DE3507036A1 - Luftsteuerungseinrichtung fuer ein gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

9558.9-13DV-08521 General Electric Company

Luftsteuerungseinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Luftsteuerungseinrichtung für Gasturbinentriebwerke bzw. -motoren und insbesondere auf Mittel zur Lieferung von Luft an den Nabenbereich einer drehbaren Schaufel.

Gegenwärtig gibt es zum Antrieb von Flugzeugen zwei Arten von Triebwerken, nämlich die Turbofan- und die Turboprop-Triebwerke« Beiden Triebwerken gemeinsam ist eine Leistungserzeugungseinheit. Diese Einheit enthält üblicherweise einen Verdichterabschnitt, einen Brenner und einen Turbinenabschnitt in einer Reihenströmungsanordnung. Verdichtete Luft von dem Verdichterabschnitt wird im Brenner mit Brennstoff gemischt und verbrannt, um eine Gasströmung mit einer hohen Geschwindigkeit zu erzeugen, die durch die Turbine expandiert wird, wo Energie herausgezogen wird. Ein Teil dieser Energie wird zum Antrieb des Verdichters benutzt, während der Rest das Gebläse bzw. den Fan oder den Propeller antreibt.

Obwohl Temperaturerhöhungen als Folge der im Verdichter erbrachten Arbeit auftreten, sind die höchsten Temperaturen im Triebwerk diejenigen im Brenner und in dem Turbinenabschnitt. Verdichtete Luft zur Kühlung dieser Komponenten wird üblicherweise aus dem Verdichter, dem Gebläsekanal erhalten oder auf andere Weise aus der Atmosphäre gezogen.

Bei den meisten turbofan- oder propeller-getriebenen Triebwerken, ist das Gebläse oder der Propeller im allgemeinen

vor dem Kerntriebwerk angeordnet. Somit arbeitet bei derartigen Anwendungsfällen die Nabenstruktur der Schaufeln dieser Antriebseinrichtung in einer Umgebung mit relativ niedriger Temperatur, wodurch das Erfordernis für eine Kühlung der Nabenstruktur vermieden wird.

Es ist jedoch bekannt, den Antriebsabschnitt im allgemeinen hinter dem Kerntriebwerk in einer sogenannten "Schieber"-Konfiguration anzuordnen. Beispielsweise sind in der deutschen Patentanmeldung P 33 38 456 "Schieber"-Konfigurationen sowohl für turbofan- als auch propeller-getriebene Triebwerke beschrieben. Aufgrund der großen Nähe der Antriebsschaufeln an der Turbine und dem Brenner in derartigen Konfigurationen sind die Schaufelnabenstrukturen bei gewissen Flugbedingungen relativ hohen Wärmbelastungen ausgesetzt.

Die Lufttemperaturen in dem Nabenbereich ändern sich in Abhängigkeit von den Flugbedingungen. Beispielsweise sind während Perioden mit relativ hohem Leistungsbedarf, wie beispielsweise beim Starten, die Turbinen- und Brennertemperaturen erhöht, was höhere Temperaturen an der Schaufelnabenstruktur zur Folge hat. Leichte und billige Materialien und steigungsvariable Schaufelnabenstrukturen haben häufig relativ niedrige Temperaturgrenzen. Somit kann eine Kühlung dieser Nabenstruktur während dieser Hochleistungs-Startbedingungen erforderlich sein. Im Gegensatz dazu stabilisieren sich die Temperaturen auf einem niedrigeren Wert während stationärer Reiseflugbedingungen^und die Kühlung kann dann überflüssig sein. Da jedes Kühlsystem bei seiner Verwendung eine Leistungseinbuße herbeiführt, ist es von Interesse, eine Kühlung nur dann zu aktivieren, wenn sie erforderlich ist. Deshalb sind Mittel wünschenswert, um die Kühlluftmenge für den Nabenbereich derartiger Schaufeln automatisch zu variieren.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue und verbesserte Luftsteuerungseinrichtung zu schaffen. Dabei sollen insbesondere Mittel zum Kühlen der Nabenstruktur einer Antriebs- oder Gebläseschaufel geschaffen werden. Weiterhin

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soll die Kühlluftmenge für den Nabenbereich einer Antriebsoder Gebläseschaufel selbsttätig verändert werden.

Erfindungsgemäß wird eine Luftsteuerungseinrichtung angegeben für eine Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk mit einer steigungsvariablen, umlaufenden Schaufel und mit einer Einrichtung zum Verändern der Schaufelanstellung bzw. des Anstellwinkels. Die Luftsteuerungseinrichtung weist eine Plattform auf, die an einem radial inneren Ende der Schaufel fest angebracht ist. Die Plattform ist im wesentlichen auf einer drehbaren, ringförmigen Oberfläche angeordnet, die äußere und innere Räume bildet. In einer ersten Stellung stimmt ein Randabschnitt der Plattform im wesentlichen mit der Oberfläche überein. In einer zweiten Stellung ist der Abschnitt von der Oberfläche radial nach außen verschoben, wodurch eine Strömungsmittelverbindung zwischen den äußeren und inneren Räumen entsteht.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Ansicht von einem schiebenden Turboprop-Triebwerk gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht von einer umlaufenden Gondel und Schaufeln, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind, wobei die Schaufeln in einer groben Steigung eingestellt sind.

