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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Rotoranordnung einer Gasturbine, ein Flugzeugtriebwerk und ein entsprechendes Flugzeug.
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Die Triebwerksindustrie arbeitet unter Hochdruck daran, neue integrierte Bauweisen mit innovativen Technologien zur Gewichtsminimierung, zur Lebensdauererhöhung und höchster Zuverlässigkeit bereitzustellen. Ziel jedes Unternehmens ist es, Kosten zu reduzieren, die Produktsicherheit und die Zuverlässigkeit zu steigern, um somit die Grundlage für marktfähige Produkte zu schaffen.
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Der Rotor einer Gasturbine besteht im Allgemeinen aus mehreren Rotorscheiben, welche axial aneinandergereiht und konzentrisch ausgerichtet sind. Diese Rotorscheiben sind miteinander verbunden und bilden eine kompakte Einheit.
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Für den Betrieb einer Gasturbine müssen Rotoren vielfältige Anforderungen und Randbedingungen erfüllen. Es ist erforderlich, dass die Rotoren eine sehr hohe axiale Steifheit und Zentrierung aufweisen. In den verschiedenen Betriebszuständen darf es zu keinen instabilen Zuständen wie Vibrationen oder azentrischen Lauf kommen. Vorzugsweise sollten Rotoren im Betrieb bei hohen Drehzahlen möglichst verschleißarm und mit wenig Wartungsaufwand betrieben werden können. Zudem sollten Rotoren bauoptimiert sein, um positiven Einfluss auf den Treibstoffverbrauch zu nehmen und bei anfallenden Wartungsarbeiten die Montage und Demontage leichter und schneller zu ermöglichen. Zu guter Letzt sollen die Rotoren so gestaltet sein, um unter allen möglichen Fehlerbedingungen ihre Integrität zu gewährleisten.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ausführungsformen von Rotorscheiben bekannt, die unterschiedliche Bauweisen zur Drehmomentenübertragung aufweisen. Beispielsweise können Rotorscheiben miteinander verschweißt werden. Die geforderte Demontierbarkeit des Rotors zur Inspektion der Rotorscheiben verbietet jedoch in aller Regel eine Schweißverbindung. Eine gängige Ausführungsform ist es, zwei Rotorstufen axial miteinander über Flanschverschraubungen zu verbinden.
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Nachteilig bei den bekannten Rotoren ist es, bei erforderlichen Wartungsarbeiten die Flanschverschraubungen zwischen Rotorstufen zu lösen. Das ist mit einem erheblichen Arbeitsaufwand verbunden, weil Montage und Demontage mehr Zeit in Anspruch nehmen. Zudem sind die Stellen schwer zugänglich durch die platzbeanspruchende Anordnung, was noch kritischer bei kleinen Gasturbinenkonstruktionen ist. Bei der Montage muss jede Schaube auch mit einem vorgegebenen Anziehdrehmoment angezogen werden. Flanschverschraubungen tragen auch zu einem höheren Gewicht bei derartigen Verbindungen bei. Somit würden Wartungsarbeiten nicht nur mehr Zeit beanspruchen, es könnten auch Mehrkosten durch eventuelle längere Wartungsintervalle entstehen.
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Des Weiteren sind aus dem Stand der Technik andere verschiedene Möglichkeiten zur Verbindung von Wellen bekannt.
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Die
US 10 883 424 B2 sieht für eine Rotorwelle als Triebwerksbauteil vor, Wellen von Hoch- und Niederdruckkompressoren zur Drehmomentübertragung Mittels einer Zahnradverbindung zu koppeln.
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Die
US 2 785 550 A und die
US 10 428 741 B1 sehen zur Drehmomentübertragung zweier Wellen eine schrägverzahnte Zahnradverbindung als Teil eines Triebwerksbauteils vor.
