DE102020132953A1

DE102020132953A1 - Fan eines Gasturbinentriebwerks

Info

Publication number: DE102020132953A1
Application number: DE102020132953.9A
Authority: DE
Inventors: Tomasz Burza; Moritz Wirth
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2020-12-10
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2022-06-15
Also published as: US20220186685A1; US12031503B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fan eines Gasturbinentriebwerks, der eine Fanscheibe (230) mit einer Mehrzahl in Umfangsrichtung beabstandeter und von der Fanscheibe (230) axial nach vorne vorstehender Befestigungselemente (6) und einen Nasenkonus (5), der stromaufwärts der Fanscheibe (230) angeordnet und mittels der Befestigungselemente (6) mit der Fanscheibe (230) verbunden ist, aufweist. Es ist vorgesehen, dass an einer axial vorderen Seite (2300) der Fanscheibe (230) ein in Umfangsrichtung umlaufender Rand (4) ausgebildet ist, der radial innen zum axial hinteren Endbereich (50) des Nasenkonus (5) verläuft, wobei der in Umfangsrichtung umlaufende Rand (4) eine konkave Einbuchtung (41) ausbildet derart, dass in einen Spalt (7) zwischen der axial hinteren Kante (51) des Nasenkonus (5) und der Fanscheibe (230) eintretendes Wasser in die konkave Einbuchtung (41) gelangt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Fan eines Gasturbinentriebwerks gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein Nasenkonus ist stromaufwärts der Fanscheibe auf der Rotationsachse des Fans angeordnet ist und lenkt die vom Triebwerkseinlauf kommende Luft in Richtung der FanSchaufeln um. Ein Nasenkonus wird auch als Einlaufkonus oder als Spinner bezeichnet.
Bei Konstruktionen, bei denen der Nasenkonus an von der Fanscheibe axial nach vorne vorstehenden Befestigungselementen befestigt ist, besteht die Gefahr, dass nach Abschalten des Triebwerks durch einen Spalt zwischen der stromabwärtigen Kante des Nasenkonus und der Fanscheibe Wasser in den Nasenkonus eintritt. Eintretendes Wasser kann sich in Hohlräumen der Fanscheibe und/oder des Nasenkonus sammeln und dort beispielsweise über Nacht gefrieren. Hierdurch können Unwuchten entstehen, die den Startvorgang gefährden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Fan bereitzustellen, der das Eindringen von Wasser in Hohlräume des Nasenkonus und/oder der Fanscheibe des Fans sicher verhindert.
Diese Aufgabe wird durch einen Fan mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Danach betrachtet die Erfindung einen Fan eines Gasturbinentriebwerks, der eine Fanscheibe und einen Nasenkonus aufweist. Die Fanscheibe umfasst eine Mehrzahl in Umfangsrichtung beabstandeter und von der Fanscheibe axial nach vorne vorstehender Befestigungselemente, die direkt an der Fanscheibe oder an einem mit der Fanscheibe verbundenen Teil ausgebildet sind. Der Nasenkonus ist stromaufwärts der Fanscheibe angeordnet und mittels der Befestigungselemente mit der Fanscheibe verbunden, wobei der Nasenkonus an einem axial hinteren Endbereich eine axial hintere Kante ausbildet, die an die Fanscheibe angrenzt.
Es ist vorgesehen, dass an einer axial vorderen Seite der Fanscheibe ein in Umfangsrichtung umlaufender Rand ausgebildet ist, der radial innen zum axial hinteren Endbereich des Nasenkonus verläuft, wobei der in Umfangsrichtung umlaufende Rand eine konkave Einbuchtung ausbildet derart, dass in einen Spalt zwischen der axial hinteren Kante des Nasenkonus und der Fanscheibe eintretendes Wasser in die konkave Einbuchtung gelangt. Durch die konkave Einbuchtung wird erreicht, dass eintretendes Wasser in dieser nach unten abgeleitet werden kann.
Danach beruht die erfindungsgemäße Lösung auf dem Gedanken, eine Art Regenrinne in Form einer konkaven Einbuchtung an der Fanscheibe bereitzustellen, die sicherstellt, dass für den Fall, dass zwischen der axial hinteren Kante des Nasenkonus und der Fanscheibe Wasser durch einen dort ausgebildeten Spalt eintritt, das eintretende Wasser abgeleitet werden kann, ohne dass es in den Nasenkonus bzw. in Hohlräume im Nasenkonus und/oder der Fanscheibe eintritt und dort eine Eisbildung erfährt.
Die vorliegende Erfindung stellt somit eine Konstruktion im Bereich der Verbindung zwischen dem Nasenkonus und der Fanscheibe bereit, die den Eintritt von Wasser verhindert.
Es wird darauf hingewiesen, dass die in dem umlaufenden Rand ausgebildete konkave Einbuchtung eine Vielzahl von Querschnittsform aufweisen kann. Als konkave Einbuchtung wird dabei jede Struktur bezeichnet, die eintretendes Wasser aufnehmen und ableiten kann. Die konkave Einbuchtung kann im Querschnitt einen glatten, kantenfreien Übergang zu axial angrenzenden Strukturen ausbilden oder alternativ Kanten aufweisen. Auch ein Kanal mit im Querschnitt gradlinig verlaufenden Wandabschnitten und Ecken zur angrenzenden Strukturen bildet eine konkave Einbuchtung im Sinne der vorliegenden Erfindung.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der umlaufende Rand des Weiteren eine radial äußere Anlagefläche ausbildet, die axial vor der konkaven Einbuchtung ausgebildet ist, wobei der Nasenkonus an seinem axial hinteren Endbereich an der Anlagefläche wasserdicht anliegt. Durch Bereitstellen einer Anlagefläche, an der der Nasenkonus wasserdicht anliegt, wird die Gefahr des Eindringens von Wasser zusätzlich reduziert. Die Anlagefläche stellt darüber hinaus eine zusätzliche mechanische Abstützung für den Nasenkonus bereit, die dessen strukturelle Integrität bei der Einwirkung von Fremdkörpern wie zum Beispiel Vogelschlag stärkt.
Dabei sind mehrere Ausführungsvarianten in der Art und Weise, wie der Nasenkonus wasserdicht an der radial äußeren Anlagefläche des umlaufenden Randes anliegt, möglich.
In einer ersten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der Nasenkonus an seinem axial hinteren Endbereich ohne Spiel an der radial äußeren Anlagefläche anliegt. Die Toleranzen von Nasenkonus und Anlagefläche sind somit derart gelegt, dass im Wesentlichen kein Spalt zwischen diesen Komponenten vorliegt.
In einer zweiten, alternativen Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der Nasenkonus an seinem axial hinteren Endbereich mit einem radialen Spalt an der radial äußeren Anlagefläche anliegt, wobei der Spalt derart bemessen ist, dass er wasserdicht ausgebildet ist. Eine wasserdichte Ausbildung des Spaltes ergibt sich dabei automatisch, wenn der Spalt ausreichend klein ist, aufgrund der physikalischen Mechanismen von Kohäsion und Adhäsion. Ein solcher Spalt kann beispielsweise durch eine Spielpassung zwischen dem Nasenkonus und der Anlagefläche bereitgestellt werden.
Diese Ausführungsvariante weist den Vorteil auf, dass das Innere des Nasenkonus über den Spalt einen Druckausgleich erfahren kann und nicht luftdicht abgeschlossen ist. Der Spalt ermöglicht ein Lüften des Nasenkonus.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die radial äußere Anlagefläche des umlaufenden Randes über eine axiale Länge schräg oder parallel zur axialen Richtung verläuft, wobei der Nasenkonus und die radial äußere Anlagefläche über die axiale Länge aneinander anliegen. Durch ein nicht lediglich punktuelles Anliegen von Nasenkonus und Anlagefläche wird die Qualität der Wasserdichtheit des Spaltes verbessert und darüber hinaus die mechanische Abstützung des Nasenkonus durch die Anlagefläche weiter verbessert. Der Neigungswinkel des Nasenkonus und der Anlagefläche stimmen dabei überein.
