DE102021121659A1 - Zahnrad eines Getriebes - Google Patents

Abstract

Es wird ein Zahnrad (324) eines Getriebes (30), insbesondere eines Getriebes (30) eines Gasturbinentriebwerkes beschrieben, das mit einer sich am äußeren Umfang eines Grundkörpers (324A) des Zahnrades (324) in Umfangsrichtung (U) erstreckenden Nut (324D, 324E) ausgeführt ist, in der zumindest in Umfangsrichtung (U) verlaufende Fasern (324F, 324G) angeordnet sind. Die Fasern (324F, 324G) umgreifen den Grundkörper (324A) in Umfangsrichtung (U), wobei die Fasern (324F, 324G) nur bei einem Bruch des Grundkörpers (324A) am Zahnrad (324) angreifende Betriebslasten zumindest teilweise abstützen.

Description

• Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Zahnrad eines Getriebes, insbesondere eines Getriebes eines Gasturbinentriebwerkes eines Luftfahrzeuges.
• Bekannterweise rotieren Zahnräder von Getrieben im Betrieb und übertragen Leistung. Die kinetische Energie der rotierenden Zahnräder steht in Abhängigkeit vom Produkt aus der Masse des Zahnrades und der Drehgeschwindigkeit zum Quadrat. Im Falle eines Bruches eines Zahnrades werden Bruchstücke des Zahnrades entlang einer tangentialen Flugbahn aus dem vorherigen Rotationspfad in Abhängigkeit der Höhe der aktuellen kinetischen Energie mehr oder weniger stark weggeschleudert. Je größer die Rotationsgeschwindigkeit des Zahnrades zum Zeitpunkt des Bruches ist und je größer die Masse der Bruchstücke ist, desto größer ist die kinetische Energie, mit der die Bruchstücke auf Strukturen auftreffen, die das Zahnrad umgeben. Übersteigt die kinetische Energie der Bruchstücke zulässige Werte, werden die Strukturen durch den Aufprall beschädigt. Dabei besteht die Möglichkeit, dass die Bruchstücke eines gebrochenen Zahnrades eine Wand eines Getriebegehäuses durchschlagen und auf weitere Einrichtungen, die in der das Getriebe umgebenden Peripherie angeordnet sind, mit hoher kinetischer Energie auftreffen und gegebenenfalls beschädigen.
• Dies ist besonders im Bereich von Gasturbinentriebwerken, wie Flugtriebwerken, problematisch, die im Leistungsstrang zwischen einer Turbine und einem Bläser mit einem Getriebe ausgeführt sind. Dann besteht die Möglichkeit, dass abgeschleuderte Bruchstücke von Zahnrädern eine Funktion eines Flugtriebwerkes beeinträchtigen, was jedoch unerwünscht ist.
• Um einen unkontrollierten Austritt von Bruchstücken eines Zahnrades nach einem Bruch eines Zahnrades zu vermeiden, besteht die Möglichkeit, beispielsweise ein Getriebegehäuse mit einer entsprechenden Festigkeit auszuführen. Diese Vorgehensweise erhöht jedoch ein Gesamtgewicht eines Getriebes, was sich nachteilig auf einen spezifischen Kraftstoffverbrauch eines Flugtriebwerkes auswirkt.
• Zusätzlich ist zu berücksichtigen, dass ein Zahnradbruch durch einen Funktionsausfall eines Lagers eines Zahnrades ausgelöst werden kann. Das bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit eines Zahnradbruches dann auch von der Ausfallwahrscheinlichkeit eines Zahnradlagers abhängig ist, die unter Umständen höher sein kann als die Wahrscheinlichkeit, dass ein Zahnradbruch ohne Lagerschaden auftritt. Dann kann nicht sichergestellt werden, dass die Wahrscheinlichkeit eines Bruches eines rotierenden Zahnrades möglichst gering ist.
• Aus der WO 2020 / 109 772 A1 ist ein Zahnrad bekannt, das zumindest teilweise aus Verbundwerkstoffen hergestellt ist. Dabei wird unter anderem vorgeschlagen, ein Zahnrad mit einer ringförmigen metallischen Komponente und mit einer Verbundmaterialkomponente auszuführen. Die metallische Komponente umfasst einen Stützring und Zahnradzähne, die an dem Stützring ausgebildet sind. Der Stützring hat eine relativ dünnwandige Form und ist daher relativ flexibel ausgeführt. Wenn im Betrieb des Zahnrades im Bereich der Zahnradzähne Lasten anliegen, treten gegebenenfalls unerwünschte Verformungen bzw. Verbiegungen des Stützrings auf. Um das Risiko von Verformungen der metallischen Komponente zu verringern, sind auf Schultern des Stützrings Verbundmaterial-Verstärkungselemente der Verbundmaterialkomponente vorgesehen, die über Presspassungen mit dem Stützring zusammenwirken. Die Verbundmaterial-Verstärkungselemente bewirken am Stützring eine nach innen gerichtete radiale Kraft, wodurch die Festigkeit und die Lasttragfähigkeit des Zahnrades insgesamt verbessert wird.