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Die
US 10 907 476 B2 schlägt zur Verbesserung der Konzentrizität von Wellen Verbindungsringe mit korrespondierenden Flächen vor.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, eine verbesserte Verbindung zwischen Rotorstufen zu gewährleisten, mit geringerem Montage- und Demontageaufwand, geringerem Gewicht und verringertem Risiko der Versetzung von Rotorteilen gegeneinander. Die vorgeschlagene Erfindung soll auch eine Verbesserung oder eine Alternative zu verschraubten Rotor-Flansch-Verbindungen sein, insbesondere für kleine und/oder sehr kleine Gasturbinenanwendungen. Mindestens sollen die Nachteile des Stands der Technik behoben werden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Rotoranordnung, eine Fluggasturbine und einem Flugzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird somit eine Rotoranordnung einer Gasturbine umfassend mindestens zwei Rotorstufen vorgeschlagen. Die Rotoranordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Rotorstufen über jeweilige Verbindungsarme miteinander wirkverbunden sind, wobei die jeweiligen Verbindungsarme einen Verzahnungsabschnitt ausbilden, der so eingerichtet und konfiguriert ist, im Betrieb der Gasturbine eine die mindestens zwei Rotorstufen wirkverbindende Axialkraft auszubilden.
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Durch den Verzicht auf eine Flanschverschraubung zwischen den Rotorstufen wird Gewicht reduziert und Raum geschaffen, um Wartungsarbeiten effizienter auszuführen. Damit können die beiden Rotorstufen näher zueinander installiert werden, wodurch die ganze Turbine kürzer ausgebildet sein kann. Auf diese Weise kann zusätzlich Gewicht reduziert werden, was auch Vorteile auf die statischen Teile hat. Über die Rotorschaufeln wird das Drehmoment auf die Rotorscheiben übertragen. Je nach Ausführungsvariante der Verbindungsarme ist sicherzustellen, dass die notwendige Dimensionierung und Formgestaltung gewährleistet ist, um die erforderliche Axialkraft auszubilden und zwischen den jeweiligen Rotorstufen zu übertragen. Auf diese Weise bewirkt die Axialkraft, dass die Rotorstufen zueinander gezogen und eine kraftschlüssige Verbindung miteinander eingehen.
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Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass einer der Verbindungsarme eine Innenverzahnung aufweist und der jeweils andere Verbindungsarm eine Außenverzahnung aufweist. Es wird also vorgeschlagen, als Verbindungsart eine gepaarte Verzahnung einzusetzen, wobei der Verbindungsarm einer Rotorstufe die Außenverzahnung oder die Innenverzahnung aufweisen soll, die jeweils andere Rotorstufe soll dann die jeweils korrespondierende Ausführung aufweisen. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Rotoren ohne weitere Werkzeughilfsmittel jederzeit montiert und wiederum zerlegt werden können, als auch des Weiteren keine thermische Behandlung zur Montage bzw. Demontage notwendig ist.
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Eine Weiterbildung des Rotors sieht vor, dass die Verbindungsarme eine Schrägverzahnung aufweisen. Die Verbindungsarme zwischen den Rotorstufen weisen somit einen Verzahnungsabschnitt auf, in dem eine Schrägverzahnung ausgebildet ist. Schrägverzahnungen sind für höhere Drehzahlen geeignet und weisen eine höhere Belastbarkeit auf. Darüber hinaus begünstigt die Schrägverzahnung die sichere und zuverlässige Drehmomentübertragung zwischen den Rotorscheiben. Dies hat den Vorteil, dass Vibrationen, Stoßbelastungen und Verschleiß reduziert werden können.
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Die Schrägverzahnung übertragt ein Drehmoment von der Rotorscheibe der ersten Stufe auf die Rotorscheibe der zweiten Stufe oder von der Rotorscheibe der zweiten Stufe auf die Rotorscheibe der ersten Stufe, je nach Orientierung des Drehmoments. Die Schrägverzahnung wandelt das Drehmoment in eine Axialkraft um. Die Schrägverzahnung ist so ausgelegt, dass sich bei Vorliegen des Betriebsdrehmoments mit einer Vorzugsdrehrichtung eine resultierende Axialkraft ausbildet, wodurch sich die benachbarten Rotorstufen aufeinander zu bewegen. Die resultierende Axialkraft kann dabei jeweilige an den jeweiligen Verzahnungen der Verbindungsarme angreifende Einzelaxialkräfte umfassen. Die Einzelaxialkräfte sind aufeinander gerichtet, um die beiden Rotorstufen zusammenzuziehen bzw. aufeinander zu zu bewegen.