Allgemein wird darauf hingewiesen, dass der Nasenkonus eine Vielzahl von Formen aufweisen kann. Beispielsweise ist der Nasenkonus als elliptischer Nasenkonus oder als konischer Nasenkonus ausgebildet. Der Begriff Nasenkonus wird als generisch für sämtliche mögliche Formen des Nasenkonus verwendet.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die konkave Einbuchtung des umlaufenden Randes dazu ausgebildet ist, dass in sie gelangendes Wasser in Umfangsrichtung nach unten laufen und an einem unteren Sammelpunkt durch den Spalt zwischen der axial hinteren Kante des Nasenkonus und der Fanscheibe wieder austreten kann. Hierzu ist insbesondere vorgesehen, dass sich die konkave Einbuchtung in Umfangsrichtung über 360° erstreckt. Eintretendes Wasser läuft dabei aufgrund der Schwerkraft automatisch in der konkaven Einbuchtung nach unten. Er sammelt sich dabei an einem unteren Sammelpunkt und kann in gleicher Weise, wie es eingetreten ist, nämlich durch den vorhandenen Spalt zwischen der axial hinteren Kante des Nasenkonus und der Fanscheibe die konkave Einbuchtung wieder verlassen, ohne dass Wasser in das Innere des Nasenkonus oder in Kavitäten der Fanscheibe gelangt ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der in Umfangsrichtung umlaufende Rand radial außerhalb der Befestigungselemente verläuft. Hierdurch wird sichergestellt, dass eintretendes Wasser so früh wie möglich durch die konkave Einbuchtung abgeleitet wird. Der in Umfangsrichtung umlaufende Rand ist insbesondere an der stirnseitigen Außenkante der Fanscheibe ausgebildet.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der in Umfangsrichtung umlaufende Rand, der die konkave Einbuchtung ausbildet, integraler, einstückiger Bestandteil der Fanscheibe ist. Der umlaufende Rand wird beispielsweise durch Drehen an der Fanscheibe ausgebildet.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass der in Umfangsrichtung umlaufende Rand, der die konkave Einbuchtung ausbildet, durch einen gesonderten Ring gebildet ist, der mit der axial vorderen Seite der Fanscheibe verbunden ist. Dies ermöglicht eine größere Auswahl in Bezug auf das Herstellungsverfahren der konkaven Einbuchtung. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Ring mit der konkaven Ausbildung hergestellt wird, ohne die Notwendigkeit eines zerspanenden Verfahrens. Erforderlich ist aber eine gesonderte feste Verbindung des Rings mit der axial vorderen Seite der Fanscheibe.
Eine Ausführungsvariante hierzu sieht vor, dass der Ring zusätzlich die axial nach vorne vorstehenden Befestigungselemente ausbildet, über die der Nasenkonus mit der Fanscheibe verbunden ist. Alternativ sind die Befestigungselemente ebenfalls integral mit der Fanscheibe ausgebildet.
Grundsätzlich kann die mechanische Verbindung zwischen dem Nasenkonus und der Fanscheibe auf zahlreiche Arten erfolgen. Eine Ausgestaltung hierzu sieht vor, dass der Nasenkonus mittels Bolzen oder Schrauben mit den von der Fanscheibe vorstehenden Befestigungselementen verbunden ist.
Die axial vorstehenden Befestigungselemente können beispielsweise laschenförmig oder fingerförmig ausgebildet sein, d. h. ihre Länge ist größer als ihre Breite und/oder ihr Durchmesser.
Der Nasenkonus ist in einer Ausführungsvariante innen hohl ausgebildet. Er besteht beispielsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff.
Eine weitere Ausführungsvariante sieht vor, dass die Fanscheibe an ihrer axial vorderen Seite in Umfangsrichtung beabstandete Befestigungslaschen zur Aufnahme von Wuchtgewichten ausbildet, die dazu dienen, eine Unwucht der Fanscheibe zu minimieren.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Fan in BLISK-Bauweise ausgebildet, d.h. die Fanscheibe und die Fanschaufeln sind integral (einstückig) ausgebildet. Eine Bauweise mit einzelnen Fanschaufeln, die der Fannabe verbunden sind, ist jedoch ebenfalls möglich.
Gemäß einem weiteren Erfindungsaspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Gasturbinentriebwerk mit einem erfindungsgemäßen Fan. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Gasturbinentriebwerk aufweist:

- einen Triebwerkskern, der eine Turbine, einen Verdichter und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende, als Hohlwelle ausgebildete Turbinenwelle umfasst;
- einen erfindungsgemäßen Fan, der stromaufwärts des Triebwerkskerns positioniert ist; und
- ein Getriebe, das einen Eingang von der Turbinenwelle empfängt und Antrieb für den Fan zum Antreiben des Fans mit einer niedrigeren Drehzahl als die Turbinenwelle abgibt.

Eine Ausgestaltung hierzu kann vorsehen, dass

- die Turbine eine erste Turbine ist, der Verdichter ein erster Verdichter ist und die Turbinenwelle eine erste Turbinenwelle ist;
- der Triebwerkskern ferner eine zweite Turbine, einen zweiten Verdichter und eine zweite Turbinenwelle, die die zweite Turbine mit dem zweiten Verdichter verbindet, umfasst; und
- die zweite Turbine, der zweite Verdichter und die zweite Turbinenwelle dahingehend angeordnet sind, sich mit einer höheren Drehzahl als die erste Turbinenwelle zu drehen.

Es wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung bezogen auf ein zylindrisches Koordinatensystem beschrieben ist, das die Koordinaten x, r und φ aufweist. Dabei gibt x die axiale Richtung, r die radiale Richtung und φ den Winkel in Umfangsrichtung an. Die axiale Richtung ist dabei durch die Maschinenachse des Gasturbinentriebwerks, in dem die vorliegende Erfindung implementiert ist, definiert, wobei die axiale Richtung vom Triebwerkseingang in Richtung des Triebwerksausgangs zeigt. Von der x-Achse ausgehend zeigt die radiale Richtung radial nach außen. Begriffe wie „vor“, „hinter“, „vordere“ und „hintere“ beziehen sich auf die axiale Richtung bzw. die Strömungsrichtung im Triebwerk. Begriffe wie „äußere“ oder „innere“ beziehen sich auf die radiale Richtung.
Wie hier an anderer Stelle angeführt wird, kann sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk beziehen. Solch ein Gasturbinentriebwerk kann einen Triebwerkskern umfassen, der eine Turbine, einen Brennraum, einen Verdichter und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende Kernwelle umfasst. Solch ein Gasturbinentriebwerk kann ein Gebläse (mit Gebläseschaufeln) umfassen, das stromaufwärts des Triebwerkskerns positioniert ist.
Anordnungen der vorliegenden Offenbarung können insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, für Gebläse, die über ein Getriebe angetrieben werden, von Vorteil sein. Entsprechend kann das Gasturbinentriebwerk ein Getriebe umfassen, das einen Eingang von der Kernwelle empfängt und Antrieb für das Gebläse zum Antreiben des Gebläses mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle abgibt. Der Eingang für das Getriebe kann direkt von der Kernwelle oder indirekt von der Kernwelle, beispielsweise über eine Stirnwelle und/oder ein Stirnzahnrad, erfolgen. Die Kernwelle kann mit der Turbine und dem Verdichter starr verbunden sein, so dass sich die Turbine und der Verdichter mit derselben Drehzahl drehen (wobei sich das Gebläse mit einer niedrigeren Drehzahl dreht).