• Im Falle eines Zahnradbruches im Bereich des metallischen Stützrings besteht bei der vorbeschriebenen Ausführungsform des Zahnrades mit hoher Wahrscheinlichkeit die Möglichkeit, dass sich der Riss im Zahnrad nicht nur auf den metallischen Stützring beschränkt, sondern dass auch die Verbundmaterial-Verstärkungselemente, die über die Presspassung mit dem metallischen Stützring in Verbindung stehen, ebenfalls beschädigt werden und Bruchstücke des Zahnrades im Betrieb in tangentialer Richtung abgeschleudert werden.
• Der vorliegenden Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zahnrad zur Verfügung zu stellen, mit dem bei Auftreten eines Zahnradbruches die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung von Bauteilen, die in der Umgebung des Zahnrades angeordnet sind, durch Bruchstücke des Zahnrades gering ist.
• Diese Aufgabe wird mit einem Zahnrad mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
• Es wird ein Zahnrad eines Getriebes, insbesondere eines Getriebes eines Gasturbinentriebwerkes eines Luftfahrzeuges vorgeschlagen, das eine Nut aufweist, die sich am äußeren Umfang eines Grundkörpers des Zahnrades in Umfangsrichtung im Grundkörper erstreckt. In der Nut sind zumindest in Umfangsrichtung verlaufende Fasern angeordnet, die den Grundkörper in Umfangsrichtung umgreifen. Dabei stützen die Fasern nur bei einem Bruch des Grundkörpers am Zahnrad angreifende Betriebslasten zumindest teilweise ab.
• Die Faserumwicklung des Zahnrades gemäß der vorliegenden Offenbarung ist somit nicht permanent bzw. fest mit dem Zahnrad verbunden, sondern nur soweit in der Nut angeordnet, dass die Umwicklung im Normalbetrieb des Zahnrades mit diesem mitrotiert und in der Nut verbleibt, aber keine Betriebslasten abstützt und auch keinen Betrag zur Festigkeit des Zahnrades liefert.
• Über die Faserumwicklung, die mit einer entsprechenden Elastizität ausgeführt ist, werden jedoch Bruchfragmente des Zahnrades, die im Falle eines Bruches eines sogenannten Zahnradkranzes auftreten, im Vergleich zu bekannten Zahnradausführungen über längere Betriebszeiten auf dem Rotationspfad des Zahnrades zusammengehalten. Dadurch wird erreicht, dass die Bruchstücke bei fortgesetzter Rotation des Zahnrades noch möglichst häufig durch den Zahneingriff mit wenigstens einem weiteren Zahnrad gezwungen werden, obwohl der Zahneingriff aufgrund des ersten Bruches des Zahnrades bereits beeinträchtigt ist.
• Das bereits gebrochene Zahnrad wird bzw. die Bruchfragmente des Zahnrades werden dann ähnlich wie in einer Mühle oder in einem Schredder in mehrere Bruchfragmente zerkleinert, bis die einzelnen Bruchfragmente eine definierte Obergrenze unterschreiten. Dann werden die Bruchstücke nicht länger von der Faserumwicklung zurückgehalten und verlassen schließlich doch den ursprünglichen Rotationspfad des Zahnrades aufgrund der angreifenden Fliehkraft.
• Unterhalb der definierten Obergrenze der Größe der Bruchstücke weisen die Bruchstücke jeweils eine Bauteilmasse auf, die aufgrund der sich daraus ergebenden kinetischen Energie keine nennenswerte Beschädigung im Bereich von Bauteilen verursachen, die in der Umgebung des Zahnrades angeordnet sind und auf die die Bruchstücke auftreffen.