Fig. 3 ist eine Ansicht des Nabenbereichs einer in Fig. 2 gezeigten Schaufel.

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht ähnlich Fig. 2, wobei die Scha
gestellt sind.

wobei die Schaufeln in einer flachen Steigung ein-

Fig. 5 ist eine Ansicht des Nabenbereiches einer in Fig. gezeigten Schaufel.

Die Erfindung kann in irgendeinem Gasturbinentriebwerk mit einer anstellungsvariablen, umlaufenden Schaufel verwendet werden, wo es wünschenswert ist, die Luftströmung durch eine umlaufende, ringförmige Oberfläche zu steuern, relativ zu der die Schaufel angeordnet ist. Als Beispiel wird die Erfindung in Verbindung mit einer Propellerschaufel auf einer umlaufenden Gondel beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein Turboprop-Triebwerk 10 des Schiebertyps. Das Ausführungsbeispiel zeigt gegenläufige Propellerschaufeln 12 und 14, die relativ zu gegenläufigen Oberflächen oder Gondeln 16 bzw. 18 angeordnet und mit gegenläufigen Turbinen 22 und 24 verbunden sind. Aus der folgenden Beschreibung wird deutlich, daß die Erfindung in gleicher Weise bei Gasturbinentriebwerken mit einer einzigen Stufe von Antriebsschaufeln verwendet werden kann. Die gegenläufige bzw. in entgegengesetzter Richtung umlaufende Konfiguration wird nur als ein Beispiel genommen.

Das Triebwerk bzw. der Motor 10 enthält einen Gasgenerator 20 zum Erzeugen von Verbrennungsgasen, die die gegenläufigen Turbinen 22 und 24 drehen. Jede Turbine 22 und 24 ist mit drehbaren, ringförmigen Oberflächen 16 bzw. 18 verbunden.

Jede Schaufel 12 und 14 enthält Mittel zum Verändern ihrer Anstellung bzw. des Anstellwinkels, um so die Leistungsfähigkeit des Triebwerks während aller Betriebsphasen zu verbessern. Fig. 2 und 3 zeigen Einzelheiten der Luftsteuerungseinrichtung, wobei die Schaufeln 12 in einer Steigung für einen Reiseflugzustand des Triebwerks 10 eingestellt sind. Eine im allgemeinen scheibenförmige Plattform 26 ist an der Schaufel 12 durch einen Schaufelschaft 28 fest angebracht, der einen Teil oder einen Bereich der Oberflächen 16 und 18 bildet. Wenn also eine Schaufel 12 ihren Anstellwinkel ändert durch Drehung um eine radiale Achse 50, bewegt sich die

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Plattform 26 mit ihr. Mittel 30 zum Verändern des Anstellwinkels einer drehbaren Schaufel sind allgemein bekannt. Beispielsweise gibt es mechanische, hydraulische, pneumatische oder elektrische Mittel zur Ausübung eines Drehmoments auf die Nabenstruktur 32 der Schaufel 12, um die erforderliche Betätigungs- bzw. Stellkraft zu liefern.

Fig. 2 und 3 zeigen die Plattform, die im allgemeinen auf der umlaufenden, ringförmigen Oberfläche 16 angeordnet ist. Die Oberfläche 16 bildet zusammen mit der Plattform 26 äußere und innere Räume 34 und 36. Die Temperatur im Raum 36 ist im allgemeinen hoch aufgrund seiner Nähe zur Turbine 22. Die Temperatur im Raum 36 verändert sich in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Triebwerks 10. Beispielsweise arbeitet die Turbine 22 bei einer höheren Temperatur bei Startbedingungen als bei stationären Reiseflugbedingungen. Im Gegensatz zu den relativ hohen Temperaturen im Raum 36 befindet sich der Raum 34 im allgemeinen auf einer viel niedrigeren Umgebungstemperatur.

Die Luftsteuerungsmittel gemäß der Erfindung sorgen für veränderbare Kühlluftmengen an die Nabenstruktur 32 in Abhängigkeit von der Steigungseinstellung der Schaufel 12. Wie in Fig. 2 und 3 gezeigt ist, besitzt die Plattform 26 einen im allgemeinen kreisförmigen Querschnitt, wenn man in radialer Richtung blickt, und sie ist in bezug auf die umlaufende ringförmige Oberfläche 16 angeordnet. In dieser Stellung stimmt die Plattform 26 im wesentlichen mit der Oberfläche 16 überein. Somit folgt in Umfangsrichtung die Oberfläche am Umfang der Plattform 26 im wesentlichen der Kontur der Oberfläche 16. In dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Oberfläche 16 im wesentlichen zylindrisch. Die Erfindung ist jedoch in gleicher Weise auch auf konische oder nicht-lineare, geneigte Oberflächen anwendbar.

