DE1626086A1 - Fluegelrad fuer Flugzeuge - Google Patents

Description

Dr. Erharf Ziegler DipL-lng. Lothar Michaelis

Patentanwalt Patentanwalt ..

6 Franlcfurf /Main 1 6 Frankfurt /Main 1

Postfach 3011 Postfach 3011 69O-13D-3889

General Electric Company, 1 River Road, Schenectady, N.Y., USA Flügelrad für Flugzeuge

Die Erfindung bezieht sich auf ein Flügelrad (fan) für Flugzeuge, welches insbesondere von leichter Bauart und geräuscharm ist und sich zum Anheben und Vorwärtstreiben von Flugzeugen eignet.

Bei den üblicherweise für Flugzeuge verwendeten Rückstoßtriebwerken, z. B. Fantriebwerken (fan engines) oder normalen Strahlturbinen, ist bekanntlich der erzeugte Lärm nicht sehr angenehm. Der Lärm kann durch die mit hoher Geschwindigkeit strömenden Abgase von Strahlturbinen und die daraus folgende Schubwirkung der umgebenden Luft entstehen. Man hat diesen Lärm dadurch etwas gemildert, daß man an den Abgas-Abführungsrohren äer Strahlturbinen Schalldämpfer angebracht hat. Auch das Aufkommen der Fantriebwerke, bei denen größere Luftmengen mit geringerer Geschwindigkeit bewegt werden, hat zur Lemralmtarang beigetragen.

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Weitere wesentliche Ursachen für den Lärm sind das Eingangsgeräusch oder das Geräusch der Blätter, welches durch die hohen Drehzahlen der Kompressor- oder Flügelräder entsteht, und die Erzeugung eines Grundtones mit höheren Harmonischen durch die Blätter. Beispielsweise erzeugen die Flügelradblätter, die mit hoher Drehzahl dicht vor oder hinter einer Anzahl von Statorblättern rotieren, immer dann störend klare und ausgeprägte Geräuschimpulse, wenn ein Rotorblatt an einem StatorHatt vorbeiläuft. Aufgrund der Vervielfachung durch die große Zahl der Blätter und die hohen Drehzahlen ergibt sich ein unerträglicher Lärm. Es ist bekannt, daß Töne hoher Frequenz mit zunehmendem Abstand von der Tonquelle schnell gedämpft werden. Oberhalb einer bestimmten Frequenz sind Geräusche oder Töne für das menschliche Ohr nicht mehr wahrnehmbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Flügelräder für insbesondere Fantriebwerke zu schaffen, bei denen äußert die Flügelradspitzen als Tufoinenblätter ausgebildet sind. Dazu wird eine große Anzahl von sehr kurzen, streben-, sehnen- oder speichenförmig ausgebildeten Flügeln verwendet, die derart angeordnet sein sollen, daß sich eine geeignete Drehmomentübertragung ergibt und das Produkt aus der Gesamtzahl der Flügel und der der Konstruktion zugrunde liegenden Drehzahl des Flügelrades gleich einer Frequenz ist, die oberhalb der Hörgrenze liegt. Die Flügelräder sind ähnlich ü@m Bad eines Fahrrades konstruiert, damit sich eine geeignete Dreisaoiieiitübertragung in tangentialer Richtung und in zwei Ebenes eis© Stabilität wl© bei Dreiecksrahmen ergibt.

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Ausgehend von einem Flügelrad für Flugzeuge mit einer drehbaren Welle, einem sich in Achsrichtung erstreckenden Grundkörper und einer diesen außen radial umgebenden und dabei zwischen den Enden des Grundkörpers angeordneten Felge, besteht die Erfindung darin, daß mit dem Grundkörper und der Felge viele kurze, sehnenartig angeordnete Flügel verbunden sind, wobei die eine Hälfte der Flügel mit dem einen Ende und die andere Hälfte der Flügel mit dem anderen Ende des Grundkörpers verbunden ist, so daß in Ebenen, die die Drehachse enthalten, Dreiecksrahmen gebildet sind. Das Produkt der Gesamtzahl der Flügel und der der Konstruktion zugrunde liegenden Drehzahl des Flügelrades beträgt dabei mindestens 14000 Hertz.