• Der vorliegenden Offenbarung liegt dabei die Kenntnis zugrunde, dass die Gesamtsumme der kinetischen Energie aller Bruchfragmente des Zahnrades zwar gleich bleibt, jedoch die Anzahl der Bruchfragmente, die abgeschleudert werden, durch das Zurückhalten der anfänglichen Bruchstücke und das daraus resultierende anschließende Zerkleinern der Bruchstücke im Vergleich zu bekannten Zahnrädern größer ist. Dies bewirkt, dass die Gesamtfläche der Aufschlagorte der einzelnen Bruchstücke des Zahnrades in der statischen Getriebe- bzw. Triebwerksstruktur ebenfalls erhöht ist. Die auf die Aufschlagfläche bezogene kinetische Energie ist daher entsprechend geringer. Damit ist auch die Wahrscheinlichkeit eines Durchschlages von Bruchfragmenten beispielsweise durch ein Getriebegehäuse kleiner. Folglich ist auch die Wahrscheinlichkeit gering, dass ein vorzugsweise initialer Zahnkranzbruch im Bereich eines Getriebes eines Flugtriebwerkes flugsicherheitsrelevante Auswirkungen hat.
• Die vorgenannten Vorteile werden auf konstruktiv einfache Art und Weise dadurch erreicht, dass zwischen den Fasern bzw. einem Faserverbund der Faserumwicklung und dem eigentlichen Zahnradmaterial insbesondere in Umfangsrichtung des Grundkörpers des Zahnrades keine feste Verbindung besteht. Die Fasern bzw. der Faserverbund können sich deshalb im Fall eines Zahnradbruches bzw. eines sogenannten Zahnkranzbruches unabhängig von Zahnradmaterial elastisch formen, insbesondere in Umfangsrichtung des Zahnrades. Der Bruch bzw. die weiteren Brüche im Zahnradmaterial können sich aufgrund der fehlenden Verbindung mit den Fasern nicht in die Faserumwicklung fortsetzen.
• Vorliegend wird unter einer nicht-festen Verbindung zwischen den Fasern und dem eigentlichen Zahnradmaterial eine Anordnung der Fasern im Umfangsbereich des Zahnrades dahingehend verstanden, dass die Faserumwicklung im Normalbetrieb des nicht beschädigten Zahnrades keinen Beitrag zur Steifigkeit bzw. zur Festigkeit des Zahnrades selbst leisten kann bzw. leisten darf.
• Zusätzlich ist von Vorteil, dass die Faserumwicklung beispielsweise während einer Inspektion des Zahnrades oder einer Wartung des Zahnrades bzw. des Getriebes, in dem das Zahnrad verbaut ist, mit geringem Aufwand vom Zahnrad entfernt werden kann. Nach der Inspektion des Zahnrades kann wiederum mit geringem Aufwand eine neue Faserumwicklung am Zahnrad angebracht werden.
• Der Bereich des Grundkörpers bzw. des Zahnradkranzes des Zahnrades, in dem die wenigstens eine Nut vorgesehen ist, kann in axialer Richtung neben einem Zahnprofil des Zahnrades vorgesehen sein. Bei einer solchen Ausführungsform des Zahnrades gemäß der vorliegenden Offenbarung liegen die Fasern jeweils in einer speziellen umlaufenden Nut. Dadurch ist gewährleistet, dass die Fasern nicht mit den Zahnradzähnen interagieren, die mit weiteren Zahnradzähnen eines damit kämmenden weiteren Zahnrades in Eingriff stehen. Die Funktionalität der Fasern wird damit durch einen Bruch des Zahnrades nicht beeinträchtigt. Ähnlich wie bei einer Mühle oder bei einem Schredder führt ein fortgesetzter Zahneingriff zwischen dem gebrochenen Zahnrad und einem weiteren Zahnrad zu weiteren Beschädigungen und weiteren Rissen des beschädigten Zahnrades und/oder zu ähnlichen Schäden an dem mit dem gebrochenen Zahnrad kämmenden Zahnrad, das ebenfalls von Fasern umwickelt sein kann.
• Durch den weiteren Eingriff und die dabei auftretende Rotation des gebrochenen Zahnrades schreitet die Beschädigung des gebrochenen Zahnrades beispielsweise in Form einer weiteren Rissbildung des gebrochenen Zahnrades fort. Eine weitere Beschädigung und eine weitere Rissbildung des gebrochenen Zahnrades hat einen weiteren Zerfall des Zahnrades in eine größere Anzahl von Bruchstücken zur Folge, die jeweils eine entsprechend kleinere Masse und eine entsprechend geringere kinetische Energie aufweisen.
• Wenn die Fasern in der Nut im Grundkörper derart angebracht sind, dass ein fliehkraftbedingtes Lösen der Fasern vom Zahnrad während einer Drehbewegung des Zahnrades unterbleibt, wird die Schutzfunktion der Fasern gegen ein unkontrolliertes Abschleudern von Bruchstücken eines Zahnrades, die eine hohe kinetische Energie aufweisen, auf einfache Art und Weise über ausreichend lange Betriebszeiten aufrechterhalten bzw. gewährleistet und ein unerwünschter Austritt von Bruchstücken eines Zahnrades aus einem Getriebe vermieden.