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In einer weiteren vorgeschlagenen Ausführungsform weist die jeweilige Schrägverzahnung der jeweiligen Verbindungsarme einen jeweiligen Schrägungswinkel auf, wobei die Schrägungswinkel der Schrägverzahnungen identisch sind. Der Schrägungswinkel ist der Winkel zwischen Flankenlinien der Zähne und einer Rotorachse. Für die Schrägverzahnung ist der Schrägungswinkel sehr wichtig, da dieser die Größe der Axialkraft bei einem jeweiligen Drehmoment festlegt. Der Schrägungswinkel bestimmt die Ausrichtung der Zähne und wird zwischen der Rotorachse und der Zahnflankenlinie gemessen. Je größer der Schrägungswinkel gewählt wird, desto größer werden auch die Axialkräfte sein. Der theoretische mögliche Schrägungswinkel, hier β genannt, liegt zwischen 0° ≤ β < 90°. In der Praxis werden häufig allerdings nur 8° bis 10° ≤ β ≤ 30° bis 45° umgesetzt. Üblicherweise werden Schrägungswinkel von β = 8° bis 30° verwendet, da bei β < 8° die Vorteile der Schrägverzahnung zu gering und bei β > 30° die auftretenden Axialkräfte zu groß werden. Entscheidend ist, dass beide Seiten der Verzahnung den gleichen Schrägungswinkel aufweisen, damit die jeweiligen Zähne auf einer möglichst großen Fläche greifen können und über die Verbindungsarme beide Rotorstufen sicher miteinander verbinden. Auch für die einfache Montage sind identische Schrägungswinkel vorteilhaft.
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Die Erfindung schlägt weiterhin vor, dass der Schrägungswinkel mindestens so groß ausgebildet ist, dass sich im Betrieb eine eine zwischen den Rotorstufen ausbildende Haftreibung überwindende Axialkraft ausbildet. Ein optimaler Schrägungswinkel, der die notwendige Axialkraft erzeugt, kann rechnerisch ermittelt werden über die sogenannte Sprungüberdeckung. Eine Haftreibung kann sich beispielsweise zwischen jeweiligen Zahnflanken oder zwischen noch zu beschreibenden Positionierungszapfen und dagegen anliegenden Radialflächen der Verbindungsarme ausbilden. Während des Hochlaufs des Rotors, währenddessen das Drehmoment ansteigt, wird die Haftreibung überwunden auf Grund der sich ausbildenden resultierenden Axialkraft, wodurch die beiden benachbarten Rotorstufen aufeinander zu bewegt werden. Dabei spielt die Größe des Schrägungswinkels eine erhebliche Rolle, da die entstehende Axialkraft mindestens so groß sein muss, dass die Haftreibung zwischen den Rotorstufen im Betrieb überwunden werden kann.
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Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Verbindungsarme eine Anlagefläche aufweist, gegen die der jeweilige andere Verbindungsarm im Betrieb axial anliegt. Eine solche axiale Anlagefläche gewährleistet eine ordnungsgemäße Montage und eine korrekte axiale Positionierung während des Betriebs, da die Schrägverzahnung das Drehmoment in eine axiale Kraft umwandelt und die beiden Verbindungsarme effektiv zusammenzieht. Ohne die Anlagefläche kann die korrekte axiale Positionierung während des Betriebs nicht gewährleistet werden.
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In einer weiteren vorgeschlagenen Ausführungsform weist mindestens einer der Verbindungsarme einen bezogen auf eine Drehachse der Rotoranordnung mindestens einen radial nach innen oder radial nach außen vorstehenden Zapfen auf, gegen den eine Radialfläche des jeweiligen anderen Verbindungsarms radial anliegt.
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Es sind in eine Richtung belastete und umlaufende Zapfen vorgesehen. In anderen Ausführungsformen können auch mehrere über den Umfang verteilt angeordnete Zapfen oder Zapfenpaare vorgesehen sein. Die Zapfen vermindern betriebsbedingte Schwingungen, wodurch auch übermäßiger Verschleiß der Zahnverbindung vermindert wird. Einer oder mehrere Zapfen begünstigen auch eine genaue radiale Ausrichtung bzw. Positionierung der jeweiligen Verbindungsarme zueinander. Dadurch wird auch die Exzentrizität zwischen beiden Rotorstufen verringert und eine möglichst geringe Unwucht erreicht, was bei kleinen Abmessungen und hohen Drehzahlen von entscheidender Bedeutung ist.