Die Erfindung wird nun auch anhand der beiliegenden Abbildungen in Verbindung mit Ausführungsbeispielen näher beschrieben,

Die Figur 1 ist ein Teilschnitt durch ein Flügelrad zum Anheben oder Vorwärtstreiben und zeigt die Dreiecksform in einer die Drehachse enthaltenden Ebene.

Die Figur 2 ist ein Teilschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Flügelrades nach der Figur 1.

Die Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Flügelrad. '

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Die Figur 4 zeigt das Ausführungsbeispiel nach der Figur 2 in einer perspektivischen Ansicht,

Die Figur 5 zeigt skizzenhaft eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel nach der Figur 2.

Der Ausdruck Flügelrad (fan) wird hier für eine oder mehrere Kompressorstufen einer Gasturbine verwendet. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit wird die Erfindung nur in Verbindung mit Flügelrädern beschrieben, deren Spitzen als Turbinenblätter ausgebildet sind (tip turbine fan), wobei die Flügelräder vorzugsweise von zwei in Achsrichtung beabstandeten Scheiben getragen sind, die gemäß Figur 2 einen Grundkörper bilden. Solche Flügelräder können dabei sowohl zum Vorwärtstreiben als auch zum Anheben eines Flugzeuges verwendet werden, d.h. es sind von der Erfindung alle Anwendungen umfaßt, bei denen die beschriebene Konstruktion verwendet werden kann.

In der Figur 1 ist teilweise ein Fantriebwerk für Reisegeschwindigkeiten gezeigt, Wie es im U.S. Patent 3 216 654 beschrieben ist. In. diesem Patent ist eine Speichenanordnung gezeigt, bei der Flügel verwendet werden können und die Turbinenschaufeln trägt, die vom Flügelrad unabhängig sind und von ihm leicht entfernt werden können. Bei einem solchen Triebwerk ist ein Röhr 10 vorgesehen, in dem ein Flügelrad 12 angeordnet ist, mit dem Luft von einer öffnung 14 abgesaugt und zur Schuberzeugung durch eine

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Düse 16 abgegeben wird. Das Flügelrad kann durch irgendeine geeignete Vorrichtung agetrieben werden. Zweckmäßigerweise verwendet man einen (nicht gezeigten) Gasgenerator, der auf Turbinenblätter 18 einwirkt, die auf einer Felge 20 befestigt sind, die von den Flügelradblättern oder Flügeln 22 getragen wird und eine mittlere Welle 24 umgibt, die um ihre Achse 26 gedreht wird. Zum Antrieb des Flügelrades eignen sich auch andere Vorrichtungen als die gezeigte pneumatische Vorrichtung, z. B. ein direkter Zahnradantrieb mittels eines bei 28 angeschlossenen Strahltriebwerkes. Damit die Luft aerodynamisch richtig behandelt wird, können Einlaßleitschaufeln 30 und/oder Auslaßleitschaufeln 32 vorgesehen sein. Geeignete Abgase können zum Antrieb des Flügelrades aus einer Schnecke 36 durch Düsen 34 auf die Turbinenblätter 18 gerichtet werden.

