DE19545253A1

DE19545253A1 - Variables Bypass-Verhältnis beim Fantriebwerk

Info

Publication number: DE19545253A1
Application number: DE1995145253
Authority: DE
Inventors: Hellmut Gerst
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-11-24
Filing date: 1995-11-24
Publication date: 1997-05-28

Description

Einordnung

Fantriebwerke arbeiten mit hohem Wirkungsgrad bei hohen Fluggeschwindigkeiten unterhalb der Schallgeschwindigkeit und bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten bei gleichzeitig hohen Anforderungen an die Schubkraft. Alle üblichen Ausführungen beruhen auf dem Prinzip der Zweiwellen-Gasturbine.

Die Besonderheit des Fan- od. Bläsertriebwerks ist, daß ein großer Teil der Leistung, die dem Gasstrom in der Niederdruckturbine entnommen wird, als Wellenleistung (mittels der innenliegenden Welle des koaxialen Zweiwellensystems) an die überdimensionierte erste Rotorstufe des mehrstufigen Niederdruckverdichters zurückgeführt wird. Hinter dieser Stufe, dem Fan od. Bläser 5 (Fig. 1), erfolgt die Aufteilung der gesamten aufgenommenen Luftmenge A (Fig. 1) in die koaxial geführten Luftströme B (äußerer Luftstrom; Mantelstrom; Sekundär- od. Bypass-Luft) und C (innerer Luftstrom; Primärluft; zum Verdichtersystem). Üblich sind Bypass-Verhältnisse (d. h. Sekundär/Primärluft) über 4 : 1; typisch sind 5,2 : 1 (Triebw.CF6-80C2, u. a. in der Airbus Industrie) bis zu 8 : 1 (TF39, z. B. Lockheed C-5 Galaxy). Für niedrigen spezifischen Treibstoffverbrauch bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten und niedrigen Flughöhen ist ein hohes Bypass-Verhältnis günstig; bei hohen Fluggeschwindigkeiten in großer Höhe ist ein niedrigeres Bypass-Verhältnis günstiger. Die Wahl wird deshalb auch durch den vorwiegenden Einsatz eines Triebwerkes bestimmt, z. B. im Regional- oder Langstreckenverkehr.

Zum einen ist es aus Gründen des spezifischen Treibstoffverbrauchs günstig, in unterschiedlichen Flugphasen unterschiedliche stationäre Bypass-Verhältnisse einstellen zu können; zum anderen erfordern bestimmte Betriebszustände der Gasturbine, das Luftangebot am Ausgang des Niederdruckverdichters bei fast unveränderter Drehzahl der Niederdruckwelle zu verändern. Letzteres erfolgt üblicherweise durch geregelte Klappen (variable bleed-doors, Triebw.CF6-80C2), die vorverdichtete Luft am Ende des Luftleitkanals 12 (Fig. 1) zum Bypasskanal hin freigeben. Das hat folgende Nachteile:

(i) die vorverdichtete Luft läßt sich aus den Klappenfenstern nicht turbulenzfrei in den Bypassstrom kanalisieren. Die Vorverdichtung wurde zudem mit einem Wirkungsgrad <1 des Niederdruckverdichters erzielt.
(ii) Hinter den Klappenbereichen hält der Primärluftstrom ein fortgesetztes, tangentiales Druckprofil (einen bei zirkulärer Betrachtung wechselnden Druck), das bei Erreichen des Hochdruckverdichters nicht ausglichen ist. Auf die erste Rotorstufe des Hochdruckverdichters wirkt dieser mit dem Hochdruckkern nichtsynchrone Wechselanteil auch hinter den Einlaßleitschaufeln 11 (Fig. 1) wie eine Randomstörung, die den Konversionsfaktor der vorderen Stufen beeinträchtigt. Evtl. mögliche Stabilitätsprobleme in der ersten Rotorstufe des Hochdruckverdichters (nicht erwähnt) sind aus den konstruktiven Maßnahmen ablesbar, die dort getroffen wurden.

Trennung der Luftwege vorn

Günstiger ist der hier vorgeschlagene Weg, die Aufteilung der Luftmengen B und C (Fig. 1) direkt hinter dem Fan zu variieren. Eine verstellbare Ringblende, Fig. 2, deren Eintrittsfläche durch gemeinsames Kippen aller Ringblendensegmente 2 (Fig. 1; Fig. 2) verändert wird, ist mit den obengenannten Problemen nicht behaftet. Um die Wirkung sehr direkt zu erhalten, wird der Rücken der Fanblätter ggf. mit einem Profil versehen, das dem Weg der Ringblenden-Vorderkante entspricht. Dichtes Führen der Ringblenden-Kante nahe dem Fan vermeidet Druckausgleich hinter dem Fan und eine Reduzierung des wirksamen Variationsbereichs.