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Der Zapfen kann über den Umfang sowohl ein- als auch mehrstückig verteilt ausgeführt sein. Bei einer einstückigen Ausbildung ist der Zapfen an einem der jeweiligen Verbindungsarme ausgebildet und liegt als eine Art umlaufender Ring oder Schiene vor. Der Zapfen kann dabei an einem radial inneren Verbindungsarm angeordnet sein und weist dabei radial nach außen zu einem radial äußeren Verbindungsarm. Alternativ kann der Zapfen an einem radial äußeren Verbindungsarm ausgebildet sein und weist dabei radial nach innen zu einem radial inneren Verbindungsarm. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass an jedem Verbindungsarm ein Zapfen ausgebildet ist, die jeweils in Richtung des jeweils anderen Verbindungsarm weisen. Dabei kann zusätzlich vorgesehen sein, dass ein Zapfen axial stromauf der Verzahnung und ein Zapfen axial stromab der Verzahnung ausgebildet ist. Somit kann alternativ auch vorgesehen sein, dass an einem Verbindungsarm zwei Zapfen ausgebildet sind, jeweils ein Zapfen axial stromauf und ein Zapfen axial stromab der Verzahnung.
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Bei einer mehrstückigen Ausbildung des Zapfens ist vorgesehen, dass der Zapfen mehrere Zapfenabschnitte aufweist, die über den Umfang verteilt an einem jeweiligen Verbindungsarm ausgebildet sind. Dabei kann wie im vorstehenden Absatz beschrieben eine Mehrzahl an Zapfen an einem oder an beiden Verbindungsarmen ausgebildet sein. Ein wie vorstehend beschrieben angeordneter Zapfen liegt jedenfalls mit einer radial nach außen oder nach innen weisenden - je nach Ausgestaltung des Zapfens - gegen eine radial nach innen oder außen weisende Radialfläche des jeweils anderen Verbindungsarms an. Bei Vorliegen von Zapfen stromauf und stromab der Verzahnung kann ein Verkippen der jeweiligen Verbindungsarme besonders gut verhindert werden. Je nach Auslegung und Designkriterien, kann der Zapfen um Platz, Material, Gewicht und/oder Kosten zu sparen entsprechend angepasst ausgebildet werden.
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Eine Weiterbildung der Rotoranordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Zapfen integral mit einem Verbindungsarm ausgebildet ist oder auf einem jeweiligen Verbindungsarm appliziert ist. Ein integral mit einem Verbindungsarm ausgebildeter Zapfen ist einfacher herstellbar.
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Ein auf einem Verbindungsarm applizierter Zapfen kann mittels Klebeverbindung, Schweiß- oder Lötverbindung oder über auftragende Fertigungsverfahren auf dem Verbindungsarm angeordnet werden. Alternativ kann der Zapfen auch aufgepresst sein. Dadurch ist bei Verschleiß des Zapfens der Zapfen einfach austauschbar.
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Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Zapfen und der Radialfläche eine Presspassung ausgebildet ist. Eine Presspassung zwischen den jeweiligen Radialflächen des Zapfens und des Verbindungsarmes der anderen Rotorstufe gewährleistet eine korrekte radiale Positionierung der Verbindungsarme und damit der jeweiligen Rotorstufen. Die Presspassung bewirkt eine erhöhte Normalkraft, wodurch die Haftreibung zwischen Zapfen und Verbindungsarm erhöht ist. Diese Haftreibung muss von der sich im Betrieb ausbildenden Axialkraft überwunden werden.
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Die Erfindung schlägt weiterhin vor, dass die jeweiligen Verbindungsarme bezogen auf die Drehachse der Rotoranordnung radial zwischen einer zentralen Öffnung und einem Außenumfang einer jeweiligen Rotorscheibe der jeweiligen Rotorstufe beliebig anordenbar sind. Je nach Rotorausführung, verfügbarem Bauraum und Anzahl der Stufen des Moduls, ist es möglich, die Verbindungsarmpaare beliebig zwischen einer zentralen Öffnung und einem Außenumfang einer jeweiligen Rotorscheibe anzuordnen. Die Verbindungsarme treffen sich im Wesentlichen auf gleicher radialer Höhe, um die Wirkverbindung der Rotorstufen mittels der beschriebenen Verzahnung auszubilden. Vorzugsweise ist das Verbindungsarmpaar radial mittig zwischen zwei Rotorstufen anzuordnen, um den Bauraum für eine beidseitige Zugänglichkeit optimal auszunutzen - zum einen um den Montage- und Demontageaufwand bei anfallenden Wartungsarbeiten zu verringern und zum anderen um gleichermaßen Zugriff auf beide Verbindungsarme zu haben.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Verbindungsarme integral mit den Rotorscheiben ausgebildet. Dadurch ist ein optimaler Kraftfluss von der Rotorscheibe auf die Verbindungsarme gewährleistet und eine notwendige Steifheit wird erreicht.
