager 26a und das vorderste Lager 26b der hinteren Lager 26b, 26c umfassen - zum Beispiel ein Auswählen der Stelle von jedem basierend auf dem Abstand dazwischen (z. B. von 1450 bis 2500 mm) und von Positionen anderer Triebwerkskomponenten. Das Verfahren 3000 kann ferner ein Erhöhen (oder Verringern) 3004 der Länge der Kernwelle 26 hinter dem vordersten Lager 26b der hinteren Lager 26b, 26c umfassen, um eine geeignete Wellenlänge bereitzustellen, damit die kurze Spannweite (d. h. der Abstand zwischen den beiden hinteren Lagern 26b, 26c) in einem geeigneten Bereich (z. B. von 250 mm bis 350 mm) liegt, sodass keine primäre Resonanz der Kernwelle 26 innerhalb des Laufdrehzahlbereichs der Kernwelle 26 besteht. Das hinterste Lager 26c der beiden hinteren Lager (das dritte Lager in der beschriebenen Ausführungsform) kann an dem hinteren Ende der Kernwelle 26 oder benachbart zu dem Ende der Kernwelle 26 angeordnet sein.
In verschiedenen solchen Ausführungsformen kann die Kernwelle 26/das Triebwerk 10 einen Laufdrehzahlbereich im Reiseflug von 5400 bis 5700 U/min und optional 5500 bis 5600 U/min aufweisen.
In verschiedenen solchen Ausführungsformen kann die Kernwelle 26/das Triebwerk 10 einen Laufdrehzahlbereich bei MTO von 5800 bis 6200 U/min und optional 5900 bis 6100 U/min aufweisen.
In verschiedenen solchen Ausführungsformen kann die Kernwelle 26 eine Länge, L, von 1800 bis 2900 mm, optional 2300 bis 2800 mm und ferner optional 2400 bis 2750 mm aufweisen.
In verschiedenen Ausführungsformen wird die Lagersteifigkeit an dem vordersten 26b der beiden hinteren Lager 26b, 26c gesteuert. Die Steuerung der Steifigkeit kann die Handhabung von Schwingungsmoden ermöglichen oder erleichtern.
Das vordere der beiden hinteren Lager 26b (das auch als das zweite Lager bezeichnet werden kann) weist eine Lagersteifigkeit im Bereich von 30 kN/mm bis 100 kN/mm und optional ungefähr 50 kN/mm durch eine Federstange (wie unten beschrieben) auf.
Die Steifigkeit des zweiten Lagers 26b ist teilweise durch den Triebwerkszustand bestimmt. Je niedriger die Erregung an diesem Lager 26b ist, desto niedriger ist die bereitgestellte Steifigkeit, aber je höher die Erregung ist, desto höher ist die Steifigkeit und desto höher ist auch die Dämpfung. Die Lagersteifigkeit ist ein variabler Parameter in Abhängigkeit von dem Triebwerkszustand und kann zum Beispiel innerhalb des oben aufgeführten Bereichs während des normalen Betriebs eines Flugzeugs variieren.
Das vorderste hintere Lager 26b umfasst einen äußeren Ring 51, der die Kernwelle 26 umgibt; der Ring 51 kann als ein Laufring bezeichnet werden und kann Kugellager 52 oder dergleichen sowie Öl, das angeordnet ist, um den Laufring im Gebrauch zu schmieren, enthalten. Ein innerer Ring 53 (oder Laufring), radial nach innen von dem äußeren Ring 51, kann dazu dienen, die Kugellager 52 innerhalb des zwischen den Laufringen 51, 53 gebildeten Kanals zu halten.