• Um ein unerwünschtes Lösen der Fasern vom Zahnrad zu vermeiden, können die Fasern in einer Matrix, vorzugsweise in einer Epoxid-Matrix, und/oder in einer zusätzlichen Schicht aus einem Gewebe oder einem Stoff eingebettet sein. Auch dann sind die Fasern in der Nut derart am Zahnrad angebracht, dass es im Normalbetrieb des Getriebes keinen oder nur einen vernachlässigbaren Beitrag der Fasern zur Last- oder Leistungsübertragungsfähigkeit des Getriebes und auch insbesondere des Zahnrades gibt. Folglich besteht keine spezifische Verbindung zwischen den Fasern bzw. den in einer Matrix eingebetteten Fasern und einem Zahnradgrundwerkstoff bzw. dem Material, aus dem der Grundkörper hergestellt ist.
• Dadurch wird die Vorgabe erreicht, dass im Falle eines Bruches des Zahnradgrundkörpers, der z. B. von einem Defekt im Zahnradgrundkörper oder einem Ausfall des Getriebelagers verursacht wird, die Ringkontinuität der Fasern zunächst noch intakt bleibt. Dabei kann sich der Bruch bzw. der Riss im Grundkörper des Zahnrades nicht in die Fasern ausbreiten, weil keine feste Verbindung zwischen den Fasern und dem Zahnradgrundstoff vorhanden ist.
• Die sogenannte Ringkontinuität der Fasern verhindert, dass das Zahnrad aufgrund eines Bruches platzt oder sich abwickelt und anschließend unerwünscht große Zahnradfragmente entlang einer tangentialen Flugbahn vom Rotationsweg des Zahnrades abschleudern und als hochenergetische Trümmer freigesetzt werden. Die mittels der Fasern aufrechterhaltene Ringkontinuität des gebrochenen Zahnrades zwingt die Bruchstücke des gebrochenen Zahnrades dazu, sich stattdessen weiter um die Zahnradachse zu drehen.
• Als Fasern können Aramid-Fasern, Siliziumkarbid-Fasern und/oder Kohlenstoff-Fasern vorgesehen sein, die allesamt hochfeste Fasern darstellen.
• Bei einer Ausführungsform des Zahnrades gemäß der vorliegenden Offenbarung, die durch einen geringen Montageaufwand gekennzeichnet ist und bei der die Fasern mit geringem Aufwand am Zahnrad anbringbar sind, sind die Fasern in der Nut in Umfangsrichtung des Zahnrades ähnlich wie ein Faden auf einer Fadenrolle aufgewickelt.
• Die Fasern können in Form von Streifen und/oder als Faserbündel in der Nut angeordnet sein. Dann sind die Fasern aufgrund der gegenseitigen Abstützung der Fasern insgesamt durch eine hohe Festigkeit gekennzeichnet und wirken einem unkontrollierten Abschleudern von großen Bruchstücken des Zahnrades nach einem Zahnradbruch zumindest solange wirksam entgegen, bis große Bruchstücke des Zahnrades nach dem ersten Zahnradbruch im weiteren Betrieb des Zahnrades in vorbeschriebenem Umfang in kleinere Bruchstücke zerbrochen bzw. zermahlen sind.
• Die Aufwickelrichtung der Fasern ist gleich der Drehrichtung des Zahnrades, wenn das Zahnrad immer in dieselbe Drehrichtung betrieben wird, so dass die Drehrichtung der Abwicklungsrichtung der Fasern entgegengesetzt ist.
• Wenn eine Länge der Fasern größer als der Umfang des Grundkörpers des Zahnrades gewählt ist, wird der Umfang des Zahnrades zumindest einmal vollständig von der Länge einer Faser umschlossen, womit die Faserumwicklung wiederum hohe radiale Lasten, die nach einem Zahnradbruch auftreten, aufnehmen kann.
• Das vorstehend näher beschriebene Zahnrad kann beispielsweise ein im Betrieb eines Planetengetriebes mit hoher Drehzahl rotierendes Planetenrad, Sonnenrad oder auch ein Hohlrad sein.
• Bei einem Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und 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 umfassen, bei denen es sich um variable Statorschaufeln (dahingehend, dass ihr Anstellwinkel variabel sein kann) handeln kann. 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 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 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 Gasturbinentriebwerks kann als der Nettoschub des Gasturbinentriebwerks 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 Gasturbinentriebwerke können im Vergleich zu herkömmlichen Gasturbinentriebwerken besonders effizient sein.