Wegen des Lärms,der durch die hohe Drehzahl des Flügelrades, und das Vorbeilaufen der Flügel 22 nahe an den ortsfesten Leitschaufeln 30 und 32 oder dergleichen entsteht, ist es erwünscht, ein Flügelrad zu schaffen, das eine hohe Saugkapazität bei hoher Druckdifferenz besitzt, dessen Grundton aber oberhalb der Hörgrenze liegt. Hierfür bestehen die einzelnen Flügelradblätter 22 aus einer großen Anzahl von sehr kurzen, aehnenförmig angeordneten Flügeln oder Streben, die als Flügelradblätter wirken. Die kurzen Streben sollen eine Länge von etwa 25 mm oder weniger besitzen. Aus diesem Grund sind eins großo Anzahl solcher Schaufelradblätter notwendig, so daß das Flügelrad ein dem Bad eines fahrrades ahn- ' liches Aussehen erhält, mbe! jedoch wichtig® Bes®ad©rl&@it©n vorliegen müssen. 1 η Q fi 1 ß / η Ί 7 Q

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Nach der Figur 2 trägt die Welle 24 einen sich in Achsrichtung erstreckenden Grundkörper 37, der vorzugsweise aus zwei in Achsrichtung beabstandeten Scheiben 38 besteht, die nahezu an ihrem äußeren Rand durch einen Bauteil 40 verbunden sind. Bei einer anderen Ausfübrungsform, die in der Figur 3 gezeigt ist, ist nur eine einzige Scheibe 38 vorgesehen, die am äußeren Rand ein in Achsrichtung verlaufendes, breites Band 41 aufweist.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Figur 2 ist der Grundkörper in radialer Richtung außen von einer Felge 20 umgeben, die zwischen dem vorderen und dem hinteren Ende des Grundkörpers und vorzugsweise in der Mitte zwischen den beiden Enden angeordnet ist und Turbinenschaufeln 18 trägt, die in der Figur 1 geaeigt sind. Um die Felge mit den beiden Scheiben zu verbilden, ist eine Anzahl von sehr vielen, kurzen Streben 22 vorgesehen, die als Flügelradblätter wirken. Mechanische Festigkeit erreicht man dadurch, daß man diese Streben in geeigneter Weise verbindet. Hierzu sind die Streben gemäß den Figuren 2 und 4 mit ihren äußeren Enden in gleichen Abständen und vorzugsweise auch nahezu in einer Ebene an der Felge 20 befestigt. Obwohl es viele verschiedene im Rahmen der Erfindung bleibende Möglichkeiten gibt, die Flügel symmetrisch abwechselnd zu befestigen, wird das einfache und billige Ausführungsbeispiel nach der Figur 4 bevorzugt.

Nach der Figur 4 (und ebenfalls anwendbar auf das Ausführungs-

beispiel nach der Figur 3) sind die Flügel 22 zu Paaren benachbarter flügel 43 und 44 zusammengefaßt. Zur geeigneten Dreh-

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momentübertragung, gleichgültig, ob das Flügelrad durch die Turbinenschaufeln oder den Rotor angetrieben wird, ist es erwünscht, die Flügel am Grundkörper in Achsrichtung zu beabstanden. Daher ist die eine Hälfte der Flügel mit der einen Scheibe und die andere Hälfte der Flügel mit der anderen Scheibe verbunden. Die Paare benachbarter Flügel verlaufen, wenn man die Winkelstellung betrachtet, bezüglich einem Radius 46 abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen, d.h. sie verlaufen nicht radial. Gemäß der Figur 4 erstreckt sich das Paar der Flügel 42 nach links und das Paar der Flügel 44 nach rechts bzw. in entgegengesetzte Richtung bezüglich dem Radius 46. Hierdurch gibt es eine Vielzahl von Flügeln, die bezüglich dem Radius 46 nach der einen Seite hin schräg verlaufen, und eine weitere Vielzahl von Flügeln, die bezüglich dem Radius 46 nach der anderen Seite hin schräg verlaufen, so daß ein symmetrisches Gebilde vorliegt. Außerdem sind zur Erhöhung der mechanischen Stabilität die Flügel eines Paares vorzugsweise abwechselnd am Grundkörper befestigt, d.h. mit verschiedenen Scheiben des Grundkörpers verbunden. Beim Ausführungsbeispiel nach der Figur 3 sind die Flügel abwechseln!an den beiden Endes des Grundkörpers befestigt« Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach den Figuren 2 und 4 sind die benachbarten Flügel 42 an verschiedenen Scheiben befestigt, damit sie in Richtung der Achse 26 des Grundkörpers beabstandet sind und eine Dreiecksrahmenkonstruktion entsteht. Die konstruktiven Eigenschaften sind dadurch verbessert, daß die inneren Snden der Flügel auch in Umfangsrichtung beabstandet sind» wie in den Figuren 4 und 5 gezeigt ist, so daß mehr Raum zum Verankern jedes Flügels zur Verfügung

