-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine strukturmechanisch optimierte Bauteilanordnung für den Einlassbereich eines Strahltriebwerks gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Bedingt durch die Umgebungsbedingungen eines Flugzeugs während des Fluges kann im Einlassbereich des Triebwerks, im Bereich der ersten Verdichterstufen und auf weiteren Bereichen der Triebwerksstrukturen eine Eisbildung auftreten. Zu dem Einlassbereich mit Eisbildung sind Leitvorrichtungen, Befestigungsstreben oder der sogenannte Lagereintrittsstern zu zählen. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Maßnahmen bekannt, diese Eisbildung zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren. Dazu sind Anti-Vereisungssysteme (englisch: anti-icing systems) und Enteisungssysteme (englisch: de-icing) zu zählen. Diese Systeme können einen Eisaufbau verhindern oder zumindest verringern, indem die betroffenen Teile des Triebwerks mit Warmluft durchströmt oder angeblasen werden. Diese Warmluft wird von anderen Triebwerksbereichen über Kanäle an die entsprechenden Bereiche mit potentieller Eisbildung weitergeleitet.
-
Zum unmittelbaren Zuführen dieser Warmluft in die zu enteisenden Teile des Triebwerks werden oft lokale kleine Bohrungen eingebracht. Diese Bohrungen können als Luftausblasungen bezeichnet werden. Die Bohrungen werden oft mittels Funkenerodieren (englisch: EDM, electrical discharge machining) oder mittels elektrochemischem Abtragen (englisch: ECM, electrochemical machining) erzeugt. Diese Fertigungsprozesse werden beispielsweise auch zum Einbringen von Kühlluftbohrungen hochbeanspruchter Turbinenschaufeln im Triebwerk verwendet.
-
Die mit den Bohrungen oft verbundenen Bohrungskerben in den bearbeiteten Bauteilen können zu lokal hohen Spannungen im Material und letztlich zu einer niedrigeren Lebensdauer der Bauteile durch Rissbildungen und Rissinitiierungen führen. Weiterhin können fertigungsbedingte Risse oder Anrisse an den Bohrungen auftreten, die insbesondere beim Funkenerodieren infolge der auftretenden harten Erodierschichten (englisch: RCL - Re-Cast Layer) erzeugt werden.
-
Die erwähnten Bauteile im Einlassbereich mit Eisbildung, also beispielsweise Leitvorrichtungen, Befestigungsstreben oder der Lagereintrittsstern, können als Strukturbauteile des Triebwerks bezeichnet werden. Strukturbauteile bedeutet in diesem Fall, dass die strukturmechanische Integrität dieser Bauteile im Versagensfall oder im Fehlerfall gewährleistet werden sollte, um den Totalausfall des Triebwerks zu vermeiden. Aus diesem Grund sind die genannten durch EDM oder ECM fertigungsbedingten Rissbildungen und Rissinitiierungen sowie Spannungen im Material zur Erhaltung der strukturmechanischen Integrität des Triebwerks hochrelevant und möglichst zu vermeiden.
-
Aus der aufgezeigten Problematik ergibt sich ein Zielkonflikt zwischen einerseits der Notwendigkeit, eine Eisbildung mit den genannten Maßnahmen zu vermeiden, andererseits aber die strukturmechanischen Anforderungen an die relevanten Bauteile zu erhalten.
-
Aus der
CA 805876 A ist ein Enteisungssystem für die Eintrittsleitschaufeln eines Triebwerks bekannt. Jede Eintrittsleitschaufel umfasst in einer Ausführungsform Hohlräume in Metallblechen.
-
Aus der
US 2,927,725 A ist ein Enteisungssystem für eine Gasturbine bekannt. Das Vermeiden einer Eisbildung wird durch eine Zuführung eines heißen Gasstroms offenbart.
-
Aus der
US 10,415,473 B2 ist ein Enteisungssystem für eine Turbomaschine einer bekannt, die eine Nase mit einem Verteiler umfasst. Die Verteilernase weist ringförmige Schaufelreihen auf, wobei das Enteisungssystem auf dem Einspritzen eines heißen Gases basiert.