• Ein Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und 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 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 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 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 einer VAN zutreffen.
• Das Gebläse eines Gasturbinentriebwerkes, das hier beschrieben 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 bedeuten, an dem das Gasturbinentriebwerk angebracht ist. Solche Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können herkömmlicherweise als die Bedingungen während des mittleren Teils des Flugs definiert werden, beispielsweise die Bedingungen, denen das Luftfahrzeug und/oder das Gasturbinentriebwerk 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 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 vorliegende Offenbarung ist nicht auf die angegeben Kombination der Merkmale der nebengeordneten Ansprüche oder hiervon abhängigen Ansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus Möglichkeiten, einzelne Merkmale, auch soweit sie aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen und unmittelbar aus der Zeichnung hervorgehen, miteinander zu kombinieren. Die Bezugnahme der Ansprüche auf die Zeichnungen durch Verwendung von Bezugszeichen soll den Schutzumfang der Ansprüche nicht beschränken.
• Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele des Gegenstandes gemäß der vorliegenden Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
• 1 eine schematisierte Längsschnittansicht eines Gasturbinentriebwerkes;
• 2 eine vergrößerte Teillängsschnittansicht eines stromaufwärtigen Abschnitts eines Gasturbinentriebwerks;
• 3 eine Alleindarstellung eines Getriebes für ein Gasturbinentriebwerk;
• 4 eine stark schematisierte Einzeldarstellung einer ersten Ausführungsform eines als Planetenrad ausgeführten Zahnrades des Planetengetriebes gemäß 3 in einer Teillängsschnittansicht, das in axialer Richtung jeweils neben einem Verzahnungsbereich in Umfangsrichtung verlaufende Nuten aufweist, in denen Fasern angeordnet sind;
• 5 eine 4 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines doppelverzahnten Zahnrades, das als Planetenrad ausgeführt ist, wobei sowohl zwischen den beiden Verzahnungsbereichen als auch in axialer Richtung X neben Verzahnungsbereichen jeweils eine Nut mit in Umfangsrichtung in den Nuten verlaufenden Fasern vorgesehen sind; und
• 6 eine Weiterbildung des in 5 gezeigten Zahnrades, bei dem zwischen zwei Verzahnungsbereichen eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut vorgesehen ist, in der Fasern angeordnet sind, die in Umfangsrichtung des Planetenrades aufgewickelt sind.
• 1 stellt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einer Hauptdrehachse 9 dar. Das Triebwerk 10 umfasst einen Lufteinlass 12 und ein Schubgebläse 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 Umlaufrädergetriebe 30 an der Niederdruckturbine 19 angebracht und wird durch diese angetrieben. Dabei wird die Welle 26 auch als Kernwelle bezeichnet.
• 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, die auch als Kernwelle bezeichnet wird. Das Gebläse 23 stellt allgemein den Hauptteil der Schubkraft bereit. Das Umlaufrädergetriebe 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 Umlaufrädergetriebe-Anordnung 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 und sind jeweils drehbar auf drehfest mit dem Planetenträger 34 verbundenen und in 3 näher gezeigten Trägerelementen bzw. Planetenbolzen 42 angeordnet. Der Planetenträger 34 beschränkt die Planetenräder 32 darauf, synchron um das Sonnenrad 28 zu kreisen, während er ermöglicht, dass sich jedes Planetenrad 32 auf den Planetenbolzen 42, die statische Achsen darstellen, 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 Umlaufrädergetriebe 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 Umlaufrädergetriebes 30 umfassen allgemein mindestens drei Planetenräder 32.
