DE3611804A1

DE3611804A1 - Luftsteuereinrichtung

Info

Publication number: DE3611804A1
Application number: DE19863611804
Authority: DE
Inventors: Gary Craig Wollenweber; Wu-Yang Tseng; Thomas John Sullivan
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1985-09-05
Filing date: 1986-04-08
Publication date: 1987-03-05
Also published as: GB8608163D0; FR2586754A1; IT1204307B; GB2180009B; FR2586754B1; IT8620137A0; US4732538A; JPS6258001A; GB2180009A

Description

Die Erfindung betrifft allgemein eine Luftsteuereinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk und insbesondere eine Einrich tung zur Versorgung des Nabenbereiches einer drehbaren Schau fel mit Luft.

Zwei Arten von Triebwerken, die gegenwärtig zum Antreiben von Flugzeugen zur Verfügung stehen, sind das Turbofan- und das Turboproptriebwerk. Beiden Triebwerken ist eine Krafter zeugungseinheit gemeinsam. Diese Einheit enthält typisch ei nen Verdichterabschnitt, eine Brennkammer und einen Turbinen abschnitt in Strömungsrichtung hintereinander. Druckluft aus dem Verdichterabschnitt wird mit Brennstoff vermischt und in der Brennkammer verbrannt, um einen Gasstrom hoher Geschwin digkeit zu erzeugen, der in der Turbine expandiert, wo ihm Energie entzogen wird. Ein Teil dieser Energie wird zum An treiben des Verdichters benutzt, wogegen der übrige Teil den Fan oder Propeller antreibt.

Obgleich Temperaturerhöhungen infolge der in dem Verdichter geleisteten Arbeit auftreten, sind die höchsten Temperaturen in dem Triebwerk diejenigen in der Brennkammer und in dem Tur binenabschnitt. Druckluft zum Kühlen dieser Komponenten wird typisch dem Verdichter, dem Fan- oder Mantelstromkanal oder der Atmosphäre entnommen.

Bei den meisten turbofan- oder propellergetriebenen Flugzeu gen ist der Fan oder Propeller insgesamt vorderhalb des Kern triebwerks angeordnet. In diesen Fällen arbeitet deshalb die Nabenvorrichtung der Blätter von solchen Vortriebsabschnit ten in einer Umgebung relativ niedriger Temperatur, wodurch die Notwendigkeit des Kühlens der Nabenvorrichtung vermieden wird.

Es ist jedoch bekannt, den Vortriebsabschnitt insgesamt hin ter dem Kerntriebwerk in einer sogenannten "Schub"-Konfigura tion anzuordnen.

Wegen der engen Nähe zwischen den Vortriebsblättern und der Turbine und der Brennkammer werden bei diesen Konfigurationen die Blattnabenvorrichtungen bei gewissen Flugbedingungen re lativ hohen Wärmebelastungen ausgesetzt sein.

Die Lufttemperaturen in dem Nabenbereich werden sich in Ab hängigkeit von den Flugbedingungen verändern. Beispielsweise sind während Zeitspannen relativ hohen Leistungsbedarfes wie beim Start die Turbinen- und Brennkammertemperaturen erhöht, was zu höheren Blattnabenvorrichtungstemperaturen führt. Leich te, kostengünstige Werkstoffe und Verstellblattnabenvorrich tungen haben häufig relativ niedrige Temperaturgrenzwerte. Das Kühlen dieser Nabenvorrichtungen kann daher während sol chen Hochleistungsstartbedingungen erforderlich sein. Dagegen stabilisieren sich die Temperaturen während stetigen Reise flugbedingungen auf einem niedrigeren Niveau, und das Kühlen braucht nicht erforderlich zu sein. Da jedes Kühlsystem bei seinem Einsatz Energie verbraucht, ist es vorteilhaft, die Kühlung nur zu aktivieren, wenn sie erforderlich ist. Eine Einrichtung zum automatischen Verändern der dem Nabenbereich von solchen Blättern zugeführten Kühlluftmenge ist daher er wünscht.