-
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine strukturmechanisch optimierte Bauteilanordnung für den Einlassbereich eines Strahltriebwerks vorzuschlagen, um einerseits eine Eisbildung zu vermeiden und andererseits die strukturmechanische Integrität der Bauteilanordnung zu erhalten.
-
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Bauteilanordnung für den Einlassbereich eines Strahltriebwerks mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Erfindungsgemäß wird eine strukturmechanisch optimierte Bauteilanordnung für den Einlassbereich eines Strahltriebwerks vorgeschlagen. Das Strahltriebwerk kann ein Mantelstromtriebwerk sein. Die Bauteilanordnung umfasst wenigstens eine Strebe und/oder eine Leitschaufel. Die Strebe und/oder die Leitschaufel ist mit einem Gehäuse des Strahltriebwerks verbunden. Die Bauteilanordnung umfasst weiterhin eine mit der Strebe und/oder der Leitschaufel verbundene Leitvorrichtung zum Einleiten eines Fluids zum Erwärmen zumindest eines Abschnitts der Strebe und/oder der Leitschaufel.
-
Das Fluid zum Erwärmen kann ein Gas oder ein Medium, insbesondere Umgebungsluft, sein. Die Umgebungsluft kann das Durchströmungsmedium des Strahltriebwerks sein.
-
Eine strukturmechanisch optimierte Bauteilanordnung kann bedeuten, dass die strukturmechanischen Anforderungen an diese Bauteile auch dann möglichst vollständig erhalten bleiben, wenn an der Bauteilanordnung Veränderungen vorgenommen werden. Veränderungen können ein mechanisches Bearbeiten der Bauteile oder das Verbinden oder Anbringen von zusätzlichen Teilen bedeuten. Die strukturmechanischen Anforderungen an die Bauteile können ein Erhalten der strukturmechanischen Integrität bedeuten. Die strukturmechanische Integrität kann die Steifigkeit des Bauteils umfassen. Diese strukturmechanische Integrität soll auch dann möglichst vollständig erhalten bleiben, wenn beispielsweise betriebsbedingte Spannungen im Material auftreten.
-
Eine Bauteilanordnung kann eine Halteanordnung sein, beispielsweise von Streben zum Verbinden von inneren mit äußeren Gehäuseteilen des Strahltriebwerks, oder eine Eintrittsleitanordnung zum Ausrichten der in das Strahltriebwerk eintretenden Strömung, um eine optimale Anströmung für den Fan und/oder eine erste Verdichterstufe zu erreichen.
-
Der Einlassbereich eines Strahltriebwerks ist insbesondere der Strömungseintrittsbereich zwischen dem ersten Eintrittsquerschnitt am Strahltriebwerk bis zum Fan, also bis zu den ersten im Betrieb rotierenden Schaufeln.
-
Das Strahltriebwerk kann als Turbinen-Strahltriebwerk, Turbo-Strahltriebwerk, Turbo-Luftstrahltriebwerk, Turbinen-Luftstrahltriebwerk, Gasturbinen-Flugtriebwerk, Jettriebwerk oder als Flugtriebwerk bezeichnet werden. Das Strahltriebwerk kann als zentrale Komponente eine Gasturbine umfassen. Manchmal wird das Strahltriebwerk insgesamt als Gasturbine bezeichnet.
-
Das Strahltriebwerk kann ein Einstrom-Strahltriebwerk oder ein Mantelstromtriebwerk sein. Das Mantelstromtriebwerk kann als Nebenstromtriebwerk, Zweistromstrahltriebwerk, Zweistrom-Turbinen-Luftstrahltriebwerk oder als Fantriebwerk bezeichnet werden. In einem Mantelstromtriebwerk ummantelt ein äußerer Luftstrom einen inneren Kernstrom durch die Gasturbine, in dem der thermodynamische Kreisprozess stattfindet.
-
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen und Ausführungsformen.
-
Erfindungsgemäße, beispielhafte Ausführungsformen können eines oder mehrere der im Folgenden genannten Merkmale in beliebiger Kombination aufweisen, sofern eine, oder die, konkrete Kombination für den Fachmann nicht als offenkundig technisch unmöglich erkennbar ist. Auch die Gegenstände der Unteransprüche geben jeweils erfindungsgemäße, beispielhafte Ausführungsformen an.