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steht. Die inneren Enden der Flügel 42 sind mit den zugehörigen Scheiben bzw. Enden des Grundkörpers also nicht derart befestigt, daß sie auf einer Linie liegen, sondern daß eine Linie 48 parallel zur Achse 26, die durch die Bolzenverbindung des einen Flügels geht, nicht auch durch die Bolzenverbindung 50 eines benachbarten Flügels verläuft. Dadurch, daß die inneren Enden der Flügel 42 auch in peripherer Richtung beabstandet sind, ist auch in der Drehebene eine Dreiecksrahmenstruktur gebildet. Bei der gezeigten Anordnung kann jede Bolzenverbindung oder dergleichen, z. B. die Verbindung 50, zum Befestigen der Flügel unter Spannung verwendet werden.

Die Figur 5 soll veranschaulichen, wie die einzelnen Flügel angeordnet sind und welche Winkelbeziehungen zwischen den einzelnen Flügeln und dem Radius 46 bestehen können. Außerdem zeigt die Figur 5 den peripheren Abstand der Flügel an der Welle bzw. am Grundkörper, während die Figur 4 den axialen Abstand der Flügel am Grundkörper bzw. an den beiden Scheiben zeigt. Aus der Figur 5 geht hervor, daß durch diese Art der gegenseitigen Orientierung der Flügel in der Drehebene ein Dreiecksrahmenmuster gebildet ist. Schließlich zeigen die Figuren Z und 3, daß, im Schnitt gesehen, auch in Ebenen, die die Drehachse enthalten, ein Dreiecksrahaenmuster gebildet ist.

Die spezielle Orientierung und Anordnung der vielen kurzen, sehnenförmig angeordneten Flügelradblätter 22 tragen zur Verbesserung der akustischen, aerodynamischen und mechanischen Eigenschaften bei,

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Die akustischen Eigenschaften sind dadurch verbessert, daß aufgrund der Zahl der Flügel die Frequenz auf einen Wert oberhalb der Hörgenze angehoben ist. Außerdem bewirkt die Winkelstellung gegenüber dem Radius 46 eine Scherwirkung auf den Sog (wake) der ortsfesten Teile, z. B. der Leitschaufeln 30. Hierdurch wird vermieden, daß der Sog der ortsfesten Leitschaufeln zu einer Zeit auf eine volle Spannweite eines bewegten Flügels trifft. Ein gewisser aerodynamischer Vorteil ergibt sich durch die Winkelstellung oder Ausladung nahe der Spitze der Flügel, wo die Machzahl sehr hoch sein kann, was zu Verdichtungserscheinungen und möglichen Stoßwellen führt. In mechanischer Hinsicht ist nicht nur die doppelte Dreiecksrahmenstuktur in zwei Ebenen vorteilhaft, sondern die in Achsrichtung vorgesehene Beanstandung der inneren Enden der Flügel an den Scheiben schafft auch mehr Raum zum Verankern der Flügel mit den Scheiben, was normalerweise aus Raummangel Schwierigkeiten bereitet. Schließlich nimmt das Gewicht der Flügel mit ihrer Länge ab, umd damit verringert sich auch das Gewicht der Welle und der Lager, so daß die beschriebene Bauweise zu leichten Flügelrädern führt _β