Anordnung der Ringblende im Fan-Gehäuse

Das Schema Fig. 1 zeigt die interessierenden Abschnitte eines üblichen Fantriebwerks, dessen prinzipieller Aufbau hier nicht näher zu erläutern ist. Die skizzierte, allgemein übliche Art der Lagerung des Wellensystems und der besonders stark belasteten Teile 16, 17 bezieht die radialen Luftleitstreben 4 nicht in die Statik des vorderen Triebwerksteils ein, die allein von der Titanguß-Fannabe 12, 17 getragen wird. So können die Luftleitstreben als Stellarme für die Ringblendensegmente genutzt werden, mit denen sie fest verbunden werden; 2, 4. Die Lagerung der Ringblende erfolgt mittels eines Kippachsen-Polygons 1 vorn am üblichen mehrteiligen Luftleitkörper 3, dessen äußere Fläche die innere Hülle des Bypasskanals und dessen innere Fläche den Mantel des Niederdruckverdichters bildet. Die feststehenden Einlaßleitschaufeln 14 vor dem Niederdruckverdichter-Eingang werden schräggestellt zwischen dem feststehenden Fußring 15 und der Vorderkante des Luftleitkörpers nahe 1. Soll ihre vordere Ebene der hinteren Fanebene unmittelbar gegenüberstehen, dann wird die Scheitelperipherie so gewählt, daß sie die Innenfläche der Ringblende 2 in der kleinsten Stellung berührt.

Statt der in Fig. 1 erkennbaren Aktion des Verbundringes 7, der die Translationsbewegung weniger Stellwertgeber 8 in axialer Richtung im Verbund an die Gelenke 6 weitergibt, ist eine Anordnung von 90°-Winkelhebeln zwischen 6 und 7 vorzuziehen (ohne Zeichnung). Die radial orientierten Winkelachsen werden drehbar auf dem Fan-Gehäuse 9 montiert ähnlich der Klappensteuerung auf dem hinteren Mantelende des Niederdruckverdichters in dem Triebw.CF6-80C2. Der Verbundring wird mittels zusätzlicher Winkelhebel zwischen 7 und 8 bewegt: nicht in axialer Richtung verschoben, sondern auf dem Fan-Gehäuse gedreht. Diese Konstruktion kommt mit 2 Stellwertgebern in diametraler Anordnung und ebenfalls axialer Arbeitsrichtung wie in Fig. 1 auf dem Fan-Gehäuse aus.

Konstruktion der Ringblende

Fig. 2 zeigt das Schema eines möglichen Aufbaus der Ringblende. Die geraden Achsenstücke 1 werden im Polygon angeordnet; sie sind z. B. fest im inneren Ende der Luftleitstreben 4 und beweglich gelagert in der Vorderkante von 3, wo die innere und äußere Fläche des mehrteiligen Luftleitkörpers zusammenstoßen. Das Vorderteil von 4 ist in den Ringblenden-Segmenten 2 befestigt (symbolisch mittels 6). Die Ausgleichsflächen 5 werden beim Kippen der Segmente aus der Horizontalen teleskopartig in die Randzonen geschoben. Bei großem x und Δx, d. h. breiten Segmentabschnitten (wenigen Streben) und großen Kippwinkeln, werden die Ausgleichsflächen auf Flächenkrümmung beansprucht, was entweder durch Wahl geeigneter Toleranzen und Werkstoffe oder durch Mittelgelenke bei starrer Ausführung von 5 zu berücksichtigen ist.

Relative Änderung des Bypass-Verhältnisses

Der Luftstrom A (Fig. 1) erfährt durch den Einlaufdiffusor vor und beim Durchtritt durch den Fan eine radiale Schichtung, die von Konstruktions- und Betriebsgrößen abhängt. Es ist deshalb nicht möglich, aus einfachen geometrischen Flächenverhältnissen hinter dem Fan auf ein gültiges Bypass-Verhältnis oder auf die relative Änderung des Bypass-Verhältnisses b in weiten Grenzen zu schließen.

Die relative Gesamt-Flächenvariation der Ringblende F_max/F_min ergibt sich für ausreichend viele, schmale Segmentabschnitte der Breite x und für betragsgleiche Segmentbreitenvariation Δx in beiden Richtungen (Öffnung/Schließung) zu F_max/F_min≈(1+2Δx/x)². Für Δx«x gilt auch ϕ≈arcsin (2R·Δx/y·x), vgl. Fig. 2.

Ohne Kenntnis der von der Blendenstellung abhängigen, unterschiedlichen radialen Strömungsdichteverläufe ist auch eine Abschätzung der größten relativen Änderung des Bypass- Verhältnisses nicht möglich. Die Strömungsdichten müssen dazu über die vier Radiusabschnitte entsprechend den zwei Extremstellungen der Blende getrennt integriert werden.

Für kleine Flächendifferenzen der Blendenöffnung (F₂-F₁)«(F_max-F_min) und beide Blendenstellungen (F₂; F₁) nahe dem beliebigen Kippwinkel ν verhält sich die relative Änderung des Bypass-Verhältnisses wie das wirksame Flächenverhältnis b(ν)=(F₂-F_f)/(F₁-F_f). F_f ist die vom Fußkreis 15 (Fig. 1) eingeschlossene Fläche. Ist das Bypass-Verhältnis für ν bekannt, dann kann aus der Geometrie nur auf die relative Änderung nahe ν geschlossen werden.