• Das in 2 und 3 beispielhaft dargestellte Umlaufrädergetriebe 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 Umlaufrädergetriebe 30 verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel kann das Umlaufrädergetriebe 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 oder können 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.
• Die Geometrie des Gasturbinentriebwerks 10 und Komponenten davon wird bzw. werden durch ein herkömmliches Achsensystem definiert, das eine axiale Richtung X (die auf die Drehachse 9 ausgerichtet ist), eine radiale Richtung Y (in der Richtung von unten nach oben in 1) und eine Umfangsrichtung U (senkrecht zu der Ansicht in 1) umfasst. Die axiale, die radiale und die Umfangsrichtung X, Y und U verlaufen senkrecht zueinander.
• 4 zeigt eine Teillängsschnittansicht einer ersten Ausführungsform eines als Planetenrad 324 ausgeführten Zahnrades des Planetengetriebes 30 gemäß 3 in Alleinstellung. Das Planetenrad 324 umfasst einen hohlzylindrischen Grundkörper 324A, der mit seinem Innendurchmesser mit einem Außendurchmesser eines in 4 nicht näher dargestellten Planetenbolzens zusammenwirkt, der mit dem Planetenträger 34 drehfest verbunden ist und dessen Mittellängsachse gleich der Rotationsachse 324H des Planetenrades 324 ist. Im Bereich seiner Außenseite 324C ist der Grundkörper 324A mit einem Verzahnungsbereich 324B ausgeführt, über den das Planetenrad 324 mit dem Sonnenrad 28 und mit dem Hohlrad 38 in Eingriff steht. Der Verzahnungsbereich 324B kann in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles gradverzahnt oder schrägverzahnt ausgeführt sein.
• In axialer Richtung X des Planetenrades 324 ist im Bereich einer Außenseite 324C des Grundkörpers 324A beidseits des Verzahnungsbereiches 324B jeweils eine Nut 324D, 324E vorgesehen. Die Nuten 324D, 324E erstrecken sich über den gesamten Umfang des Grundkörpers 324A und sind radial nach außen offen ausgeführt. Des Weiteren weisen die Nuten 324D und 324E jeweils einen rechteckförmigen Querschnitt auf, wobei die Nuten in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles auch einen anderen geeigneten Querschnitt aufweisen können. In den Nuten 324D und 324E sind hochfeste Fasern 324F, 324G vorgesehen, die in den Nuten 324D, 324E in Umfangsrichtung U des Zahnrades 324 aufgewickelt bzw. um den Grundkörper 324A herumgewickelt sind.
• Dabei sind die Fasern 324F und 324G in den Nuten 324D, 324E jeweils so angeordnet, dass die Fasern im Betrieb des Planetengetriebes 30 keine Betriebslasten abstützen, die am Planetenrad 324 aufgrund der Zahneingriffe mit dem Hohlrad 38 und mit dem Sonnenrad 28 anliegen, solange das Planetenrad 324 seinen vollen Funktionsumfang aufweist. Die Fasern 324F und 324G sind zusätzlich derart in den Nuten 324D, 324E angeordnet, dass die Fasern 324F und 324G während der Rotation des Planetenrades 324 in den Nuten 324F, 324G verbleiben.
• Tritt im Betrieb des Planetengetriebes 30 ein Bruch im Bereich des Zahnrades 324 und insbesondere im Bereich des Grundkörpers 324A auf, verhindern die Fasern 324F und 324G, dass direkt nach dem Bruch des Zahnrades 324 ein Bruchstück des Planetenrades 324 tangential zum Umfang des Planetenrades 324 von der angreifenden Fliehkraft aus dem Eingriff mit dem Sonnenrad 28 und dem Hohlrad 38 geführt wird und gegen ein nicht näher dargestelltes Gehäuse des Planetengetriebes 30 geschleudert wird.