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Die Erfindung schlägt weiterhin vor, dass die Rotorstufen Teil einer Hochdruck- oder Niederdruckturbineneinrichtung einer Gasturbine oder einer Fluggastrubine sind. Bei Hochdruckturbineneinrichtungen ist der Bauraum auf Grund des kleineren Durchmessers begrenzt, so dass eine erfindungsgemäße Rotoranordnung hier bevorzugt eingesetzt werden kann. Bei einer Niederdruckturbineneinrichtung können mit der Schrägverzahnung hohe Drehmomente zwischen benachbarten Rotorstufen übertragen werden. Die Erfindungsgemäße Rotoranordnung kann dabei in Antriebssystemen für Flugzeuge vorgesehen sein. Das Niederdrucksystem einer Fluggasturbine, dass axial und rotationssymmetrisch hintereinander angeordnet ist, umfasst in der Regel ein Hochdruck- und Niederdruckturbinenmodul. Sowohl Hochdruck- als auch Niederdruckturbine bestehen im Allgemeinen aus mehreren beschaufelten Rotorstufen und einer Wellenbaugruppe, die über eine Turbinentragstruktur angeordnet und in einem Turbinengehäuse untergebracht ist. Die Rotorstufen sind nach dem Stand der Technik an integrierten oder integral ausgebildeten Verbindungsarmen miteinander über beispielsweise Flanschverschraubungen verbunden. Um die vorgestellte Lösung umzusetzen, ist es notwendig, dass sowohl Hoch- als auch Niederdruckturbine mindestens zwei zu verbindende Rotorstufen aufweisen.
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Alternativ oder zusätzlich kann die erfindungsgemäße Rotoranordnung auch für Verdichterbaugruppen sowie landgestützte Gasturbinen vorgesehen sein, beispielsweise bei Gasturbinen zur Stromerzeugung.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Fluggasturbine, die eine Rotoranordnung gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen umfasst.
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Ein noch weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Flugzeug, das eine Fluggasturbine gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform umfasst.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsvarianten unter Verwendung der beigefügten Figuren exemplarisch veranschaulicht, wobei gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigen:
- 1 eine perspektivische Schnittdarstellung zweier Rotorstufen einer Gasturbine nach dem Stand der Technik, die über eine Flanschverschraubungen verbunden sind,
- 2 eine perspektivische Schnittdarstellung zweier Rotorstufen einer Gasturbine gemäß der Erfindung,
- 3 einen Detailausschnitt aus 2 mit einer schematischen Ansicht eines Verbindungsarm-Paares,
- 4. eine schematische Ansicht einer Schrägverzahnung,
- 5 eine perspektivische Schnittdarstellung einer Gasturbine.
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Die 1 stellt eine Ausführungsform des Standes der Technik einer Hoch- oder Niederdruckturbine im eingebauten Zustand in eine Gasturbine G (5) dar. Gezeigt werden exemplarisch in einer Schnittdarstellung axial und rotationssymmetrisch hintereinander angeordnet eine beschaufelte stromaufwärtige Rotorstufe 28 links, eine beschaufelte Statorstufe 32 mittig und eine beschaufelte stromabwärtige Rotorstufe 36 rechts. Die stromaufwärtige Rotorstufe 28 weist eine Rotorscheibe 42, Rotorschaufeln 30 und einen ersten Verbindungsarm 1 auf. Die stromabwärtige Rotorstufe 36 weist eine Rotorscheibe 40, Rotorschaufeln 38 und einen zweiten Verbindungsarm 4 auf. Die Statorstufe 32 weist Statorschaufeln 34 auf.
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Die stromaufwärtige Rotorscheibe 42 ist über den ersten Verbindungsarm 1 mit dem zweiten Verbindungsarm 4 der stromabwärtigen Rotorscheibe 40 über eine Flanschverschraubung 44 mittels Schrauben 48 und Sicherungsmuttern 50 verbunden. Der erste Verbindungsarm 1 ist integral mit der stromaufwärtigen Rotorscheibe 42 ausgebildet. Der zweite Verbindungsarm 4 der stromabwärtigen Rotorstufe 36 ist ebenfalls integral mit der stromabwärtigen Rotorscheibe 40 ausgebildet. Beide Verbindungsarme 1 und 4 sind im Wesentlichen auf gleicher radialer Höhe R an den jeweiligen Rotorscheiben 42 und 40 angeordnet. Beide Verbindungsarme 1, 4 haben eine ähnliche Wanddicke und verlaufen parallel zur Längsachse A axial bis radial unterhalb der Statorstufe 32. An dieser Stelle knicken beide Verbindungsarme in einem 90° Winkel radial nach unten ab und bilden einen jeweiligen Flanschabschnitt aus. Die radial nach unten verlaufenden Flanschabschnitte bilden die Anlageflächen der Flanschverschraubung 44, die im Wesentlichen axial mittig unter der Statorstufe 32 angeordnet ist.