Das Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann eine beliebige geeignete allgemeine Architektur aufweisen. Beispielsweise kann das Gasturbinentriebwerk eine beliebige gewünschte Anzahl an Wellen, die Turbinen und Verdichter verbinden, beispielsweise eine, zwei oder drei Wellen, aufweisen. Lediglich beispielhaft kann die mit der Kernwelle verbundene Turbine eine erste Turbine sein, der mit der Kernwelle verbundene Verdichter kann ein erster Verdichter sein und die Kernwelle kann eine erste Kernwelle sein. 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 dahingehend angeordnet sein, sich mit einer höheren Drehzahl als die erste Kernwelle zu drehen.
Bei solch einer Anordnung kann der zweite Verdichter axial stromabwärts des ersten Verdichters positioniert sein. Der zweite Verdichter kann dahingehend angeordnet sein, Strömung von dem ersten Verdichter aufzunehmen (beispielsweise direkt aufzunehmen, beispielsweise über einen allgemein ringförmigen Kanal).
Das Getriebe kann dahingehend angeordnet sein, von der Kernwelle, die dazu konfiguriert ist, sich (beispielsweise im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen, (beispielsweise die erste Kernwelle in dem obigen Beispiel) angetrieben zu werden. Beispielsweise kann das Getriebe dahingehend angeordnet sein, lediglich von der Kernwelle, die dazu konfiguriert ist, sich (beispielsweise im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen, (beispielsweise nur von der ersten Kernwelle und nicht der zweiten Kernwelle bei dem obigen Beispiel) angetrieben zu werden. Alternativ dazu kann das Getriebe dahingehend angeordnet sein, von einer oder mehreren Wellen, beispielsweise der ersten und/oder der zweiten Welle in dem obigen Beispiel, angetrieben zu werden.
Bei einem Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann ein Brennraum axial stromabwärts des Gebläses und des Verdichters (der Verdichter) vorgesehen sein. Beispielsweise kann der Brennraum direkt stromabwärts des zweiten Verdichters (beispielsweise an dessen Ausgang) liegen, wenn ein zweiter Verdichter vorgesehen ist. Als ein weiteres Beispiel kann die Strömung am Ausgang des Verdichters dem Einlass der zweiten Turbine zugeführt werden, wenn eine zweite Turbine vorgesehen ist. Der Brennraum kann stromaufwärts der Turbine (der Turbinen) vorgesehen sein.
Der oder jeder Verdichter (beispielsweise der erste Verdichter und der zweite Verdichter gemäß obiger Beschreibung) kann eine beliebige Anzahl an Stufen, beispielsweise mehrere Stufen, umfassen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorschaufeln, bei denen es sich um variable Statorschaufeln (dahingehend, dass ihr Anstellwinkel variabel sein kann) handeln kann, umfassen. Die Reihe von Rotorschaufeln und die Reihe von Statorschaufeln können axial voneinander versetzt sein.
Die oder jede Turbine (beispielsweise die erste Turbine und die zweite Turbine gemäß obiger Beschreibung) kann eine beliebige Anzahl an Stufen, beispielsweise mehrere Stufen, umfassen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorschaufeln umfassen. Die Reihe von Rotorschaufeln und die Reihe von Statorschaufeln können axial voneinander versetzt sein.
Jede Gebläseschaufel kann mit einer radialen Spannweite definiert sein, die sich von einem Fuß (oder einer Nabe) an einer radial innenliegenden von Gas überströmten Stelle oder an einer Position einer Spannbreite von 0 % zu einer Spitze an einer Position einer Spannbreite von 100 % erstreckt. Das Verhältnis des Radius der Gebläseschaufel an der Nabe zu dem Radius der Gebläseschaufel an der Spitze kann weniger als (oder in der Größenordnung von): 0,4, 0,39, 0,38, 0,37, 0,36, 0,35, 0,34, 0,33, 0,32, 0,31, 0,3, 0,29, 0,28, 0,27, 0,26 oder 0,25 liegen. Das Verhältnis des Radius der Gebläseschaufel an der Nabe zu dem Radius der Gebläseschaufel an der Spitze kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Diese Verhältnisse können allgemeinhin als das Nabe-Spitze-Verhältnis bezeichnet werden. Der Radius an der Nabe und der Radius an der Spitze können beide an dem vorderen Randteil (oder dem axial am weitesten vorne liegenden Rand) der Schaufel gemessen werden. Das Nabe-Spitze-Verhältnis bezieht sich natürlich auf den von Gas überströmten Abschnitt der Gebläseschaufel, d. h. den Abschnitt, der sich radial außerhalb jeglicher Plattform befindet.
Der Radius des Gebläses kann zwischen der Mittellinie des Triebwerks und der Spitze der Gebläseschaufel an ihrem vorderen Rand gemessen werden. Der Durchmesser des Gebläses (der einfach das Doppelte des Radius des Gebläses sein kann) kann größer als (oder in der Größenordnung von): 250 cm (etwa 100 Inch), 260 cm, 270 cm (etwa 105 Inch), 280 cm (etwa 110 Inch), 290 cm (etwa 115 Inch), 300 cm (etwa 120 Inch), 310 cm, 320 cm (etwa 125 Inch), 330 cm (etwa 130 Inch), 340 cm (etwa 135 Inch), 350 cm, 360 cm (etwa 140 Inch), 370 cm (etwa 145 Inch), 380 cm (etwa 150 Inch) oder 390 cm (etwa 155 Inch) sein (liegen). Der Gebläsedurchmesser kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Die Drehzahl des Gebläses kann im Gebrauch variieren. Allgemein ist die Drehzahl geringer für Gebläse mit einem größeren Durchmesser. Lediglich als ein nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Gebläses bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen weniger als 2500 U/min, beispielsweise weniger als 2300 U/min, betragen. Lediglich als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann auch die Drehzahl des Gebläses bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen für ein Triebwerk mit einem Gebläsedurchmesser im Bereich von 250 cm bis 300 cm (beispielsweise 250 cm bis 280 cm) im Bereich von 1700 U/min bis 2500 U/min, beispielsweise im Bereich von 1800 U/min bis 2300 U/min, beispielsweise im Bereich von 1900 U/min bis 2100 U/min, liegen. Lediglich als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Gebläses bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen für ein Triebwerk mit einem Gebläsedurchmesser im Bereich von 320 cm bis 380 cm in dem Bereich von 1200 U/min bis 2000 U/min, beispielsweise in dem Bereich von 1300 U/min bis 1800 U/min, beispielsweise in dem Bereich von 1400 U/min bis 1600 U/min, liegen.
Im Gebrauch des Gasturbinentriebwerks dreht sich das Gebläse (mit zugehörigen Gebläseschaufeln) um eine Drehachse. Diese Drehung führt dazu, dass sich die Spitze der Gebläseschaufel mit einer Geschwindigkeit U_Spitze bewegt. Die von den Gebläseschaufeln an der Strömung verrichtete Arbeit resultiert in einem Anstieg der Enthalpie dH der Strömung. Eine Gebläsespitzenbelastung kann als dH/U_Spitze ² definiert werden, wobei dH der Enthalpieanstieg (beispielsweise der durchschnittliche 1-D-Enthalpieanstieg) über das Gebläse hinweg ist und U_Spitze die (Translations-) Geschwindigkeit der Gebläsespitze, beispielsweise an dem vorderen Rand der Spitze, ist (die als Gebläsespitzenradius am vorderen Rand multipliziert mit der Winkelgeschwindigkeit definiert werden kann). Die Gebläsespitzenbelastung bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen kann mehr als (oder in der Größenordnung von): 0,3, 0,31, 0,32, 0,33, 0,34, 0,35, 0,36, 0,37, 0,38, 0,39 oder 0,4 betragen (liegen) (wobei alle Einheiten in diesem Abschnitt Jkg^-1K^-1/(ms^-1)² sind). Die Gebläsespitzenbelastung kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Gasturbinentriebwerke gemäß der vorliegenden Offenbarung können ein beliebiges gewünschtes Bypassverhältnis aufweisen, wobei das Bypassverhältnis als das Verhältnis des Massendurchsatzes der Strömung durch den Bypasskanal zu dem Massendurchsatz der Strömung durch den Kern bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen definiert wird. Bei einigen Anordnungen kann das Bypassverhältnis mehr als (in der Größenordnung von): 10, 10,5, 11, 11,5, 12, 12,5, 13, 13,5, 14, 14,5, 15, 15,5, 16, 16,5 oder 17 betragen (liegen). Das Bypassverhältnis kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Der Bypasskanal kann im Wesentlichen ringförmig sein. Der Bypasskanal kann sich radial außerhalb des Triebwerkskerns befinden. Die radial äußere Fläche des Bypasskanals kann durch eine Triebwerksgondel und/oder ein Gebläsegehäuse definiert werden.