-
Bei allen oben gemachten und unten folgenden Ausführungen ist der Gebrauch des Ausdrucks „kann sein“ bzw. „kann haben“ usw. synonym zu „ist vorzugsweise“ bzw. „hat vorzugsweise“ usw. zu verstehen und soll erfindungsgemäße, beispielhafte Ausführungsformen erläutern.
-
Wann immer hierin Alternativen mit „und/oder“ eingeführt werden, so versteht der Fachmann das darin enthaltene „oder“ vorzugsweise als „entweder oder“ und vorzugsweise nicht als „und“.
-
Hierin genannte Ausführungsformen sind als erfindungsgemäße, rein exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu verstehen, die nicht als beschränkend zu verstehen sind.
-
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Leitvorrichtung zum Einleiten eines Fluids, insbesondere eines Gases, zum Erwärmen zumindest eines Abschnitts der Strebe oder der Leitschaufel kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit der Strebe oder der Leitschaufel verbunden. Insbesondere ist die Verbindung nicht, oder zumindest nicht vollständig materialschlüssig. Eine materialschlüssige Verbindung wäre beispielsweise ein direktes Bohren von Kanälen der Leitvorrichtung in eine Strebe oder in eine Leitschaufel. Eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung wäre beispielsweise eine Presspassung, ein Einschieben der Leitvorrichtung mit anschließender Verriegelung mittels Verschrauben oder einer anderen Fixierung der Leitvorrichtung in die Strebe oder in die Leitschaufel.
-
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Leitvorrichtung einteilig ausgebildet. Eine einteilige Ausführungsform kann eine Leitvorrichtung sein, die mittels Presspassung ohne weitere Fixierungen oder Sicherungen in der Strebe oder in der Leitschaufel befestigt wird. Die Leitvorrichtung kann mittels weiterer Fixierungen, Sicherungen, Schrauben, Bajonettverschlüssen in der Strebe oder in der Leitschaufel befestigt sein. Diese zusätzlichen Teile der Leitvorrichtung können eine materialschlüssige Verbindung mit der Strebe oder der Leitschaufel aufweisen, beispielsweise eine Sicherung, die mittels Schweißen fixiert wird.
-
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen umfasst die Leitvorrichtung ein Bauteil mit im Wesentlichen parallelen Durchgangskanälen sowie wenigstens einer Haltevorrichtung zum Fixieren des Bauteils. Die Leitvorrichtung kann ein Lochblech sein oder zumindest ein Lochblech umfassen.
-
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist wenigstens ein Befestigungsbauteil für die Leitvorrichtung mittels eines präzisionsgeschmiedeten Fertigungsverfahren und/oder eines materialabtragenden Fertigungsverfahren, insbesondere mittels Fräsen, hergestellt.
-
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Bauteilanordnung zumindest abschnittweise mittels additiver Fertigung hergestellt. Ein additives Fertigungsverfahren kann als additives Herstellungsverfahren, als generatives Herstellungsverfahren oder als Rapid Prototyping bezeichnet werden. Ein generatives Herstellungsverfahren ist beispielsweise das selektive Lasersinterverfahren (SLS), das selektive Laserschmelzverfahren (SLM) oder das Kaltgasspritzverfahren.
-
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen umfasst die Leitvorrichtung eine poröse Struktur zum Einleiten des Fluids, insbesondere eines Gases. Ein Einleiten kann ein Durchleiten sein oder umfassen. Die poröse Struktur kann mittels additiver Fertigung im Wesentlichen geschlossen in die Leitvorrichtung integriert werden, wobei lediglich Öffnungen oder Zugänge zum Durchleiten des Fluids vorhanden sind.
-
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen umfasst die Leitvorrichtung eine lamellenförmige Struktur zum Einleiten oder Durchleiten des Fluids. Eine lamellenförmige Struktur kann eine Sandwich Bauweise sein.
-
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Strebe ein Lagereintrittsstern oder ein Abschnitt eines Lagereintrittssterns.