Der äußere Laufring 51 dieses hinteren Lagers 26b ist mittels einer oder mehrerer Lagertragstrukturen 50, 55 an der stationären Tragstruktur 24 des Triebwerks montiert. In der beschriebenen Ausführungsform sind zwei Lagertragstrukturen 50, 55 vorhanden. Die Lagertragstrukturen 50, 55 können zusammen eine Lagerscheibe 29a bilden, wie schematisch durch einen Vergleich der 12 und 14 gezeigt. Die Lagertragstrukturen 50, 55 der beschriebenen Ausführungsform sind jeweils mit dem gleichen hinteren Lagergehäuse 29 verbunden. In der beschriebenen Ausführungsform bildet das hintere Lagergehäuse 29 einen Teil der stationären Tragstruktur des Triebwerks 10. Die Scheibe 29a (umfassend die Komponententragstrukturen 50 und 55) erstreckt sich von dem hinteren Lagergehäuse 29 zu dem Lager 26b. In der beschriebenen Ausführungsform ist die erste Lagertragstruktur 50 an der stationären Tragstruktur 24 des Triebwerks 10 an einer ersten Position 58a montiert. Die erste Position 24a befindet sich in der beschriebenen Ausführungsform axial hinter dem Lager 26b. Die erste Lagertragstruktur 50 stellt den äußeren Laufring 51 in der beschriebenen Ausführungsform bereit; insbesondere ist der äußere Laufring 51 einstückig mit der ersten Lagertragstruktur 50 gebildet, wie in 13 gezeigt. In alternativen Ausführungsformen kann der äußere Laufring 51 getrennt von der ersten Lagertragstruktur 50 und auf dieser montiert sein.
In der beschriebenen Ausführungsform umfasst die erste Lagertragstruktur 50 eine Vielzahl von Verbindungselementen 57, die umfänglich um die Triebwerksachse 9 beabstandet sind und den äußeren Laufring 51 mit einer stationären Tragstruktur 58 verbinden. Die Verbindungselemente 57 erstrecken sich axial entlang eines Abschnitts des Triebwerks 10.
Zum Beispiel können in einigen Ausführungsformen zwanzig oder vierzig gleichmäßig beabstandete Verbindungselemente 57 vorhanden sein - die Anzahl und/oder die Abstände können in anderen Ausführungsformen variieren. Das eine oder die mehreren Verbindungselemente können sich zwischen dem äußeren Laufring des Lagers 26b, 26c und einem Lagergehäuse 29, 31 erstrecken. Das Lagergehäuse 29, 31 kann starr mit der stationären Tragstruktur 58 verbunden sein, wodurch es ein Teil der Tragstruktur 58 wird.
Das oder jedes Verbindungselement 57 kann eine Metallstange oder -strebe umfassen und kann als eine Federstange bezeichnet werden. Das oder jedes Verbindungselement 57 kann angeordnet sein, um dem Lager 26b, 26c eine gewisse Flexibilität bereitzustellen, wodurch eine gewisse radiale und/oder axiale Bewegung im Gebrauch (z. B. durch Ausdehnung) ermöglicht wird. Die Flexibilität der ersten Lagertragstruktur 50 kann daher als Federstangensteifigkeit bezeichnet werden.
In der beschriebenen Ausführungsform ist die zweite Lagertragstruktur 55 an der stationären Tragstruktur 58 des Triebwerks 10 an einer zweiten Position 58b montiert. In der beschriebenen Ausführungsform befindet sich die erste 58a und die zweite 58b Position an der stationären Tragstruktur 58 jeweils an einem Abschnitt eines hinteren Lagergehäuses 29 der stationären Struktur 58.
Die zweite Position 58b ist axial hinter dem (vordersten hinteren) Lager 26b, jedoch axial vor der ersten Position 58a an der stationären Tragstruktur 58 in der beschriebenen Ausführungsform und ist sowohl von dem Lager 26b als auch von der ersten Position 58a radial nach außen gerichtet. In dieser Ausführungsform ist die zweite Lagertragstruktur 55 zwischen einer radial äußeren Oberfläche der ersten Lagertragstruktur 50 und der stationären Tragstruktur 58 verbunden, wie in 14 gezeigt - in anderen Ausführungsformen kann die Verbindung verschieden sein. In der beschriebenen Ausführungsform weist die zweite Lagertragstruktur 55 eine relativ hohe Steifigkeit (im Vergleich zu der ersten Lagertragstruktur 50) auf und stellt daher einen vernachlässigbaren Beitrag zur Flexibilität des Lagers 26b bereit. Sie kann als faktisch starr angesehen werden.