Neben den konstruktiven Eigenschaften des Flügelrades ist noch eine weitere BöBoiaderheit wichtig, und zwar muß die Gesamtzahl der Flügel beträchtlich größer ale bei den norntaien Flügelrädern sein, bei denen zehn oder mehr vorhanden sind« Wagon d®r Verwendungvon kurzen Flügeln sind dl© Hersteiltingefcos'täß'''goring, äa die Flügel aus* Blechstreifen" hergestellt werdest PMMtm_s 'di® man""' nach Bedarf zerschneidet. *" " -^(:-"■■'-■ "-■■""' -.»■*-■-"·- '■■■·■

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Vibrationen werden durch geeignete Dämpfungsringe 52 gedämpft, die gemäß der Figur 1 mit allen oder einigen Flügeln zwischen der Felge und der Welle verbunden sein können.

Bei einer großen Zahl von Flügeln ist die Geschwindigkeit, mit der die Flügel an irgendeinem Punkt vorbeigeführt werden äußerst hoch. Für ein spezielles Triebwerk oder Flügelrad existiert eine der besonderen Konstruktion zugrunde liegende Drehzahl, die normalerweise eine feste Zahl ist. Es ist wichtig, daß das Produkt aus der Gesamtzahl der Flügel und der der Konstruktion zugrunde liegenden Drehzahl mindestens 14 000 Hertz sein sollte, was normalerweise ein Wert oberhalb der Hörgrenze ist. Obwohl bei einer geringeren Frequenz gewisse Vorteile hinsichtlich dem Gewicht und dem Lärm erzielt werden können, sollte die Frequenz nicht unterMb von 14 000 liegen. Durch Einhalten dieses Wertes erhält man ein Flügelrad mit vielen aerodynamischen und konstruktiven Vorteilen, welches außerdem in einem Bereich außerhalb der Hörgrenze betrieben wird.

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Claims (1)

1. Ansprüche

   1. Flügelrad für Flugzeuge, bestehend aus einer drehbaren Welle, einem sich in Achsrichtung erstreckenden Grundkörper und einer diesen außen radial umgebenden Felge, die zwischen den beiden Enden des Grundkörpers angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, · daß mit der Felge (20) und dem Grundkörper (40,41) eine Vielzahl von kurzen, sehnenförmig angeordneten Flügeln (42,44) verbunden ist, wobei die eine Hälfte der Flügel mit dem einen Ende und die andere Hälfte mit dem anderen Ende des Grundkörpers (40,41) derart verbunden ist, daß die Flügel in einer die Drehachse enthaltenden Ebene in Dreiecksform angeordnet sind, und daß das Produkt aus der Gesamtzahl der Flügel und der dem speziellen Flügelrad zugrunde liegenden Drehzahl einen Wert von mindestens 14 000 Hertz aat.

   2. Flügelrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Felge (20) Turbinenblätter (18) angebracht sind,

   3. Flügelrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e -kenn zeichnet, daß die Flügel (42,44) mit dem Grundkörper und der Felge (20) in einem abwechselnd symmetrischen Muster verbunden sind.

   4« Flügelrad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (42,44) mit dem Radius (46) des Flügelrades einem Winkel einschließen.

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   5. Flügelrad nach einem oder mehre&n der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (42,44) im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene an der Felge (20) befestigt sind.

   6. Flügelrad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der sich in Achsrichtung erstreckende Grundkörper (40) aus zwei auf der Welle sitzenden Scheiben (38) gebildet ist, wobei Paare (42,44) von benachbarten Flügeln, deren beide Flügel mit je einer Scheibe verbunden sind, bezüglich dem Radius 0-6) abwechselnd in entgegengesetzter Richtung angeordnet sind, so daß in der Drehebene eine Dreiecksrahmenstruktur gebildet ist.

   7. Flügelrad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ringkörper (52) mit mindestens einigen Flügeln (42,44) zwischen der Felge (20) und der Welle (24) verbunden ist.

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