-
Die erfindungsgemäße strukturmechanisch optimierte Bauteilanordnung ermöglicht eine Funktionstrennung zwischen einerseits den strukturmechanischen Anforderungen und andererseits der Anti-Vereisungs-Funktion der Bauteilanordnung. Es wird dabei beispielsweise keine aus dem Stand der Technik bekannte einteilig gefertigte Strebe verwendet, sondern erfindungsgemäß eine zweiteilige oder mehrteilige Strebenanordnung, die einerseits die Strebe und andererseits die Leitvorrichtung zum Einleiten des Gases zum Erwärmen der Strebe umfasst. Dadurch kann vorteilhaft vermieden werden, dass es keine direkte stoffschlüssige Verbindung zwischen der Leitvorrichtung zum Einleiten des Gases, also exemplarisch den Luftausblasungen in Form von Kanälen, und dem Strukturlastpfad der Strebe gibt.
-
Die erfindungsgemäße strukturmechanisch optimierte Bauteilanordnung verhindert vorteilhaft, dass ein möglicher fertigungsbedingter Anriss im Bereich der Bohrungen der Leitvorrichtung nicht in den Hauptlastpfad der Strebe gelangen kann.
-
Anstatt einer Strebe kann eine Leitschaufel in der gleichen Art und Weise betrachtet werden.
-
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen, in welcher identische Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Bauteile bezeichnen, exemplarisch erläutert. In den stark schematisch vereinfachten Figuren gilt:
- 1 zeigt eine erfindungsgemäße, strukturmechanisch optimierte Bauteilanordnung in einer ersten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht;
- 2a zeigt die Bauteilanordnung aus 1 in einer Schnittebene quer zur Längsausrichtung mit einer montierten Leitvorrichtung;
- 2b zeigt die Bauteilanordnung aus 1 in einer Schnittebene quer zur Längsausrichtung mit einer eingepressten und fixierten Leitvorrichtung; und
- 3 zeigt eine erfindungsgemäße, strukturmechanisch optimierte Bauteilanordnung in einer zweiten Ausführungsform in einer Schnittebene.
-
1 zeigt eine erfindungsgemäße, strukturmechanisch optimierte Bauteilanordnung 100 in einer ersten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht.
-
In dieser Ausführungsform ist exemplarisch eine Strebe 1 dargestellt, die im Einlassbereich eines Strahltriebwerks angeordnet sein kann. Die Strebe 1 kann beispielsweise innere, mit einer Gasturbine verbundene, statische Bauteile, etwa in Verbindung mit einem Lagerstützring, mit dem äußeren Strahltriebwerksgehäuse verbinden. Funktional kann die Strebe somit ein Strukturlastpfad ausbilden. Im Stand der Technik sind die für eine mögliche betriebsbedingte Enteisung vorgesehenen Bohrungen direkt in die Strebe 1 eingebracht, etwa mittels eines Funkenerodierverfahrens oder mittels elektrochemischem Abtragen. Dadurch kann die Integrität und Stabilität dieses Strukturlastpfades geschwächt werden, da mögliche Bohrungskerben zu hohen lokalen Spannungen im Material führen können.
-
Erfindungsgemäß wird der Strukturlastpfad der Strebe 1 nicht beeinflusst, indem die Bohrungen 3 zur Gaszuführung für eine Enteisung an der Strebe oder zum Verhindern einer Eisbildung an der Strebe, nicht direkt in die Strebe 1 eingebracht werden, sondern mittels eines separaten Bauteils, einer Leitvorrichtung 5 vorgesehen sind. Die Leitvorrichtung 5 kann beispielsweise ein Lochblech sein. Mögliche Ausführungsformen und Befestigungsvarianten für diese Leitvorrichtung 5 sind in den 2a und 2b dargestellt.
-
Die Bohrungen 3 zur Gasdurchführung können als Durchgangskanal bezeichnet werden.
-
2a zeigt die Bauteilanordnung 100 aus 1 in einer Schnittebene quer zur Längsausrichtung der Strebe 1 mit einer montierten Leitvorrichtung 5. Die Leitvorrichtung 5 weist in einer Führungsnut 9 ein minimales Spiel auf, sodass sich die Leitvorrichtung 5, je nach vorherrschender Druckdifferenz Δp geringfügig bewegen kann. Ein Verklemmen ist durch das minimale Spiel nicht möglich.