Ein Quetschfilmdämpfer 56 ist zwischen der ersten Lagertragstruktur 50 und der zweiten Lagertragstruktur 55 im Bereich des äußeren Laufrings 51 bereitgestellt. In der beschriebenen Ausführungsform ist ein Kanal 56a, begrenzt durch erhöhte Lippen, um den Außenumfang der ersten Lagertragstruktur 50 bereitgestellt, um den Quetschfilmdämpfer 56 aufzunehmen und um O-Ring-Dichtungen (nicht gezeigt; axial beabstandet, um an jedem Ende des Kanals 56a zu liegen) zu positionieren. In alternativen Ausführungsformen können kein solcher Kanal und keine solchen Lippen bereitgestellt sein und/oder können ein Kanal und Lippen stattdessen oder auch an der zweiten Lagertragstruktur 55 bereitgestellt sein und kann der Quetschfilmdämpfer 56 (in einigen Fällen vollständig) durch O-Ring-Dichtungen oder dergleichen umfasst sein. Dieser Film ist zusätzlich zu der hydrodynamischen Ölschicht zwischen dem Lager 52 und der Kernwelle 26 angeordnet (d. h., die Kugellager 52 oder dergleichen sind häufig durch eine Schicht aus Öl geschmiert - der Quetschfilmdämpfer 56 ist eine von den Kugellagern 52 getrennte Schicht).
Der Quetschfilmdämpfer 56 umfasst eine Filmschicht, in der Regel eine Schicht aus Öl oder einem anderen Schmiermittel, zwischen dem Lager 26b und dem Gehäuse 30. Der Quetschfilmdämpfer 56 ist angeordnet, um die Lagerstütze weich zu machen, um die Dämpfungseffektivität zu erhöhen. Die Steifigkeit des Quetschfilmdämpfers 56 hängt im Allgemeinen von der Temperatur und von der Wellendrehrate ab. Der Fachmann würde erkennen, dass jede Exzentrizität bei der Drehung des Lagers 26b durch den Quetschfilmdämpfer 56 gedämpft werden kann. Der Quetschfilmdämpfer 56 kann eine gewisse strukturelle Isolierung der Tragstruktur 58 von der Kernwelle 26 bereitstellen, kann die Amplituden von Rotorreaktionen auf ein Ungleichgewicht reduzieren und kann die Unterdrückung einer rotordynamischen Instabilität unterstützen. Diese Dämpfung kann von besonderer Nützlichkeit sein, wenn ein Laufschaufelsatz eine ungleichmäßige Massenverteilung aufweist (z. B. aufgrund einer Beschädigung im Gebrauch oder eines Herstellungsfehlers) oder wenn ein unerwünschtes Ereignis während der Herstellung, der Wartung oder des Betriebs einen Laufschaufelsatz aus der radialen Ausrichtung verschiebt, sodass er in Bezug auf die Triebwerksachse 9 leicht geneigt ist.
Der Erfinder hat erkannt, dass die Gesamtlagersteifigkeit als drei Teile aufweisend angesehen werden kann, die als Federn betrachtet werden können, die zum Beispiel parallel oder in einer Kombination aus in Reihe und parallel (je nach Komponentenanordnungen) angeordnet sind, nämlich:

• die Steifigkeit einer Schicht aus Öl in dem Lager (die Quetschfilmdämpferfluidsteifigkeit);
• die Steifigkeit der Lagerstütze 50 (im Allgemeinen am meisten durch die Steifigkeit des Verbindungselements 57 beeinflusst - diese kann als Federstangensteifigkeit bezeichnet werden) und
• die Steifigkeit der stationären Tragstruktur 29, 58, an der das Lager montiert ist.

Die stationäre Tragstruktur 58 weist eine viel höhere Steifigkeit als die anderen beiden Beiträge zur Lagersteifigkeit auf, sodass sie als faktisch starr behandelt wird. Eine Flexibilität in der stationären Tragstruktur 58 kann nur unter extremen Bedingungen, wie Laufschaufelabsprengereignissen, offensichtlich werden. Die Steifigkeit der Ölschicht variiert deutlich in Abhängigkeit von der Wellendrehrate und der Temperatur, aber bei Reiseflugdrehzahlen und darüber ist die Ölsteifigkeit viel höher als die Federstangensteifigkeit des Lagers. Die Steifigkeit jedes Lagers wird daher in Bezug auf seine Federstangensteifigkeit betrachtet.