• Die Bruchstücke des Planetenrades 324 werden nach dem Bruch des Planetenrades 324 von der Faserumwicklung bzw. von den Fasern 324F und 324G möglichst lange zurückgehalten, so dass die Bruchstücke des Planetenrades 324 weiter um die Rotationsachse 324H rotieren und mit dem Sonnenrad 28 und mit dem Hohlrad 38 kämmen. Dies führt dazu, dass die anfänglich größeren Bruchstücke des Planetenrades 324 während des weiterhin bestehenden Zahneingriffes mit dem Sonnenrad 28 und mit dem Hohlrad 38 in kleinere Bruchfragmente zerbrechen. Sobald diese kleineren Bruchstücke klein genug sind, um von der Faserumwicklung nicht länger im Rotationspfad des Planetenrades 324 um die Rotationsachse 324H gehalten zu werden, verlassen diese dann den Rotationspfad aufgrund der angreifenden Fliehkraft und treffen anschließend auf eine Innenwand des Gehäuses des Planetengetriebes 30. Durch den Aufprall am Gehäuse des Planetengetriebes 30 werden die abgeschleuderten Bruchstücke des Planetenrades 324 abgebremst. Ein Durchschlag der Bruchstücke durch die Wand des Gehäuses wird aufgrund der geringen Massen der Bruchstücke vermieden, womit der Bruch des Planetenrades 324 keine Beschädigung weiterer Bauteile des Gasturbinentriebwerkes 10 zur Folge hat.
• 5 und 6 zeigen zwei weitere Ausführungsformen eines als Planetenrad 325 bzw. 326 ausgeführten Zahnrades, die ebenfalls den zu 4 beschriebenen Funktionsumfang des Planetenrades 324 aufweisen und sich jeweils nur in Bereichen von dem Planetenrad 324 unterscheiden. Deshalb wird in der nachfolgenden Beschreibung zu 5 und 6 im Wesentlichen jeweils auf die Unterschiede zwischen dem Planetenrad 324 und den Planetenrädern 325 und 326 näher eingegangen. Bezüglich des grundsätzlichen konstruktiven Aufbaus und der Funktionsweise der Planetenräder 325 und 326 wird jeweils auf die vorstehende Beschreibung zu 4 verwiesen.
• 5 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Planetenrades 325 des Planetengetriebes 30 gemäß 3, das im Unterschied zum Planetenrad 324 im Bereich seiner Außenseite 325C zwei grad- oder schrägverzahnte Verzahnungsbereiche 325B1, 325B2 aufweist, über die das Planetenrad 324 mit dem Sonnenrad 28 und mit dem Hohlrad 38 in Eingriff steht. Das Planetenrad 325 umfasst einen hohlzylindrischen Grundkörper 325A, der mit seinem Innendurchmesser mit einem Außendurchmesser eines Planetenbolzens zusammenwirkt, der mit dem Planetenträger 34 drehfest verbunden ist und dessen Mittellängsachse gleich der Rotationsachse 325H des Planetenrades 325 ist.
• Zusätzlich ist in axialer Richtung X des Zahnrades 325 jeweils in axialer Richtung X neben den Verzahnungsbereichen 325B1 und 325B2 jeweils eine Nut 325D, 325E vorgesehen, in denen wiederum in Umfangsrichtung U aufgewickelte hochfeste Fasern 325F, 325G vorgesehen sind. Darüber hinaus ist in axialer Richtung X des Zahnrades 325 auch zwischen den beiden Verzahnungsbereichen 325B1, 325B2 eine weitere Nut 325K in der Außenseite 325C des Grundkörpers 325A hergestellt, in der ebenfalls in Umfangsrichtung U verlaufende Fasern 325L aufgewickelt sind.
• 6 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Planetenrades 326, das einen hohlzylindrischen Grundkörper 326A aufweist, der mit seinem Innendurchmesser mit einem Außendurchmesser eines Planetenbolzens zusammenwirkt, der mit dem Planetenträger 34 drehfest verbunden ist und dessen Mittellängsachse gleich der Rotationsachse 326H des Planetenrades 326 ist.
• Zusätzlich umfasst das Planetenrad 326 wie das Planetenrad 325 an seiner Außenseite 326C zwei gradverzahnt oder schrägverzahnt ausgeführte Verzahnungsbereiche 326B1, 325B2, über die das Planetenrad 326 mit dem Sonnenrad 28 und mit dem Hohlrad 38 in Eingriff steht. Im Unterschied zum Zahnrad 325 ist das Zahnrad 326 gemäß 6 lediglich im Bereich zwischen den beiden Verzahnungsbereichen 326B1, 316B2 mit einer Nut 326K ausgeführt, in der Fasern 326L in Umfangsrichtung U aufgewickelt und angeordnet sind.
• Die vorbeschriebenen konstruktiven Ausgestaltungen der Zahnräder, die jeweils als Planetenrad ausgebildet sind, können in Ermessen des Fachmannes und in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles beispielsweise auch bei anderen Zahnrädern von Planetengetrieben, wie Sonnen- oder Hohlrädern, und auch generell bei Zahnrädern, die mit hohen Drehgeschwindigkeiten betrieben werden, vorgesehen werden.
• Bezugszeichenliste