Das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann als das Verhältnis des Staudrucks stromaufwärts des Gebläses zu dem Staudruck am Ausgang des Höchstdruckverdichters (vor dem Eingang in den Brennraum) definiert werden. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, bei Konstantgeschwindigkeit mehr als (oder in der Größenordnung von): 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75 betragen (liegen). Das Gesamtdruckverhältnis kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Der spezifische Schub eines Triebwerks kann als der Nettoschub des Triebwerks dividiert durch den Gesamtmassenstrom durch das Triebwerk hindurch definiert werden. Bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen kann der spezifische Schub eines Triebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, weniger als (oder in der Größenordnung von): 110 Nkg^-1s, 105 Nkg^-1s, 100 Nkg^-1s, 95 Nkg^-1s, 90 Nkg^-1s, 85 Nkg^-1S oder 80 Nkg^-1s betragen (liegen). Der spezifische Schub kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Solche Triebwerke können im Vergleich zu herkömmlichen Gasturbinentriebwerken besonders effizient sein.
Ein Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann einen beliebigen gewünschten Höchstschub aufweisen. Lediglich als ein nicht einschränkendes Beispiel kann eine Gasturbine, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, zur Erzeugung eines Höchstschubs von mindestens (oder in der Größenordnung von): 160kN, 170kN, 180kN, 190kN, 200kN, 250kN, 300kN, 350kN, 400kN, 450kN, 500kN oder 550kN in der Lage sein. Der Höchstschub kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Der Schub, auf den oben Bezug genommen wird, kann der Nettohöchstschub bei standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen auf Meereshöhe plus 15 Grad C (Umgebungsdruck 101,3 kPa, Temperatur 30 Grad C) bei statischem Triebwerk sein.
Im Gebrauch kann die Temperatur der Strömung am Eingang der Hochdruckturbine besonders hoch sein. Diese Temperatur, die als TET bezeichnet werden kann, kann an dem Ausgang zum Brennraum, beispielsweise unmittelbar stromaufwärts der ersten Turbinenschaufel, die wiederum als eine Düsenleitschaufel bezeichnet werden kann, gemessen werden. Bei Konstantgeschwindigkeit kann die TET mindestens (oder in der Größenordnung von): 1400K, 1450K, 1500K, 1550K, 1600K oder 1650K betragen (liegen). Die TET bei Konstantgeschwindigkeit kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Die maximale TET im Gebrauch des Triebwerks kann beispielsweise mindestens (oder in der Größenordnung von): 1700K, 1750K, 1800K, 1850K, 1900K, 1950K oder 2000K betragen (liegen). Die maximale TET kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Die maximale TET kann beispielsweise bei einer Bedingung von hohem Schub, beispielsweise bei einer MTO-Bedingung (MTO - Maximum Take-Off thrust - maximaler Startschub), auftreten.
Eine Gebläseschaufel und/oder ein Blattabschnitt einer Gebläseschaufel, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann aus einem beliebigen geeigneten Material oder einer Kombination aus Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann zumindest ein Teil der Gebläseschaufel und/oder des Blatts zumindest zum Teil aus einem Verbundstoff, beispielsweise einem Metallmatrix-Verbundstoff und/oder einem Verbundstoff mit organischer Matrix, wie z. B. Kohlefaser, hergestellt werden. Als ein weiteres Beispiel kann zumindest ein Teil der Gebläseschaufel und/oder des Blatts zumindest zum Teil aus einem Metall, wie z. B. einem auf Titan basierendem Metall oder einem auf Aluminium basierenden Material (wie z. B. einer Aluminium-Lithium-Legierung) oder einem auf Stahl basierenden Material hergestellt werden. Die Gebläseschaufel kann mindestens zwei Bereiche umfassen, die unter Verwendung verschiedener Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann die Gebläseschaufel einen vorderen Schutzrand aufweisen, der unter Verwendung eines Materials hergestellt wird, das dem Aufschlagen (beispielsweise von Vögeln, Eis oder anderem Material) besser widerstehen kann als der Rest der Schaufel. Solch ein vorderer Rand kann beispielsweise unter Verwendung von Titan oder einer auf Titan basierenden Legierung hergestellt werden. Somit kann die Gebläseschaufel lediglich als ein Beispiel einen auf Kohlefaser oder Aluminium basierenden Körper (wie z. B. eine Aluminium-Lithium-Legierung) mit einem vorderen Rand aus Titan aufweisen.
Ein Gebläse, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann einen mittleren Abschnitt umfassen, von dem sich die Gebläseschaufeln, beispielsweise in einer radialen Richtung, erstrecken können. Die Gebläseschaufeln können auf beliebige gewünschte Art und Weise an dem mittleren Abschnitt angebracht sein. Beispielsweise kann jede Gebläseschaufel eine Fixierungsvorrichtung umfassen, die mit einem entsprechenden Schlitz in der Nabe (oder Scheibe) in Eingriff gelangen kann. Lediglich als ein Beispiel kann solch eine Fixierungsvorrichtung in Form eines Schwalbenschwanzes vorliegen, der zur Fixierung der Gebläseschaufel an der Nabe/Scheibe in einen entsprechenden Schlitz in der Nabe/Scheibe eingesteckt und/oder damit in Eingriff gebracht werden kann. Als ein weiteres Beispiel können die Gebläseschaufeln integral mit einem mittleren Abschnitt ausgebildet sein. Solch eine Anordnung kann als eine Blisk oder ein Bling bezeichnet werden. Ein beliebiges geeignetes Verfahren kann zur Herstellung solch einer Blisk oder solch eines Bling verwendet werden. Beispielsweise kann zumindest ein Teil der Gebläseschaufeln aus einem Block maschinell herausgearbeitet werden und/oder mindestens ein Teil der Gebläseschaufeln kann durch Schweißen, wie z. B. lineares Reibschweißen, an der Nabe/Scheibe angebracht werden.
Die Gasturbinentriebwerke, die hier beschrieben und/oder beansprucht werden, können oder können nicht mit einer VAN (Variable Area Nozzle - Düse mit variablem Querschnitt) versehen sein. Solch eine Düse mit variablem Querschnitt kann eine Variation des Ausgangsquerschnitts des Bypasskanals im Gebrauch gestatten. Die allgemeinen Prinzipien der vorliegenden Offenbarung können auf Triebwerke mit oder ohne eine VAN zutreffen.
Das Gebläse einer Gasturbine, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann eine beliebige gewünschte Anzahl an Gebläseschaufeln, beispielsweise 16, 18, 20 oder 22 Gebläseschaufeln, aufweisen.