Die Federstangensteifigkeit eines Lagers 26b ist als eine radiale Steifigkeit definiert - d. h., es wird eine lineare Biegung, δ, entlang eines Radius des Triebwerks 10 gemessen, wobei die Biegung durch eine Kraft, F, verursacht wird. Dies ist in 15A und 15B veranschaulicht. Die diagonale Schraffur veranschaulicht, dass die stationäre Struktur 58 als starr/unbeweglich angesehen wird.
15A veranschaulicht die Lagertragstruktur 50, 56, 55 (wobei die Kernwelle 26, der innere Laufring 53 und die Kugellager 52 aus Gründen der Klarheit ausgeschlossen sind), wobei ein Abschnitt eines Radius, r, des Triebwerks 10 mit einer gestrichelten Linie gekennzeichnet ist. Die gekennzeichnete Radiallinie befindet sich am axialen Mittelpunkt des Lagerrings 51. Eine Kraft, F, ist entlang des Radius, r, in einer radial nach außen gerichteten Richtung (d. h. von der axialen Mittellinie weg) gezeigt. 15B zeigt die Ausgangsposition der ersten Lagertragstruktur 50 (vor dem Anlegen der Kraft, F) in einer gestrichelten Linie und eine Endposition der ersten Lagertragstruktur 50 (beim Anlegen der Kraft, F) in einer durchgezogenen Linie. Der Fachmann würde erkennen, dass die gezeigte Biegung viel größer ist, als sie im normalen Betrieb erwartet würde, und nur zum leichteren Verständnis bereitgestellt ist. Außerdem sollte die erste Lagertragstruktur 50 nach dem Entfernen der Kraft, F, während des normalen Betriebs wieder in ihre Ausgangspostion zurückkehren. Eine Verschiebung oder Biegung, δ, wird dann entlang des Radius, r, an dem axialen Mittelpunkt des Lagerrings 51 gemessen. Zwei schwarze Punkte veranschaulichen die Position der Innenoberfläche der ersten Lagertragstruktur 50 vor und bei dem Anlegen der Kraft, F. Die Verschiebung, δ, ist der Abstand zwischen diesen Punkten. Die Innenoberfläche der ersten Lagertragstruktur 50 ist nur zur Erleichterung der Demonstration ausgewählt - der Fachmann würde erkennen, dass stattdessen ein anderer Punkt - wie die radial äußere Oberfläche oder ein radialer Mittelpunkt der ersten Lagertragstruktur 50 oder dergleichen - ausgewählt werden könnte. Die Verschiebung spiegelt die Kombination aus Komprimierung des Quetschfilmdämpfers 56, Biegen der ersten Lagertragstruktur 50 (und insbesondere der Federstangen 57) und einem Biegen der zweiten Lagertragstruktur 55 wider. Die Lagersteifigkeit ist daher ein Maß für die radiale Verschiebung, die durch das Anlegen einer Radialkraft an dem axialen Mittelpunkt des Lagers 26b verursacht wird.
In der beschriebenen Ausführungsform verursacht eine Kraft, F, von 50 kN eine Biegung, δ, von 1 mm, wenn sie an das vorderste Lager 26b der beiden hinteren Lager 26b, 26c angelegt wird, sodass die Steifigkeit dieses Lagers 26b, wie hierin definiert, 50 kN/mm ist. Die Lagersteifigkeiten können zwischen den beiden hinteren Lagern 26b, 26c und zwischen Ausführungsformen variieren.
Das vorderste Lager der hinteren Lager 26b weist daher eine Lagersteifigkeit im Bereich von 30 kN/mm bis 100 kN/mm in der beschriebenen Ausführungsform auf.