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Die Flanschverschraubung 44 teilt einen radial unterhalb der Statorstufe 32 angeordneten Hohlraum 46 in zwei Bereiche. Diese Bereiche bieten nicht viel Raum für notwendige Montage- und Demontagearbeiten sowie Inspektionen an den Flanschverschraubungen 44 und den Rotorstufen 28 und 36. Im Betrieb auftretende dynamische Belastungen wie Biegung und Scherung oder starke Vibrationen können zum Versagen der Schraubenverbindung 44 führen, was eine Trennung der Rotorstufen 28 und 36 oder das Herumfliegen von Bruchstücken verursachen könnte, was ein kritisches Versagen der Gasturbine G zur Folge hätte. Daher werden in bestimmten Intervallen Inspektionen durchgeführt. Der geringe Hohlraum 46 erschwert zudem auch die Zugänglichkeit zum Anziehen der Sicherungsmuttern 50 mit dem vorgeschriebenen Anziehdrehmoment.
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2 zeigt eine Ausführungsvariante für eine erfindungsgemäße Verbindung von zwei Rotorstufen 28 und 36 über einen Verzahnungsabschnitt 9. 2 unterscheidet sich von 1 lediglich in der Art und Weise der Verbindung zwischen den Rotorstufen 28 und 36. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist nunmehr vorgesehen, dass die Flanschverschraubung 44 ersetzt wird durch den Verzahnungsabschnitt 9. Der Verzahnungsabschnitt 9 weist eine Schrägverzahnung 8 auf. Hierfür sind die freien Enden der Verbindungsarme 1 und 4 an einem jeweiligen Endabschnitt, der hier im Bereich des letzten Drittels der Verbindungsarme 1, 4 liegt, mit einer jeweiligen Innenverzahnung 2 und einer jeweiligen Außenverzahnung 7 versehen, wobei es sich bei dieser Verzahnung um eine Schrägverzahnung 8 handelt und alle Zähne gleichzeitig im Eingriff miteinander sind. Die Schrägverzahnung 8 ist derart ausgebildet, dass sich im Betrieb der Gasturbine während der ordnungsgemäßen Orientierung des Drehmoments eine resultierende axiale Kraft ausbildet, die bewirkt, dass die beiden Rotorstufen 28 und 36 sich aufeinander zu bewegen bzw. aufeinander zu bewegen möchten. Die ordnungsgemäße Orientierung des Drehmoments liegt vor, wenn die Rotorstufen 28, 36 in die vorgesehene Richtung rotieren. Auf diese Weise werden die beiden Rotorstufen 28, 36 miteinander wirkverbunden, um ein jeweiliges Drehmoment zu übertragen. Die Verbindung der Rotorstufen 28, 36 mittels der Schrägverzahnung 8 kann auf diese Weise mit weniger Materialeinsatz und damit leichter erfolgen als die aus dem Stand der Technik bekannte Flanschverbindung 44. Die Montage ist ebenfalls deutlich vereinfacht. Darüber hinaus ist die Schrägverzahnung 8 über den Hohlraum 46 deutlich einfacher zugänglich als die bekannte Flanschverbindung 44.
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In der Ausführungsform der 2 sind die Verbindungsarme 1 und 4 jeweils in einem radial mittleren Bereich der jeweiligen Rotorscheiben 42, 40 ausgebildet. Je nach Bauraumbeschränkungen können die jeweiligen Verbindungsarme 1, 4 alternativ aber auch entlang der radialen Höhe R in einem radial äußeren Bereich und somit näher im Bereich der Rotorschaufeln 30 angeordnet sein. Alternativ dazu können die Verbindungsarme 1, 4 aber auch weiter radial innen in Richtung Rotationsachse A der Rotoren, die mit der Längsachse der Gasturbine zusammenfällt, angeordnet sein. Jedenfalls der Verzahnungsabschnitt sollte in derselben radialen Höhe ausgebildet sein.