Gemäß der hier erfolgenden Verwendung können Konstantgeschwindigkeitsbedingungen Konstantgeschwindigkeitsbedingungen eines Luftfahrzeugs, an dem das Gasturbinentriebwerk angebracht ist, bedeuten. Solche Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können herkömmlicherweise als die Bedingungen während des mittleren Teils des Flugs definiert werden, beispielsweise die Bedingungen, denen das Luftfahrzeug und/oder das Triebwerk zwischen (hinsichtlich Zeit und/oder Entfernung) dem Ende des Steigflugs und dem Beginn des Sinkflugs ausgesetzt wird bzw. werden.
Lediglich als ein Beispiel kann die Vorwärtsgeschwindigkeit bei der Konstantgeschwindigkeitsbedingung bei einem beliebigen Punkt im Bereich von Mach 0,7 bis 0,9, beispielsweise 0,75 bis 0,85, beispielsweise 0,76 bis 0,84, beispielsweise 0,77 bis 0,83, beispielsweise 0,78 bis 0,82, beispielsweise 0,79 bis 0,81, beispielsweise in der Größenordnung von Mach 0,8, in der Größenordnung von Mach 0,85 oder in dem Bereich von 0,8 bis 0,85 liegen. Eine beliebige Geschwindigkeit innerhalb dieser Bereiche kann die Konstantfahrtbedingung sein. Bei einigen Luftfahrzeugen können die Konstantfahrtbedingungen außerhalb dieser Bereiche, beispielsweise unter Mach 0,7 oder über Mach 0,9, liegen.
Lediglich als ein Beispiel können die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen bei einer Höhe, die im Bereich von 10.000 m bis 15.000 m, beispielsweise im Bereich von 10.000 m bis 12.000 m, beispielsweise im Bereich von 10.400 m bis 11.600 m (etwa 38.000 Fuß) beispielsweise im Bereich von 10.500 m bis 11.500 m, beispielsweise im Bereich von 10.600 m bis 11.400 m, beispielsweise im Bereich von 10.700 m (etwa 35.000 Fuß) bis 11.300 m, beispielsweise im Bereich von 10.800 m bis 11.200 m, beispielsweise im Bereich von 10.900 m bis 11.100 m, beispielsweise in der Größenordnung von 11.000 m, liegt, entsprechen. Die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen bei einer beliebigen gegebenen Höhe in diesen Bereichen entsprechen.
Lediglich als ein Beispiel können die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen Folgendem entsprechen: einer Vorwärts-Mach-Zahl von 0,8; einem Druck von 23.000 Pa und einer Temperatur von -55 Grad C.
So wie sie hier durchweg verwendet werden, können „Konstantgeschwindigkeit“ oder „Konstantgeschwindigkeitsbedingungen“ den aerodynamischen Auslegungspunkt bedeuten. Solch ein aerodynamischer Auslegungspunkt (oder ADP - Aerodynamic Design Point) kann den Bedingungen (darunter beispielsweise die Mach-Zahl, Umgebungsbedingungen und Schubanforderung), für die der Gebläsebetrieb ausgelegt ist, entsprechen. Dies kann beispielsweise die Bedingungen, bei denen das Gebläse (oder das Gasturbinentriebwerk) konstruktionsgemäß den optimalen Wirkungsgrad aufweist, bedeuten.
Im Gebrauch kann ein Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, bei den Konstantgeschwindigkeitsbedingungen, die hier an anderer Stelle definiert werden, betrieben werden. Solche Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können von den Konstantgeschwindigkeitsbedingungen (beispielsweise den Bedingungen während des mittleren Teils des Fluges) eines Luftfahrzeugs, an dem mindestens ein (beispielsweise 2 oder 4) Gasturbinentriebwerk zur Bereitstellung von Schubkraft befestigt sein kann, bestimmt werden.
Für den Fachmann ist verständlich, dass ein Merkmal oder Parameter, das bzw. der in Bezug auf einen der obigen Aspekte beschrieben wird, bei einem beliebigen anderen Aspekt angewendet werden kann, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Des Weiteren kann ein beliebiges Merkmal oder ein beliebiger Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, bei einem beliebigen Aspekt angewendet werden und/oder mit einem beliebigen anderen Merkmal oder Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, kombiniert werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Seitenschnittansicht eines Gasturbinentriebwerks;
2 eine Seitenschnittgroßansicht eines stromaufwärtigen Abschnitts eines Gasturbinentriebwerks;
3 eine zum Teil weggeschnitte Ansicht eines Getriebes für ein Gasturbinentriebwerk;
4 eine perspektivische Ansicht auf den stirnseitigen Bereich eines ersten Ausführungsbeispiels einer Fanscheibe mit Nasenkonus, die laschenförmige Befestigungselemente zur Befestigung des Nasenkonus sowie einen umlaufenden Rand mit einer konkaven Einbuchtung aufweist, wobei der Nasenkonus nur teilweise dargestellt ist;
5 eine vergrößerte perspektivische Darstellung der Befestigungselemente und des umlaufenden Randes der Fanscheibe der 4;
6 eine vergrößerte Darstellung der Befestigungselemente und des umlaufenden Randes der Fanscheibe der 4 im Längsschnitt;
7 eine nochmals vergrößerte Darstellung des umlaufenden Randes der Fanscheibe der 4, wobei der umlaufende Rand zusätzlich zu der konkaven Einbuchtung eine Anlagefläche für den axial hinteren Endbereich des Nasenkonus ausbildet;
8 eine perspektivische Ansicht auf den stirnseitigen Bereich eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Fanscheibe mit Nasenkonus, die laschenförmige Befestigungselemente zur Befestigung des Nasenkonus sowie einen umlaufenden Rand mit einer konkaven Einbuchtung aufweist, wobei die laschenförmigen Befestigungselemente und der umlaufende Rand an einem gesonderten, mit dem Fan verbundenen Bauteil ausgebildet sind;
9 die Anordnung gemäß der 8 in einer Schnittdarstellung; und
10 ein Beispiel einer Fanscheibe mit Nasenkonus gemäß dem Stand der Technik.

1 stellt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einer Hauptdrehachse 9 dar. Das Triebwerk 10 umfasst einen Lufteinlass 12 und ein Schubgebläse bzw. Fan 23, das zwei Luftströme erzeugt: einen Kernluftstrom A und einen Bypassluftstrom B. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst einen Kern 11, der den Kernluftstrom A aufnimmt. Der Triebwerkskern 11 umfasst in Axialströmungsreihenfolge einen Niederdruckverdichter 14, einen Hochdruckverdichter 15, eine Verbrennungseinrichtung 16, eine Hochdruckturbine 17, eine Niederdruckturbine 19 und eine Kernschubdüse 20. Eine Triebwerksgondel 21 umgibt das Gasturbinentriebwerk 10 und definiert einen Bypasskanal 22 und eine Bypassschubdüse 18. Der Bypassluftstrom B strömt durch den Bypasskanal 22. Das Gebläse 23 ist über eine Welle 26 und ein Epizykloidengetriebe 30 an der Niederdruckturbine 19 angebracht und wird durch diese angetrieben.
Im Gebrauch wird der Kernluftstrom A durch den Niederdruckverdichter 14 beschleunigt und verdichtet und in den Hochdruckverdichter 15 geleitet, wo eine weitere Verdichtung erfolgt. Die aus dem Hochdruckverdichter 15 ausgestoßene verdichtete Luft wird in die Verbrennungseinrichtung 16 geleitet, wo sie mit Kraftstoff vermischt wird und das Gemisch verbrannt wird. Die resultierenden heißen Verbrennungsprodukte breiten sich dann durch die Hochdruck- und die Niederdruckturbine 17, 19 aus und treiben diese dadurch an, bevor sie zur Bereitstellung einer gewissen Schubkraft durch die Düse 20 ausgestoßen werden. Die Hochdruckturbine 17 treibt den Hochdruckverdichter 15 durch eine geeignete Verbindungswelle 27 an. Das Gebläse 23 stellt allgemein den Hauptteil der Schubkraft bereit. Das Epizykloidengetriebe 30 ist ein Untersetzungsgetriebe.