Ein Steifigkeitsverhältnis an dem vordersten hinteren Lager 26b (d. h. dem zweiten Lager entlang der Kernwelle in der beschriebenen Ausführungsform) kann definiert sein als: $\frac{d i e L a g e r s t e i f i g k e i t a n d e m v o r d e s t e n h i n t e r e n L a g e r (26 b)}{d i e k u r z e S p a n n w e i t e (S)}$
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Steifigkeitsverhältnis im Bereich von 0,08 bis 0,5 kN/mm² und optional im Bereich von 0,09 bis 0,40 kN/mm² liegen. Optional kann das Steifigkeitsverhältnis mindestens im Wesentlichen gleich 0,25, 0,30 oder 0,35 kN/mm² sein. 10 veranschaulicht ein Verfahren 1000, das durchgeführt werden kann, das Verfahren 1000 umfassend ein Starten 1002 eines Triebwerks 10 eines Flugzeugs und ein Erreichen von Reiseflugbedingungen und ein Betreiben 1004 des Flugzeugs unter Reiseflugbedingungen.
Das Triebwerk 10 kann einen Laufdrehzahlbereich im Reiseflug von 5400 bis 5700 U/min und optional von 5500 bis 5600 U/min aufweisen.
Das Triebwerk 10 kann derart betrieben werden, dass keine primäre Resonanzmode zwischen dem ersten 26a und dem zweiten 26b Lager unter Reiseflugbedingungen besteht.
Das Triebwerk 10 kann derart betrieben werden, dass keine primäre Resonanzmode zwischen dem ersten 26a und dem zweiten 26b Lager an einer beliebigen Stelle innerhalb des Triebwerkslaufbereichs (einschließlich sowohl MTO als auch Reiseflug) besteht.
Die hierin definierten Längen, sofern nichts anderes angegeben ist, sind für die entsprechende(n) Komponente(n), wenn das Triebwerk aus ist (d. h. bei null Drehzahl/im Prüfstand, bei Raumtemperatur). Diese Werte variieren über den Betriebsbereich des Triebwerks im Allgemeinen nicht signifikant (z. B. mit nur wenigen mm Ausdehnung der Wellenlänge bei Betriebstemperatur oder weniger); der Wert unter Reiseflugbedingungen des Flugzeugs, an dem das Triebwerk angebracht ist (wobei diese Reiseflugbedingungen wie an anderer Stelle hierin definiert sind), kann daher der gleiche sein wie für den Fall, wenn das Triebwerk nicht in Gebrauch ist. Wo jedoch die Länge über den Betriebsbereich des Triebwerks variiert, sind die hierin definierten Werte so zu verstehen, dass sie Längen dafür sind, wenn sich das Triebwerk bei Raumtemperatur befindet und nicht bewegt.
Im Gegensatz dazu ist die Lagersteifigkeit unter Reiseflugbedingungen/wobei sich die Welle mit einer geeigneten Drehzahl für den Reiseflug dreht, definiert, weil die Ölschichtsteifigkeit drehzahlabhängig ist und zur Lagersteifigkeit beiträgt.
17 veranschaulicht, wie die hierin definierten Lagersteifigkeiten gemessen werden können. 17 zeigt ein Diagramm der Verschiebung δ, die aus dem Anlegen einer Last L (z. B. einer Kraft, eines Moments oder eines Drehmoments) an eine beliebige Komponente, für die die Steifigkeit gemessen wird, resultiert. Bei Lastniveaus von null bis Lp besteht ein nicht-linearer Bereich, in dem eine Verschiebung durch eine Bewegung der Komponente (oder eine relative Bewegung separater Teile der Komponente), während sie belastet wird, anstatt einer Verformung der Komponente verursacht wird; zum Beispiel ein Bewegen innerhalb des Spiels zwischen Teilen. Für ein Lager 26b ist die Menge der Verschiebung, die in diesem nicht-linearen Bereich möglich ist, wahrscheinlich sehr klein. Bei Lastniveaus oberhalb von L_Q wurde die Elastizitätsgrenze der Komponente überschritten und verursacht die angelegte Last keine elastische Verformung mehr - stattdessen kann eine plastische Verformung oder ein Versagen der Komponente auftreten. Zwischen den Punkten P und Q weisen die angelegte Last und die resultierende Verschiebung eine lineare Beziehung auf. Die hierin definierten Steifigkeiten können durch Messen des Gradienten des linearen Bereichs zwischen den Punkten P und Q bestimmt werden (wobei die Steifigkeit die Umkehrung dieses Gradienten ist). Der Gradient kann für einen so großen Bereich des linearen Bereichs wie möglich gefunden werden, um die Genauigkeit der Messung durch Bereitstellen einer größeren zu messenden Verschiebung zu erhöhen. Zum Beispiel kann der Gradient gefunden werden, indem eine Last angelegt wird, die gleich oder kaum größer als Lp und gleich oder kaum kleiner als L_Q ist. Die Werte für Lp und L_Q können vor dem Testen basierend auf Materialeigenschaften geschätzt werden, um geeignete Lasten anzulegen.