9

Hauptdrehachse

10

Gasturbinentriebwerk

11

Kern

12

Lufteinlass

14

Niederdruckverdichter

15

Hochdruckverdichter

16

Verbrennungseinrichtung

17

Hochdruckturbine

18

Bypassschubdüse

19

Niederdruckturbine

20

Kernschubdüse

21

Triebwerksgondel

22

Bypasskanal

23

Schubgebläse

24

Stützstruktur

26

Welle, Verbindungswelle

27

Verbindungswelle

28

Sonnenrad

30

Getriebe, Planetengetriebe

32

Planetenrad

34

Planetenträger

34A, 34B

Wangen

36

Gestänge

38

Hohlrad

40

Gestänge

42

Planetenbolzen

324

Planetenrad

324A

Grundkörper

324B

Verzahnungsbereich

324C

Außenseite des Grundkörpers

324D, 324E

Nut

324F, 324G

Fasern

324H

Rotationsachse des Planetenrades 324

325

Planetenrad

325A

Grundkörper

325B1,325B2

Verzahnungsbereich des Planetenrades 325

325C

Außenseite des Grundkörpers des Planetenrades 325

325D, 325E, 325K

Nut des Planetenrades 325

325F, 325G, 325L

Fasern des Planetenrades 325

325H

Rotationsachse des Planetenrades 325

326

Planetenrad

326A

Grundkörper

326B

Verzahnungsbereich

326C

Außenseite des Grundkörpers des Planetenrades 326

326H

Rotationsachse des Planetenrades 3256

326K Nut

des Planetenrades 326

326L

Fasern des Planetenrades 326

A

Kernluftstrom

B

Bypassluftstrom

U

Umfangsrichtung

Y

radiale Richtung

X

axiale Richtung

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• WO 2020109772 A1 [0006]

Claims (9)

1. Zahnrad (32; 324; 325; 326) eines Getriebes (30), insbesondere Zahnrad (32; 324; 325; 326) eines Getriebes (30) eines Gasturbinentriebwerkes (10) eines Luftfahrzeuges, mit einer sich am äußeren Umfang (324C; 325C; 326C) eines Grundkörpers (324A; 325A; 326A) des Zahnrades (32; 324; 325; 326) in Umfangsrichtung (U) erstreckenden Nut (324D, 324E; 325D, 325E, 325K; 326K), in der zumindest in Umfangsrichtung (U) verlaufende Fasern (324F, 324G; 325F, 325G, 325L; 326L) angeordnet sind, die den Grundkörper (324A; 325A; 326A) in Umfangsrichtung (U) umgreifen, wobei die Fasern (324F, 324G; 325F, 325G, 325L; 326L) nur bei einem Bruch des Grundkörpers (324A; 325A; 326A) am Zahnrad (32; 324; 325; 326) angreifende Betriebslasten zumindest teilweise abstützen.
2. Zahnrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich des Grundkörpers (324A; 325A; 326A) des Zahnrades (32; 324; 325; 326), in dem die wenigstens eine Nut (324D, 324E; 325D, 325E, 325K; 326K) vorgesehen ist, in axialer Richtung (X) neben einem Verzahnungsbereich (324B; 325B1, 325B2; 326B1, 326B2) des Zahnrades (32; 324; 325; 326) vorgesehen ist.
3. Zahnrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (324F, 324G; 325F, 325G, 325L; 326L) in der Nut (324D, 324E; 325D, 325E, 325K; 326K) im Grundkörper (324A; 325A; 326A) derart angebracht sind, dass ein fliehkraftbedingtes Lösen der Fasern (324F, 324G; 325F, 325G, 325L; 326L) vom Zahnrad (32; 324; 325; 326) während einer Drehbewegung des Zahnrades (32; 324; 325; 326) unterbleibt.
4. Zahnrad nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (324F, 324G; 325F, 325G, 325L; 326L) in einer Matrix, vorzugsweise in einer Epoxid-Matrix, und/oder in einer zusätzlichen Schicht aus einem Gewebe oder einem Stoff eingebettet sind.
5. Zahnrad nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Fasern (324F, 324G; 325F, 325G, 325L; 326L) Aramid-Fasern, Siliziumkarbid-Fasern und/oder Kohlenstoff-Fasern vorgesehen sind.
6. Zahnrad nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (324F, 324G; 325F, 325G, 325L; 326L) in der Nut (324D, 324E; 325D, 325E, 325K; 326K) in Umfangsrichtung (U) des Zahnrades (32; 324; 325; 326) aufgewickelt sind.
7. Zahnrad nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (324F, 324G; 325F, 325G, 325L; 326L) in Form von Streifen und/oder als Faserbündel in der Nut (324D, 324E; 325D, 325E, 325K; 326K) angeordnet sind.
8. Zahnrad nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufwickelrichtung der Fasern (324F, 324G; 325F, 325G, 325L; 326L) gleich der Drehrichtung des Zahnrades (32; 324; 325; 326) ist, wenn das Zahnrad (32; 324; 325; 326) immer in dieselbe Drehrichtung betrieben wird.
9. Zahnrad nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge der Fasern (324F, 324G; 325F, 325G, 325L; 326L) größer als der Umfang des Grundkörpers (324A; 325A; 326A) ist.

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