Eine beispielhafte Anordnung für ein Getriebegebläse-Gasturbinentriebwerk 10 wird in 2 gezeigt. Die Niederdruckturbine 19 (siehe 1) treibt die Welle 26 an, die mit einem Sonnenrad 28 der Epizykloidengetriebeanordnung 30 gekoppelt ist. Mehrere Planetenräder 32, die durch einen Planetenträger 34 miteinander gekoppelt sind, befinden sich von dem Sonnenrad 28 radial außen und kämmen damit. Der Planetenträger 34 beschränkt die Planetenräder 32 darauf, synchron um das Sonnenrad 28 zu kreisen, während er ermöglicht, dass sich jedes Planetenrad 32 um seine eigene Achse drehen kann. Der Planetenträger 34 ist über Gestänge 36 mit dem Gebläse 23 dahingehend gekoppelt, seine Drehung um die Triebwerksachse 9 anzutreiben. Ein Außenrad oder Hohlrad 38, das über Gestänge 40 mit einer stationären Stützstruktur 24 gekoppelt ist, befindet sich von den Planetenrädern 32 radial außen und kämmt damit.
Es wird angemerkt, dass die Begriffe „Niederdruckturbine“ und „Niederdruckverdichter“, so wie sie hier verwendet werden, so aufgefasst werden können, dass sie die Turbinenstufe mit dem niedrigsten Druck bzw. die Verdichterstufe mit dem niedrigsten Druck (d. h. dass sie nicht das Gebläse 23 umfassen) und/oder die Turbinen- und Verdichterstufe, die durch die Verbindungswelle 26 mit der niedrigsten Drehzahl in dem Triebwerk (d. h. dass sie nicht die Getriebeausgangswelle, die das Gebläse 23 antreibt, umfasst) miteinander verbunden sind, bedeuten. In einigen Schriften können die „Niederdruckturbine“ und der „Niederdruckverdichter“, auf die hier Bezug genommen wird, alternativ dazu als die „Mitteldruckturbine“ und „Mitteldruckverdichter“ bekannt sein. Bei der Verwendung derartiger alternativer Nomenklatur kann das Gebläse 23 als eine erste Verdichtungsstufe oder Verdichtungsstufe mit dem niedrigsten Druck bezeichnet werden.
Das Epizykloidengetriebe 30 wird in 3 beispielhaft genauer gezeigt. Das Sonnenrad 28, die Planetenräder 32 und das Hohlrad 38 umfassen jeweils Zähne um ihre Peripherie zum Kämmen mit den anderen Zahnrädern. Jedoch werden der Übersichtlichkeit halber lediglich beispielhafte Abschnitte der Zähne in 3 dargestellt. Obgleich vier Planetenräder 32 dargestellt werden, liegt für den Fachmann auf der Hand, dass innerhalb des Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung mehr oder weniger Planetenräder 32 vorgesehen sein können. Praktische Anwendungen eines Epizykloidengetriebes 30 umfassen allgemein mindestens drei Planetenräder 32.
Das in 2 und 3 beispielhaft dargestellte Epizykloidengetriebe 30 ist ein Planetengetriebe, bei dem der Planetenträger 34 über Gestänge 36 mit einer Ausgangswelle gekoppelt ist, wobei das Hohlrad 38 festgelegt ist. Jedoch kann eine beliebige andere geeignete Art von Epizykloidengetriebe 30 verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel kann das Epizykloidengetriebe 30 eine Sternanordnung sein, bei der der Planetenträger 34 festgelegt gehalten wird, wobei gestattet wird, dass sich das Hohlrad (oder Außenrad) 38 dreht. Bei solch einer Anordnung wird das Gebläse 23 von dem Hohlrad 38 angetrieben. Als ein weiteres alternatives Beispiel kann das Getriebe 30 ein Differenzialgetriebe sein, bei dem gestattet wird, dass sich sowohl das Hohlrad 38 als auch der Planetenträger 34 drehen.
Es versteht sich, dass die in 2 und 3 gezeigte Anordnung lediglich beispielhaft ist und verschiedene Alternativen in dem Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung liegen. Lediglich beispielhaft kann eine beliebige geeignete Anordnung zur Positionierung des Getriebes 30 in dem Triebwerk 10 und/oder zur Verbindung des Getriebes 30 mit dem Triebwerk 10 verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel können die Verbindungen (z. B. die Gestänge 36, 40 in dem Beispiel von 2) zwischen dem Getriebe 30 und anderen Teilen des Triebwerks 10 (wie z. B. der Eingangswelle 26, der Ausgangswelle und der festgelegten Struktur 24) einen gewissen Grad an Steifigkeit oder Flexibilität aufweisen. Als ein weiteres Beispiel kann eine beliebige geeignete Anordnung der Lager zwischen rotierenden und stationären Teilen des Triebwerks (beispielsweise zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle des Getriebes und den festgelegten Strukturen, wie z. B. dem Getriebegehäuse) verwendet werden, und die Offenbarung ist nicht auf die beispielhafte Anordnung von 2 beschränkt. Beispielsweise ist für den Fachmann ohne Weiteres erkenntlich, dass sich die Anordnung von Ausgang und Stützgestängen und Lagerpositionierungen bei einer Sternanordnung (oben beschrieben) des Getriebes 30 in der Regel von jenen, die beispielhaft in 2 gezeigt werden, unterscheiden würden.
Entsprechend dehnt sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk mit einer beliebigen Anordnung der Getriebearten (beispielsweise sternförmig oder planetenartig), Stützstrukturen, Eingangs- und Ausgangswellenanordnung und Lagerpositionierungen aus.
Optional kann das Getriebe Neben- und/oder alternative Komponenten (z. B. den Mitteldruckverdichter und/oder einen Nachverdichter) antreiben.
Andere Gasturbinentriebwerke, bei denen die vorliegende Offenbarung Anwendung finden kann, können alternative Konfigurationen aufweisen. Beispielsweise können derartige Triebwerke eine alternative Anzahl an Verdichtern und/oder Turbinen und/oder eine alternative Anzahl an Verbindungswellen aufweisen. Als ein weiteres Beispiel weist das in 1 gezeigte Gasturbinentriebwerk eine Teilungsstromdüse 20, 22 auf, was bedeutet, dass der Strom durch den Bypasskanal 22 seine eigene Düse aufweist, die von der Triebwerkskerndüse 20 separat und davon radial außen ist. Jedoch ist dies nicht einschränkend und ein beliebiger Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann auch auf Triebwerke zutreffen, bei denen der Strom durch den Bypasskanal 22 und der Strom durch den Kern 11 vor (oder stromaufwärts) einer einzigen Düse, die als eine Mischstromdüse bezeichnet werden kann, vermischt oder kombiniert werden. Eine oder beide Düsen (ob Misch- oder Teilungsstrom) kann einen festgelegten oder variablen Bereich aufweisen. Obgleich sich das beschriebene Beispiel auf ein Turbogebläsetriebwerk bezieht, kann die Offenbarung beispielsweise bei einer beliebigen Art von Gasturbinentriebwerk, wie z. B. bei einem Open-Rotor- (bei dem die Gebläsestufe nicht von einer Triebwerksgondel umgeben wird) oder einem Turboprop-Triebwerk, angewendet werden. Bei einigen Anordnungen umfasst das Gasturbinentriebwerk 10 möglicherweise kein Getriebe 30.
Die Geometrie des Gasturbinentriebwerks 10 und Komponenten davon wird bzw. werden durch ein herkömmliches Achsensystem definiert, das eine axiale Richtung (die auf die Drehachse 9 ausgerichtet ist), eine radiale Richtung (in der Richtung von unten nach oben in 1) und eine Umfangsrichtung (senkrecht zu der Ansicht in 1) umfasst. Die axiale, die radiale und die Umfangsrichtung verlaufen senkrecht zueinander.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung ist die Ausgestaltung der Verbindung zwischen einem Nasenkonus eines Fans und der Fanscheibe von Bedeutung. Bei dem Fan kann es sich dabei um den Fan 23 der 1 und 2 oder einen beliebigen anderen Fan eines Gasturbinentriebwerks handeln.