Bezugszeichenliste

Fig. 1 Übersichtsschema schematic survey
1 Kippachsen d. Ringblenden-Segmente tilt axes of sements
2 Ringblenden-Segmente tilting segments
3 Luftleitkörper air duct
4 Radiale Luftleitstreben outlet guide vanes
5 Fan od. Bläser fan
6 Gelenkverbindungen 4-7 links 4-7
7 Verbundstellring unison ring
8 Stellwertgeber actuators
9 Fan-Gehäuse fan case
10 Radiale Stützstreben radial support struts
11 Leitschaufeln am H.verdichtereingang HP compressor inlet guide vanes
12 Luftleitkanal am N.verdichterausgang LP booster outlet air straightener (Fannaben-Titangußkörper) (part of cest titanium fan hub)
13 Niederdruckverdichter-Rotorkörper LP booster spool
14 Leitschaufeln am N.verdichtereingang LP booster inlet guide vanes
15 feststehender Montagering f. 14 mounting area of 14
16 Innenwelle (N.turbine - N.verdichter) mid-Fan (LP turbine to booster) shaft
17 Fan-Lager fan thrust bearing
A Lufteintritt air intake
B Bypass- od. Mantelstrom bypass air
C Luftstrom z. Verdichter compressor air inflow

Fig. 2 Ringblende variable air flow separator
1 Kippachsen-Polygon polygon assembly oft tilt axes
2 Ringblendensegmente segments
3 Luftleitkörper air duct
4 Radiale Luftleitstreben radial air straightener struts
5 Ausgleichsflächen telescoping intersections
6 Verriegelung locking-bolt
ϕ Kippwinkel tilt angle
R mittl. Radius der Ringblendenöffnung mean radius of the aperture
x Segmentbreite lateral extension of 2
Δx einseitige Variationsbreite von x total span of x-variation
y wirksame Segmentlänge effective length of 2

Claims

Die Minimierung des spezifischen Treibstoffverbrauchs eines Fantriebwerkes erfordert die geregelte Einstellung eines den unterschiedlichen Betriebsbedingungen angemessenen Verhältnisses von außen am Triebwerk vorbeigeführtem Sekundärluftstrom zum im Triebwerk geführten Primärluftstrom (Bypass-Verhältnis). Auch erfordern bestimmte Betriebszustände der Gasturbine, das Luftangebot am Ausgang des Niederdruckverdichters bei momentan unveränderter Drehzahl der Niederdruckwelle schnell zu korrigieren. Letzteres erfolgt üblicherweise durch geregelte Klappen am Ende des Niederdruck-Verdichters zum Bypasskanal hin. Eine wirksame Variation des Bypassverhältnisses mittels Klappen ist nicht beabsichtigt und auch nicht möglich.
Die Anordnung zur Variation des Bypass-Verhältnisses ist gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- (1) die variable Aufteilung der insgesamt durch den Fan einlaufenden Luftmenge A in den Luftstrom B (Sekundärstrom außen) und C (Primärstrom innen zum Verdichtersystem) erfolgt mittels einer konzentrisch zur Mittelachse angeordneten, geregelt verstellbaren Ringblende, die unmittelbar hinter dem Fan auf der Radiushöhe des üblichen starren Luftleitkörpers angeordnet wird und durch Verstellmöglichkeiten zu kleineren und größeren Öffnungsflächen hin eine turbulenzarme Variation von B und C vornimmt
- (2) die Verstellung der Blendenöffnung erfolgt in der Weise, daß eine Aufteilung des beweglichen Vorderteils der Blende in Segmente vorgenommen wird, die auf einem Drehachsen-Polygon in der verkürzten Vorderkante des starren Luftleitkörpers um die Mittelachse drehbar gelagert und gemeinsam gekippt werden
  - (2.1) mittels beweglicher Anordnung der starr mit den Segmenten zu verbindenden, üblicherweise starren Luftleitstreben hinter dem Fan. Die Lagerung derselben erfolgt am inneren Ende mittels dem der Strebe zugeordneten geraden Polygon-Achsenstück und auf dem Mantel des Fangehäuses in einem Gelenk, das die gleitend durch den Mantel geführte Strebe mit dem zugeordneten Stellarm der Stellwertgebereinrichtung (Stellwertgeber und üblicher Verbundring wie bei Klappensteuerung) verbindet
  - (2.2) Druckausgleich zwischen B und C wird unterbunden durch Teleskop-Ausgleichsflächen zwischen den Segmenten
  - (2.3) unbeabsichtigtes Schließen der Blende wird unterbunden durch Begrenzung der kleinsten Blendenöffnung mittels der Geometrie der zum Blendenrand hin verjüngten Segmente.