Fig. 4 und 5 zeigen die Luftsteuerungseinrichtung gemäß den Fig. 2 und 3, wobei die Plattform 26 gedreht ist bei einer Änderung des Anstellwinkels der Schaufel 12, wobei ein Rand-

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abschnitt 38 der Plattform 26 freiliegt. Wie aus der Geometrie hervorgeht, ist der Randabschnitt 38 radial nach außen verschoben von der Oberfläche 16, wobei dazwischen eine öffnung 40 gebildet ist. Die öffnung 40 gestattet deshalb eine Strömungsmittelverbindung zwischen dem Außenraum 34 und dem Innenraum 36. Dadurch kann Kühlluft 41 in den Raum 36 eintreten und die Nabenstruktur 32 kühlen.

Bei einem stationären Betrieb des Triebwerks 10, beispielsweise während des Reiseflugs, ist der Anstellwinkel der Schaufel 12 so eingestellt, daß die Plattform 26 und der Randabschnitt 38 im wesentlichen mit der Oberfläche 16 übereinstimmen. Wenn das Triebwerk bzw. der Motor 10 größere Leistungen erzeugen muß, wird die Schaufel 12 in eine flachere Steigung eingestellt, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, wodurch der Randabschnitt 38 freigelegt und die öffnung 40 geöffnet wird. Während also die öffnung 40 während der Reiseflugbedingungen im wesentlichen geschlossen ist, steht eine vermehrte Kühlluft zur Verfügung in Perioden mit höchsten Betriebstemperaturen des Triebwerks.

Die Gondel 16 rotiert in der durch den Pfeil 42 angegebenen Richtung. Somit ist die Richtung der Luftströmung relativ zur Gondel 16 aufgrund der Rotation der Gondel 16 durch den Pfeil 44 angegeben. Die Strömungsrichtung der Luft über die Gondel 16 aufgrund der Vorwärtsbewegung des Triebwerks 10 ist im allgemeinen axial nach hinten, wie es durch den Pfeil 43 gezeigt ist. Die Relativbewegung der Luft in bezug auf die Plattform 26 ist durch den Pfeil 46 gezeigt, die Vektorsumme der Pfeile 43 und 44. Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß die öffnung 40 im wesentlichen nach vorne gerichtet ist in bezug auf die Richtung 46 der Luft. Diese Orientierung sorgt für eine Erhöhung des verfügbaren Luftquellendruckes, die zu vergrößerten Luftströmungsgeschwindigkeiten für die Nabenkühlung beiträgt.

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Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich. Dabei ist die Erfindung auch nicht auf eine Luftsteuerungseinrichtung für propeller- oder gebläseartige Antriebsschaufeln beschränkt. Vielmehr ist die Erfindung in gleicher Weise auf Luftsteuerungsmittel für irgendeine umlaufende Schaufel mit variablem Anstellwinkel anwendbar. Schließlich sind auch die Abmessungen oder proportionalen strukturellen Beziehungen der hier gezeigten Art nur als Ausführungsbeispiele zu verstehen.

Claims (7)

Patentansprüche

1. Luftsteuerungseinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk mit einer anstellungsvariablen, umlaufenden Schaufel und Mitteln zum Verändern des Anstellungswinkels der Schaufel, dadurch gekennzeichnet, daß an einem radial inneren Ende der Schaufel eine Plattform (26) fest angebracht ist, die auf einer drehbaren, ringförmigen Oberfläche (16) angeordnet ist, die äußere und innere Räume (34, 36) bildet, derart, daß in einer ersten Stellung ein Randabschnitt (38) der Plattform (26) im wesentlichen mit der Oberfläche (16) übereinstimmt und in einer zweiten Stellung der Randabschnitt (38) von der Oberfläche (16) radial nach außen versetzt ist, wobei eine Strömungsmittelverbindung zwischen den äußeren und inneren Räumen (34, 36) herstellbar ist.

2. Luftsteuerungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel eine Antriebsschaufel ist und die erste Stellung im wesentlichen einer Schaufelstellung für einen stationären Triebwerksbetrieb entspricht.

3. Luftsteuerungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Randabschnitt (38) und die Oberfläche (16) dazwischen eine Öffnung (40) bilden, die in der ersten Stellung im wesentlichen geschlossen und in der zweiten Stellung geöffnet ist.

4. Luftsteuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stellung im wesentlichen einer Schaufelanstellung für einen Triebwerksbetrieb mit höherer Leistung entspricht.

5. Luftsteuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Stellung der Randabschnitt (38) der Plattform (26) von der Oberfläche (16) radial nach außen versetzt ist, wobei eine Luftströmung von dem Außenraum (34) zum Innenraum (36) ermöglicht ist.

6. Luftsteuerungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel eine Anstriebsschaufel ist und der Randabschnitt (38) und die Oberfläche (16) dazwischen eine Öffnung (40) bilden, die in der ersten Stellung im wesentlichen geschlossen und in der zweiten Stellung geöffnet ist.

7. Luftsteuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung (40) in der zweiten Stellung im wesentlichen nach vorne gerichtet ist in bezug auf die Relativbewegung der Luft.