Zunächst wird dabei anhand der 10 ein Fan mit einem Nasenkonus gemäß dem Stand der Technik beschrieben. Der Fan 23 umfasst eine Fanscheibe 230, die über eine nicht dargestellte Turbinenwelle des Gasturbinentriebwerks angetrieben wird. An der Fanscheibe 230 sind radial außen eine Vielzahl von Fanschaufeln 231 ausgebildet. Der Fan kann in BLISK-Bauweise ausgebildet sein, für welchen Fall die Fanscheibe 230 und die Fanschaufeln 231 in integraler Bauweise ausgeführt sind.
Stromaufwärts der Fanscheibe 230 ist ein Nasenkonus 5 angeordnet und mittels Befestigungselementen 6 mit der Fanscheibe 230 verbunden. Die Befestigungselemente 6 stehen axial nach vorn von der Fanscheibe 230 ab. Die Verbindung des Nasenkonus 5 mit den Befestigungselementen 6 erfolgt über Befestigungsbolzen 92 oder dergleichen.
Bei einem solchen Aufbau besteht die Gefahr, dass durch einen axialen Spalt 7, der zwischen einer axial hinteren Kante 51 des Nasenkonus 5 und der Fanscheibe 230 ausgebildet ist, Wasser eintreten kann. Ein solcher Spalt 7 ist erforderlich, um eine Ausdehnung des Nasenkonus 5 bei steigendem Temperatur zu ermöglichen. Da die Befestigungselemente 6 nicht ringförmig in Umfangsrichtung verlaufen, sondern in Umfangsrichtung beabstandet ausgebildet sind, können sie bzw. ihre Verbindung mit dem Nasenkonus 5 den Eintritt von durch den Spalt 7 eintretendem Wasser nicht verhindern.
Die Gefahr eines Wassereintritts besteht insbesondere nach Abschalten des Triebwerks, wenn auf etwaige Wassertropfen keine Zentrifugalkraft mehr wirkt. Wasser, das beispielsweise an den Fanschaufeln 231 herunterläuft und dann in den Spalt 7 eintritt, ist in der 10 schematisch durch den Pfeil 95 dargestellt. Solches Wasser kann sich in Kavitäten 236, 237 sammeln. Wenn es beispielsweise über Nacht gefriert, bildet das gefrorene Wasser eine ungeplante Unwucht der Fanscheibe 230.
Die 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Fans 22, an dem stromaufwärts ein Nasenkonus 5 angeordnet ist. Der Nasenkonus 5 ist innen hohl und besteht beispielsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff. Er bildet einen hinteren Endbereich 50 und an diesem eine axial hintere Kante 51 aus.
Der Fan 23 umfasst eine Fanscheibe 230, an der sich radial außen eine Vielzahl von Fanschaufeln 231 erstrecken. Die Fanscheibe 230 und die Fanschaufeln 231 können in BLISK-Bauweise ausgebildet sein. Die Fanscheibe 230 weist eine axial vordere Seite 2300 auf, an der eine Mehrzahl in Umfangsrichtung beabstandeter und von der Fanscheibe 230 axial nach vorne vorstehender Befestigungselemente 6 ausgebildet sind, die eine laschenartige Form besitzen. An den Befestigungselementen 6 ist der Nasenkonus 5 an der Fanscheibe 230 befestigt.
An der axial vorderen Seite 2300 bildet die Fanscheibe 230 des Weiteren einen in Umfangsrichtung über 360° umlaufenden Rand 4 aus, dessen Struktur anhand der 5-7 erläutert wird. An der axial vorderen Seite 2300 der Fanscheibe 230 sind des Weiteren in Umfangsrichtung beabstandete Befestigungslaschen 235 ausgebildet, die jeweils dazu dienen, ein Wuchtgewicht aufzunehmen.
Nachfolgend wird auf die 5 und 6 Bezug genommen, die in perspektivischer Ansicht und in Schnittansicht die Verbindung zwischen der Fanscheibe 230 und dem Nasenkonus 5 vergrößert darstellen.
Dabei ist erkennbar, dass der umlaufende Rand 4 eine konkave Einbuchtung 41 sowie eine radial äußere Anlagefläche 42 ausbildet. Die konkave Einbuchtung 41 grenzt unmittelbar an einen vertikalen Wandabschnitt der Fanscheibe 230 an. Die Anlagefläche 42 ist axial vor der konkaven Einbuchtung 41 ausgebildet. Der Nasenkonus 5 liegt in seinem hinteren Endbereich 50 über eine bestimmte Länge an der Anlagefläche 42 an. Der umlaufende Rand 4 ist somit radial innen zum axial hinteren Endbereich 50 des Nasenkonus 50 angeordnet.
Wie insbesondere in der 6 erkennbar ist, erstreckt sich zwischen der axial hinteren Kante 51 des Nasenkonus 5 und der Fanscheibe 130 ein axialer Spalt 7, durch den bei entsprechenden Konditionen Wasser eindringen kann. Dabei ist die konkave Einbuchtung 41 des umlaufenden Randes 4 derart angeordnet, dass eintretendes Wasser von der konkaven Einbuchtung 41 aufgenommen wird. Die konkave Einbuchtung 41 bildet eine Art Regenrinne für eintretendes Wasser.
Eintretendes Wasser wird in der konkaven Einbuchtung 41 in Umfangsrichtung nach unten abgeleitet. Es sammelt sich aufgrund der Schwerkraft an einem unteren Sammelpunkt der konkaven Einbuchtung 41. Dort kann es durch den Spalt 7 wieder austreten.
In den 5 und 6 ist auch die mechanische Verbindung zwischen dem Nasenkonus 5 und der Fanscheibe 130 näher dargestellt. Die axial nach vorne abstehenden Befestigungselemente 6 der Fanscheibe 230 bilden jeweils eine Öffnung 61 auf, die eine Befestigungsaufnahme 52 des Nasenkonus 5 aufnimmt. Die eigentliche Befestigung erfolgt über nicht dargestellte Befestigungsbolzen, die durch die Befestigungsaufnahme 52 und die Öffnung 61 geführt werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass der umlaufende Rand 4 radial außen zu den Befestigungselementen 6 ausgebildet ist. Er erstreckt sich weniger weit axial nach vorne als die Befestigungselement 6, wie sich beispielsweise aus der 6 ergibt.
Die 7 zeigt in vergrößerter Darstellung den umlaufenden Rand 4, der die konkave Einbuchtung 41 und die radial äußere Anlagefläche 42 ausbildet. Wie bereits in Bezug auf die 5 und 6 erläutert, besteht zwischen der axial hinteren Kante 51 des Nasenkonus 5 und der Fanscheibe 230 ein Spalt 7, durch den Wasser eindringen kann. Eindringendes Wasser wird durch die konkave Einbuchtung 41 abgeleitet.
Der Nasenkonus 5 wird in seinem axial hinteren Endbereich 50 durch die Anlagefläche 42 des umlaufenden Randes 4 abgestützt. Die Anlagefläche 42 und der Nasenkonus 5 verlaufen dabei über eine gewisse axiale Strecke parallel und besitzen die gleiche Neigung zur Längsrichtung bzw. X-Achse. Dabei sind zwei Ausführungsvarianten möglich.