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. Außer im Falle des gegenseitigen Ausschlusses kann jedes der Merkmale getrennt oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden, und die Offenbarung erstreckt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen von einem oder mehreren hierin beschriebenen Merkmalen und schließt diese ein.

Claims

Gasturbinentriebwerk (10) für ein Flugzeug, umfassend: einen Triebwerkskern (11), umfassend eine Turbine (19), einen Verdichter (14) und eine Kernwelle (26), die die Turbine (19) mit dem Verdichter verbindet, und wobei die Turbine (19) die Turbine mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks (10) ist, die Kernwelle (26) eine Laufdrehzahl im Bereich von 1500 U/min bis 6200 U/min aufweist und der Verdichter (14) der Verdichter mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks (10) ist; einen Fan (23), der stromaufwärts des Triebwerkskerns (11) angeordnet ist, wobei der Fan eine Vielzahl von Fan-Schaufeln umfasst; und ein Getriebe (30), das einen Antrieb von der Kernwelle (26) aufnimmt und einen Abtrieb an den Fan (23) ausgibt, um den Fan mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle (26) anzutreiben, und wobei der Triebwerkskern (11) ferner drei Lager (26a-c) umfasst, die zum Tragen der Kernwelle (26) angeordnet sind, wobei die drei Lager ein vorderes Lager (26a) und zwei hintere Lager (26b, 26c) umfassen, wobei die Kernwelle (26) eine Länge zwischen dem vorderen Lager (26a) und dem hintersten hinteren Lager (26c) im Bereich von 1800 mm bis 2900 mm und eine kurze Spannweite zwischen den beiden hinteren Lagern (26b, 26c) im Bereich von 250 mm bis 350 mm aufweist, sodass keine primäre Resonanz der Kernwelle (26) zwischen dem vorderen Lager (26a) und den vordersten hinteren Lagern (26b) innerhalb des Laufdrehzahlbereichs der Kernwelle (26) besteht.
Gasturbinentriebwerk (10) nach Anspruch 1, wobei die untere Grenze von 1500 U/min bei der Kernwellenlaufdrehzahl die minimale Laufdrehzahl unter Bodenleerlaufbedingungen ist und die obere Grenze von 6200 U/min bei der Kernwellenlaufdrehzahl die obere Grenze bei der maximalen Abhebelaufdrehzahl ist.
Gasturbinentriebwerk (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Fan (23) einen Fan-Durchmesser im Bereich von 330 cm bis 380 cm aufweist und das Getriebe (30) ein Übersetzungsverhältnis im Bereich von 3,1 bis 3,8 aufweist.
Gasturbinentriebwerk (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Turbine (19) eine Turbinenlänge aufweist, die zwischen der Anströmkante ihrer stromaufwärtigsten Laufschaufeln (19a) und einer Abströmkante ihrer stromabwärtigsten Laufschaufeln (19c, 19d) definiert ist, und wobei ein Verhältnis zwischen kurzer Spannweite und Turbinenlänge von: $\frac{k u r z e S p a n n w e i t e}{T u r b i n e n l \ddot{a} n g e}$
gleich oder kleiner als 1,05 und optional im Bereich von 0,85 bis 0,95 ist.
Gasturbinentriebwerk (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die hinteren Lager (26b, 26c) angeordnet sind, axial eben mit oder hinter: (i) einer Anströmkante einer (stromabwärtigsten) Turbinenschaufel mit dem niedrigsten Druck (19c, 19d) der Turbine (19) an der Wurzel der Laufschaufel; und/oder (ii) einer Abströmkante einer Turbinenschaufel eines dritten Satzes (19c) von Turbinenschaufeln von der Vorderseite der Turbine (19) an der Wurzel der Laufschaufel, wobei die Turbine (19) vier Sätze von Turbinenschaufeln (19a-19d) umfasst und wobei optional die Turbine (19) insgesamt vier Sätze von Turbinenschaufeln (19a-d) umfasst.