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3 zeigt einen Detailausschnitt aus 2, worin der Verzahnungsabschnitt näher dargestellt ist. Der erste Verbindungsarm 1 weist eine axiale Anlagefläche 5a und Radialfläche 3a auf. Korrespondierend dazu weist der zweite Verbindungsarm 4 eine axiale Anlagefläche 5b und eine Radialfläche 3b auf. Der erste Verbindungsarm 1 liegt mit der axialen Anlagefläche 5b axial gegen den zweiten Verbindungsarm 4 mit der Anlagefläche 5b an. Die axialen Anlageflächen 5a, 5b sind an einer jeweiligen Stirnseite der jeweiligen Verbindungsarme 1, 4 ausgebildet. Die Rotorstufen 28, 36 können sich auf Grund der vorliegenden Axialkräfte nicht weiter aufeinander zu bewegen, als bis zu der Position, in der sich die beiden axialen Anlageflächen 5a, 5b berühren. Damit wird die korrekte axiale Position der beiden Rotorstufen 28 und 36 während des Betriebs zueinander gewährleistet.
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Der erste Verbindungsarm 1 liegt mit der Radialfläche 3a radial gegen den zweiten Verbindungsarm 4 mit der Radialfläche 3b an. Damit werden Vibrationen in der Schrägverzahnung 8 verhindert. Die Verbindungsarme 1 und 4 sind somit axial und radial gegeneinander ausgerichtet.
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Des Weiteren weist der zweite Verbindungsarm 4 einen radial nach innen vorstehenden Zapfen 6 auf. Der Zapfen 6 ist integral mit dem Verbindungsarm 4 ausgebildet. Alternativ kann der Zapfen 6 aber auch über ein geeignetes Verfahren an dem Verbindungsarm 4 appliziert werden und daran befestigt sein. An dem Zapfen 6 ist die Radialfläche 3b des zweiten Verbindungsarms 4 ausgebildet gegen den die Radialfläche 3a des ersten Verbindungsarmes 1 radial anliegt. Der Zapfen 6 ist derart ausgebildet, eine Presspassung zwischen den Radialflächen 3a, 3b sicherzustellen. Somit bildet sich zwischen den Radialflächen 3a, 3b auch eine Haftreibungskraft aus. Im Betrieb der Gasturbine G erfolgt die Umwandlung des Drehmoments in eine Axialkraft, die groß genug ist, die Haftreibungskraft zu überwinden.
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Zur Montage werden die Verbindungsarme 1 und 4 mit einer geringen axialen Kraft aufgesetzt und ineinander verdreht, damit die Zähne des Verzahnungsabschnitts ineinander greifen. Die korrekte Montageposition ist erreicht, wenn die axialen Anlageflächen 5a, 5b sich berühren. Ohne die Anlageflächen 5b und 5a könnte die korrekte axiale Positionierung auch während des Betriebs nicht gewährleistet werden. Der Zapfen 6 ist vorteilhaft, in dem er betriebsbedingte Schwingungen vermindert, wodurch auch übermäßiger Verschleiß der Zahnverbindung vermindert wird. In dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Zapfen 6 als umlaufende, vorstehende Schiene ausgebildet. Wie weiter oben beschrieben können auch einer oder mehrere Zapfen 6 vorliegen und begünstigen eine genaue radiale Ausrichtung der jeweiligen Verbindungsarme 1 und 4 zueinander. Dadurch wird auch die Exzentrizität zwischen beiden Rotorstufen 28 und 36 verringert und eine möglichst geringe Unwucht erreicht.
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Die 4 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Schrägverzahnung 8 mit einem exemplarisch eingefügten Schrägungswinkel β von 45°. Der theoretisch mögliche Schrägungswinkel β liegt zwischen 0° ≤ β < 90°, praktisch umsetzbar sind allerdings nur 8° bis 10° ≤ β ≤ 30° bis 45°. Die Größe des Schrägungswinkels β ist ein Maß für die sich im Betrieb der Gasturbine ausbildende resultierende Axialkraft. Je größer der Schrägungswinkel β, desto größer ist die resultierende Axialkraft.