Gemäß der einen Ausführungsvariante liegt eine Spielpassung zwischen dem Nasenkonus 5 und der Anlagefläche 42 vor, so dass ein radialer Spalt 45 zwischen der Anlagefläche 42 und dem Nasenkonus 5 existiert. Der radiale Spalt 45 ist dabei derart bemessen, dass etwaiges Wasser, das über den axialen Spalt 7 in die konkave Einbuchtung 41 eindringt, aufgrund der Oberflächenspannung des Wassers den Spalt 45 nicht passieren kann. Gleichzeitig ermöglicht der Spalt 45 jedoch eine Belüftung des Inneren des Nasenkonus 5.
Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante liegt der Nasenkonus 5 möglichst dicht und dementsprechend ohne Ausbildung eines radialen Spaltes an der Anlagefläche 42 an.
Es wird darauf hingewiesen, dass aufgrund des schrägen Verlaufs der Anlagefläche 42 der radiale Durchmesser d des umlaufenden Randes 4 in axialer Richtung zur Fanscheibe 230 hin zunächst zunimmt, bevor er im Bereich der konkaven Einbuchtung 41 anschließend wieder abnimmt. Er bildet dabei in axialer Richtung zunächst ein Maximum dmax und anschließend ein Minimum d_min aus. Die Unterseite 43 des umlaufenden Randes 4 ist plan ausgebildet und erstreckt sich in axialer Richtung.
Die 8 und 9 zeigen ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem der umlaufende Rand 4 und die Befestigungselemente 6 nicht einstückig mit der Fanscheibe 230 ausgebildet sind, wie es beim Ausführungsbeispiel der 4-7 der Fall ist, sondern an einem gesonderten Ring 8 ausgebildet sind, der mit der axial vorderen Seite 2300 der Fanscheibe 230 verbunden ist. Die Befestigung erfolgt beispielsweise im Bereich von Befestigungslaschen 81.
Der umlaufende Ring 8 bildet die konkave Einbuchtung 41 aus, indem er einen entsprechenden Kanal ausbildet. Die Befestigungslaschen 6 zur Verbindung des Nasenkonus 5 sind äquidistant in Umfangsrichtung an dem Ring 8 ausgebildet. Der Nasenkonus 5 weist dabei ebenso wie in den 5-7 Befestigungsaufnahmen 52 zur Aufnahme von Befestigungsbolzen auf.
Die Funktionsweise ist wie folgt. Es liegt wiederum ein Spalt 7 zwischen der axial hinteren Kante 51 des Nasenkonus 5 und der Stirnseite der Fanscheibe 230 vor, durch den Wasser eindringen kann. Wasser, dass durch den Spalt 7 eintritt und in die konkave Einbuchtung 41 fließt, ist in der 8 schematisch durch Pfeile 95 dargestellt. Eintretendes Wasser 96 sammelt sich in der konkaven Einbuchtung 41 und wird in dieser in Umfangsrichtung nach unten abgeleitet. Der Ring 8, der sowohl die konkave Einbuchtung 41 als auch die Befestigungslasche 6 ausbildet, ist dabei mit der Fanscheibe 230 mechanisch verbunden.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Beispielsweise sind die genaue Form des umlaufenden Randes und der konkaven Einbuchtung 41, die in den Figuren dargestellt ist, lediglich beispielhaft zu verstehen.
Es wird darauf hingewiesen, dass beliebige der beschriebenen Merkmale separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden können, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale aus, die hier beschrieben werden und umfasst diese. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.

Claims

Fan eines Gasturbinentriebwerks, der aufweist: - eine Fanscheibe (230) mit einer Mehrzahl in Umfangsrichtung beabstandeter und von der Fanscheibe (230) axial nach vorne vorstehender Befestigungselemente (6), die direkt an der Fanscheibe (230) oder an einem mit der Fanscheibe verbundenen Teil (8) ausgebildet sind, - einen Nasenkonus (5), der stromaufwärts der Fanscheibe (230) angeordnet und mittels der Befestigungselemente (6) mit der Fanscheibe (230) verbunden ist, wobei der Nasenkonus (5) an einem axial hinteren Endbereich (50) eine axial hintere Kante (51) ausbildet, die an die Fanscheibe (230) angrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass an einer axial vorderen Seite (2300) der Fanscheibe (230) ein in Umfangsrichtung umlaufender Rand (4) ausgebildet ist, der radial innen zum axial hinteren Endbereich (50) des Nasenkonus (5) verläuft, wobei der in Umfangsrichtung umlaufende Rand (4) eine konkave Einbuchtung (41) ausbildet derart, dass in einen Spalt (7) zwischen der axial hinteren Kante (51) des Nasenkonus (5) und der Fanscheibe (230) eintretendes Wasser in die konkave Einbuchtung (41) gelangt.
Fan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der umlaufende Rand (4) des Weiteren eine radial äußere Anlagefläche (42) ausbildet, die axial vor der konkaven Einbuchtung (41) ausgebildet ist, wobei der Nasenkonus (5) an seinem axial hinteren Endbereich (50) an der Anlagefläche (42) wasserdicht anliegt.
Fan nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Nasenkonus (5) an seinem axial hinteren Endbereich (50) ohne Spiel an der radial äußeren Anlagefläche (42) anliegt.
Fan nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Nasenkonus (5) an seinem axial hinteren Endbereich (50) mit einem radialen Spalt (45) an der radial äußeren Anlagefläche (42) anliegt, wobei der radiale Spalt (45) derart bemessen ist, dass er wasserdicht ausgebildet ist.
Fan nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die radial äußere Anlagefläche (42) über eine axiale Länge schräg oder parallel zur axialen Richtung verläuft, wobei der Nasenkonus (5) und die radial äußere Anlagefläche (42) über die axiale Länge aneinander anliegen.
Fan nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die konkave Einbuchtung (41) dazu ausgebildet ist, dass in sie gelangendes Wasser in Umfangsrichtung nach unten laufen und an einem unteren Sammelpunkt durch den Spalt (7) zwischen der axial hinteren Kante (51) des Nasenkonus (5) und der Fanscheibe (230) wieder austreten kann.
Fan nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in Umfangsrichtung umlaufende Rand (4), der die konkave Einbuchtung (41) ausbildet, radial außerhalb der Befestigungselemente (6) verläuft.
Fan nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in Umfangsrichtung umlaufende Rand (4), der die konkave Einbuchtung (41) ausbildet, integraler Bestandteil der Fanscheibe (230) ist.
Fan nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der in Umfangsrichtung umlaufende Rand (4), der die konkave Einbuchtung (41) ausbildet, durch einen gesonderten Ring (8) gebildet ist, der mit der axial vorderen Seite (2300) der Fanscheibe (230) verbunden ist.
Fan nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (8) zusätzlich die axial nach vorne vorstehenden Befestigungselemente (6) ausbildet, über die der Nasenkonus (5) mit der Fanscheibe (230) verbunden ist.
Fan nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nasenkonus (5) mittels Bolzen (92) mit den von der Fanscheibe (230) vorstehenden Befestigungselementen (6) verbunden ist.
Fan nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in Umfangsrichtung umlaufende Rand (4) sich über 360° erstreckt.
Fan nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der axial vordere Seite (2300) der Fanscheibe (230) in Umfangsrichtung beabstandete Befestigungslaschen (235) zur Aufnahme von Wuchtgewichten ausgebildet sind.
Fan nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungselemente (6) laschenförmig oder fingerförmig ausgebildet sind.
Gasturbinentriebwerk (10), das aufweist: - einen Triebwerkskern (11), der eine Turbine (19), einen Verdichter (14) und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende, als Hohlwelle ausgebildete Turbinenwelle (26) umfasst; - einen Fan (23) gemäß Anspruch 1, der stromaufwärts des Triebwerkskerns (11) positioniert ist; und - ein Getriebe (30), das einen Eingang von der Turbinenwelle (26) empfängt und Antrieb für den Fan (23) zum Antreiben des Fans mit einer niedrigeren Drehzahl als die Turbinenwelle (26) abgibt.