Gasturbinentriebwerk (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Länge der Kernwelle (26) im Bereich von 2000 bis 2900 mm oder 2750 mm, optional im Bereich von 2300 bis 2750 mm und ferner optional im Bereich von 2400 bis 2750 mm ist.
Gasturbinentriebwerk (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Längenverhältnis der kurzen Spannweite zwischen den beiden hinteren Lagern (26b, 26c) zu der Kernwellenlänge gleich oder kleiner als 0,14 und optional im Bereich von 0,08 bis 0,13 ist.
Gasturbinentriebwerk (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das vorderste Lager der hinteren Lager (26b) eine Lagersteifigkeit im Bereich von 30 kN/mm bis 100 kN/mm aufweist; und wobei optional ein Steifigkeitsverhältnis der Lagersteifigkeit an dem vordersten hinteren Lager (26b) zu dem Abstand zwischen den beiden hinteren Lagern (26b, 26c) im Bereich von 0,08 bis 0,5 kN/mm² ist.
Gasturbinentriebwerk (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Turbine mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks (10) einen Satz von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck (19c, 19d) aufweist, wobei jede Laufschaufel des Satzes von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck (19c, 19d) eine Masse, m, einen Radius an der mittleren Höhe der Laufschaufel, r, und eine Winkelgeschwindigkeit im Reiseflug, ω, aufweist; wobei eine kurze Spannweite, S, als der axiale Abstand zwischen den beiden hinteren Lagern (26b, 26c) definiert ist und wobei ein erstes Laufschaufel-Lager-Verhältnis von: $\frac{d e r k u r z e n S p a n n w e i t e (S)}{m r ω^{2} (f \ddot{u} r e i n e L a u f s c h a u f e l d e s S a t z e s m i t d e m n i e d r i g s t e n D r u c k 19 c,19 d)}$
einen Wert im Bereich von 2,0 ×10^-6 bis 7,5 ×10^-6 kg^-1.rad^-2.s² aufweist.
Gasturbinentriebwerk (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Turbine mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks (10) einen Satz von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck (19c, 19d) aufweist, wobei jede Laufschaufel des Satzes von Laufschaufeln mit dem niedrigsten Druck (19c, 19d) eine Masse, m, einen Radius an der mittleren Höhe der Laufschaufel, r, aufweist; wobei eine kurze Spannweite (S) als der axiale Abstand zwischen den beiden hinteren Lagern (26b, 26c) definiert ist und wobei ein zweites Laufschaufel-Lager-Verhältnis von: $\frac{d e r k u r z e n S p a n n w e i t e (S)}{m \times r (f \ddot{u} r e i n e L a u f s c h a u f e l d e s S a t z e s m i t d e m n i e d r i g s t e n D r u c k 19 c,19 d)}$
einen Wert im Bereich von 0,8 bis 6,0 kg^-1 aufweist.
Gasturbinentriebwerk (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend ein hinteres Lagergehäuse (29), das hinter der Turbine (19) angeordnet ist und zwei Lagerscheiben (29a, 29b) umfasst, wobei jede Lagerscheibe angeordnet ist, um eines der beiden hinteren Lager (26b, 26c) zu tragen; und wobei optional die Lagerscheiben mindestens im Wesentlichen senkrecht zu der Triebwerksachse (9) ausgerichtet sind.
Gasturbinentriebwerk (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei: die Turbine eine erste Turbine (19) ist, der Verdichter ein erster Verdichter (14) ist und die Kernwelle eine erste Kernwelle (26) ist; der Triebwerkskern ferner eine zweite Turbine (17), einen zweiten Verdichter (15) und eine Verbindungswelle (27), die die zweite Turbine mit dem zweiten Verdichter verbindet, umfasst; 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.