-
Die Bohrungen 3 zur Gasdurchführung können exemplarisch separat in der Leitvorrichtung 5 gefertigt werden, sodass ein möglicher fertigungsbedingter Anriss im Bereich der Bohrungen 3 nicht in den Hauptlastpfad der Strebe 1 gelangen kann.
-
Ein für die Durchströmung notwendiger Druckunterschied Δp im Bereich der Bohrung 3 wird durch die beiden Pfeile schematisch angedeutet.
-
2b zeigt die Bauteilanordnung 100 aus 1 in einer Schnittebene quer zur Längsausrichtung der Strebe 1 mit einer eingepressten und fixierten Leitvorrichtung 5. Die Leitvorrichtung 5 wird in dieser Ausführungsform exemplarisch zwischen die beiden äußeren Endbereiche der Wandung der Strebe 1 mittels einer Presspassung eingesetzt. Zusätzlich wird die Leitvorrichtung 5 mittels zwei Befestigungsbauteilen 7 fixiert. Die Befestigungsbauteile 7 können exemplarisch mittels einem präzisionsgeschmiedeten Fertigungsverfahren und/oder einem Fräsverfahren hergestellt sein. Die direkte Fixierung der Befestigungsbauteilen 7 kann, rein exemplarisch mittels eines materialschlüssigem Schweißen erfolgen. Optional kann die Leitvorrichtung 5 zusammen mit den Befestigungsbauteilen 7 einteilig hergestellt werden.
-
Das Befestigungsbauteil 7 kann als Haltevorrichtung bezeichnet werden.
-
3 zeigt eine erfindungsgemäße, strukturmechanisch optimierte Bauteilanordnung 100 in einer zweiten Ausführungsform in einer Schnittebene.
-
Die Bauteilanordnung 100 umfasst exemplarisch eine Leitschaufel 11 und eine Leitvorrichtung 5. Die Bauteilanordnung 100 ist insbesondere mittels additiver Fertigung hergestellt. Durch additive Fertigung ist es möglich, hinter der Eintrittskante 13 der Schaufel 11 eine weitere Wand 15 einzuführen und den durch die Wand geschützten Zwischenraum mit einer als Leitvorrichtung 5 ausgestalteten porösen Struktur, mit Lamellen oder mit ähnlichem zu füllen. Diese Füllung wird nachfolgend vereinfachend kurz als Struktur bezeichnet. Durch diese Struktur kann ein Heizmedium als Gas geführt werden, um die Schaufel 11 zu heizen und dadurch vor einer Vereisung zu schützen oder eine Vereisung aufzulösen. Diese Struktur kann die Wärmeübertragung zum Metall der Schaufel 11 verbessern und damit die erforderliche Gasmenge oder Luftmenge verringern.
-
Der Wärmeübergang von der Struktur zum Metall der Schaufel 11 kann örtlich dadurch angepasst werden, dass die Struktur über die Höhe der Leitschaufel 11 und/oder den Abstand zur Außenhaut verändert wird.
-
Da eine poröse Struktur in gewissem Umfang auch Lasten aufnehmen kann, ist es möglich, die Außenhaut der Leitschaufel 11 für eine erforderliche Mindeststeifigkeit dünner zu gestalten. Dies kann vorteilhaft ein geringeres Gewicht ermöglichen. Eine derart gestaltete Eintrittskante 13 kann vorteilhaft bei einem möglichen Einschlag eines harten Körpers zu einer gewünschten plastischen Verformung genutzt werden, um diesen harten Körper abzubremsen. Weiterhin können auch kleine Körper aufgenommen werden, wodurch ein Eintreten in das Strahltriebwerk mit einer potentiellen Gefahr für mechanische Schäden verhindert werden kann.
-
Bezugszeichenliste
-
- 100
- strukturmechanisch optimierte Bauteilanordnung
- 1
- Strebe
- 3
- Bohrung zur Gasdurchführung
- 5
- Leitvorrichtung
- 7
- Befestigungsbauteil
- 9
- Führungsnut
- 11
- Leitschaufel
- 13
- Eintrittskante der Leitschaufel
- 15
- Wand der Schaufel nahe der Eintrittskante
- 17
- Kanal zur Versorgung einer Lagerkammer
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- CA 805876 A [0007]
- US 2927725 A [0008]
- US 10415473 B2 [0009]