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Die 5 zeigt schematisch und in einer Schnittdarstellung eine Gasturbine G. Entlang einer Triebwerkslängsachse A der Gasturbine G sind Triebwerkskomponenten hintereinander angeordnet. Am Einlass 12 wird mittels eines Fans 13 entlang einer Eintrittsrichtung E Luft angesaugt. Dieser Fan 13 befindet sich in einem Fangehäuse 14 und wird von einer Turbine 23 über eine Rotorwelle 22 angetrieben. Die Turbine 23 schließt sich an einen Verdichter, der einen Niederdruckverdichter 15 und einen Hochdruckverdichter 16 sowie gegebenenfalls noch einen Mitteldruckverdichter aufweist an. Zur Schuberzeugung versorgt der Fan 13 den Niederdruckverdichter 15 und den Hochdruckverdichter 16 sowie den Bypasskanal 17 mit Luft. Somit entsteht ein Hauptstrom, der durch den Kern der Gasturbine G verläuft, und ein Nebenstrom der durch den Bypasskanal 17 verläuft. Die im Verdichter 15, 16 komprimierte Luft wird in der Brennkammer 18 mit Brennstoff vermischt und verbrannt. Mit dem erzeugten Heißgas wird die Turbine 23, welche aus einer Hochdruckturbine 19, ggf. einer Mitteldruckturbine 20 und einer Niederdruckturbine 21 bestehen kann, angetrieben. Die bei der Verbrennung freiwerdende Energie wird von der Turbine 23 zum Antreiben einer Rotorwelle 22 und damit zum Antreiben des Fans 13 genutzt, um dann über die in den Bypasskanal 17 geförderte Luft den erforderlichen Schub zu erzeugen. Sowohl der Nebenstrom aus dem Bypasskanal 17 als auch der Hauptstrom strömen über einen Auslass 26 hinaus. Der Auslass 26 weist hierbei üblicherweise eine Schubdüse mit einem zentral angeordneten Austrittskonus 25 auf. Zur Lärmminderung befindet sich im Bereich des Auslasses ein Mischer als Teil einer Mischergruppe 24. Durch die besondere Kontur des Mischers werden der Hauptstrom aus dem Kernstrom und der Nebenstrom aus dem Bypasskanal 17 der Gasturbine G so abgelenkt und vermischt, dass die dabei entstehenden Verwirbelungen das hörbare Lärmniveau absenken. Auch bei abweichend ausgestalteten Gasturbienen kann die vorgeschlagene Lösung Anwendung finden, beispielsweise bei einer beliebigen Art Gasturbinentriebwerk wie zum Beispiel bei einem Open-Rotor oder einem Turboprop-Triebwerk oder einem Getriebe-Fan.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erster Verbindungsarm
- 2
- Innenverzahnung
- 3a
- Radialfläche erster Verbindungsarm
- 3b
- Radialfläche erster Verbindungsarm
- 4
- Zweiter Verbindungsarm
- 5a
- Anlagefläche erster Verbindungsarm
- 5b
- Anlagefläche zweiter Verbindungsarm
- 6
- Zapfen
- 7
- Außenverzahnung
- 8
- Fläche mit Schrägverzahnung
- 9
- Verzahnungsabschnitt
- 10
- Rotoranordnung
- 12
- Einlass
- 13
- Fan
- 14
- Fangehäuse
- 15
- Niederdruckverdichter
- 16
- Hochdruckverdichter
- 17
- Bypasskanal
- 18
- Brennkammer
- 19
- Hochdruckturbine
- 20
- Mitteldruckturbine
- 21
- Niederdruckturbine
- 22
- Rotorwelle
- 23
- Turbine
- 24
- Mischergruppe
- 25
- Austrittskonus
- 26
- Auslass
- 28
- Rotorstufe stromaufwärts
- 30
- Rotorschaufel stromaufwärts
- 32
- Statorstufe
- 34
- Statorschaufel
- 36
- Rotorstufe stromabwärts
- 38
- Rotorschaufel stromabwärts
- 40
- Rotorscheibe stromabwärts
- 42
- Rotorscheibe stromaufwärts
- 44
- Flanschverschraubung
- 46
- Hohlraum
- 48
- Schraube
- 50
- Sicherungsmutter
- A
- Triebwerkslängsachse
- E
- Eintrittsrichtung
- G
- Gasturbine
- R
- Radialachse
- β
- Schrägungswinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 10883424 B2 [0008]
- US 2785550 A [0009]
- US 10428741 B1 [0009]
- US 10907476 B2 [0010]