Verfahren (1000) für den Betrieb eines Gasturbinentriebwerks (10) für ein Flugzeug, umfassend: einen Triebwerkskern (11), umfassend eine Turbine (19), einen Verdichter (14) und eine Kernwelle (26), die die Turbine mit dem Verdichter verbindet, und wobei die Turbine (19) die Turbine mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks (10) ist und wobei der Triebwerkskern (11) ferner drei Lager (26a-c) umfasst, die zum Tragen der Kernwelle (26) angeordnet sind, wobei die drei Lager ein vorderes Lager (26a) und zwei hintere Lager (26b, 26c) umfassen, wobei die Kernwelle (26) eine Länge zwischen dem vorderen Lager (26a) und dem hintersten hinteren Lager (26c) im Bereich von 1800 mm bis 2900 mm und eine kurze Spannweite zwischen den beiden hinteren Lagern (26b, 26c) im Bereich von 250 mm bis 350 mm aufweist; einen Fan (23), der stromaufwärts des Triebwerkskerns angeordnet ist, wobei der Fan eine Vielzahl von Fan-Schaufeln umfasst; und ein Getriebe (30), das angeordnet ist, um einen Antrieb von der Kernwelle (26) aufzunehmen und einen Antrieb an den Fan (23) abzugeben, um den Fan mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle anzutreiben, das Verfahren umfassend: Betreiben (1004) des Triebwerks (10) derart, dass die Kernwelle (26) eine Laufdrehzahl im Bereich von 1500 U/min bis 6200 U/min aufweist, und wobei keine primäre Resonanz der Kernwelle (26) innerhalb des Laufdrehzahlbereichs der Kernwelle (26) besteht.
Verfahren (3000) zum Auslegen eines Gasturbinentriebwerks (10) für ein Flugzeug, umfassend: einen Triebwerkskern (11), umfassend eine Turbine (19), einen Verdichter (14) und eine Kernwelle (26), die die Turbine (19) mit dem Verdichter verbindet, und wobei die Turbine (19) die Turbine mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks (10) ist, die Kernwelle (26) eine Laufdrehzahl im Bereich von 1500 U/min bis 6200 U/min aufweist und der Verdichter (14) der Verdichter mit dem niedrigsten Druck des Triebwerks (10) ist; einen Fan (23), der stromaufwärts des Triebwerkskerns (11) angeordnet ist, wobei der Fan eine Vielzahl von Fan-Schaufeln umfasst; und ein Getriebe (30), das einen Antrieb von der Kernwelle (26) aufnimmt und einen Abtrieb an den Fan (23) ausgibt, um den Fan mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle (26) anzutreiben, und wobei der Triebwerkskern (11) ferner drei Lager (26a-c) umfasst, die zum Tragen der Kernwelle (26) angeordnet sind, wobei die drei Lager ein vorderes Lager (26a) und zwei hintere Lager (26b, 26c) umfassen, wobei die Kernwelle (26) eine Länge zwischen dem vorderen Lager (26a) und dem hintersten hinteren Lager (26c) im Bereich von 1800 mm bis 2900 mm aufweist, und das Verfahren (3000) umfassend: Auswählen (3002) von Positionen für das vordere Lager (26a) und das vorderste Lager (26b) der hinteren Lager (26b, 26c); Verlängern (3004) der Kernwelle (26) hinter dem vordersten Lager (26b) der hinteren Lager (26b, 26c) derart, dass eine kurze Spannweite, die zwischen den beiden hinteren Lagern (26b, 26c) definiert ist, im Bereich von 250 mm bis 350 mm ist und keine primäre Resonanz der Kernwelle (26) zwischen dem vorderen Lager (26a) und dem vordersten hinteren Lagern (26b) innerhalb des Laufdrehzahlbereichs der Kernwelle (26) besteht.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Auswählen (3002) von Positionen für das vordere Lager (26a) und das vorderste Lager (26b) der hinteren Lager (26b, 26c) umfasst: - Anordnen der beiden hinteren Lager (26b, 26c) stromabwärts einer Anströmkante der (stromabwärtigsten) Turbinenschaufel mit dem niedrigsten Druck (19c, 19d) der Turbine (19) an einer Wurzel der Laufschaufel und/oder - Anordnen der beiden hinteren Lager (26b, 26c) stromabwärts einer Abströmkante einer Turbinenschaufel eines dritten Satzes (19c) von Turbinenschaufeln von der Vorderseite der Turbine (19) an einer Wurzel der Laufschaufel