Die Erfindung schafft eine Luftsteuereinrichtung für ein Gas turbinentriebwerk mit einer drehbaren Verstellschaufel und ei ne Einrichtung zum Verändern der Schaufelsteigung. Die Luft steuereinrichtung weist eine Plattform auf, die an einem ra dial inneren Ende der Schaufel starr befestigt ist. Die Platt form ist insgesamt auf einer drehbaren ringförmigen Oberfläche angeordnet, die einen äußeren und einen inneren Raum begrenzt. In einer ersten Position stimmt ein Randteil der Plattform mit der Oberfläche im wesentlichen überein. In einer zweiten Posi tion ist der Randteil von der Oberfläche radial nach außen ver setzt, wodurch eine Fluidverbindung zwischen dem äußeren und dem inneren Raum gestattet wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Ansicht eines Schubtyp-Turboprop triebwerks mit einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 in einer perspektivischen Ansicht eine umlaufende Gondel und Blätter gemäß Fig. 1, wobei die Blätter auf eine große Stei gung eingestellt sind,

Fig. 3 eine Ansicht des Nabenbereiches eines in Fig. 2 gezeigten Blattes,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht ähnlich der in Fig. 2, wobei die Blätter auf eine kleine Steigung eingestellt sind,

Fig. 5 eine Ansicht des Nabenbereiches eines in Fig. 4 gezeigten Blattes,

Fig. 6 eine Ansicht des Nabenbereiches eines Blattes nach der Linie 6-6 in Fig. 4 und gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 7 eine Ansicht des in Fig. 6 gezeigten Blattnabenbereiches nach der Linie 7-7 in Fig. 2.

Die Erfindung kann bei jedem Gasturbinentriebwerk mit ver stellbaren, drehbaren Schaufeln oder Blättern benutzt werden, bei dem die Luftströmung durch eine drehbare ringförmige Ober fläche, relativ zu welcher die Blätter oder Schaufeln positio niert sind, gesteuert werden soll. Zu Veranschaulichungszwecken wird die Erfindung für ein Propellerblatt auf einer umlaufen den Gondel beschrieben.

Ein Schub-Turboproptriebwerk 10 ist in Fig. 1 gezeigt. Bei der dargestellten Ausführungsform sind gegenläufige Propeller blätter 12 und 14 vorgesehen, die relativ zu gegenläufigen Oberflächen oder Gondeln 16 bzw. 18 positioniert und mit ge genläufigen Turbinen 22 bzw. 24 verbunden sind. Die folgende Beschreibung wird deutlich machen, daß die Erfindung gleicher maßen bei Gasturbinentriebwerken mit einer einzigen Stufe von Vortriebsblättern anwendbar ist. Die gegenläufige Konfigura tion wird lediglich beispielshalber beschrieben.

Das Triebwerk 10 hat einen Gasgenerator 20 zum Erzeugen von Verbrennungsgasen, die die gegenläufigen Turbinen 22 und 24 in Drehung versetzen. Jede Turbine 22, 24 ist mit einer der drehbaren ringförmigen Oberflächen 16 bzw. 18 verbunden.

Jedes Blatt 12, 14 hat eine Einrichtung zum Verändern seiner Steigung, damit die Triebwerksleistung während sämtlichen Be triebsphasen verbessert werden kann. Die Fig. 2 und 3 zeigen ausführlicher die Luftsteuereinrichtung, wobei die Blätter 12 auf eine Steigung für den Reiseflugzustand des Triebwerks 10 eingestellt sind. Eine insgesamt scheibenförmige Plattform 26 ist mit dem Blatt 12 durch einen Blattschaft 28 fest verbun den, der einen Teil oder Bereich der Oberflächen 16 und 18 bildet. Wenn daher die Steigung des Blattes 12 durch Drehung um eine radiale Achse 50 verändert wird, bewegt sich die Platt form 26 mit dem Blatt. Einrichtungen 30 zum Verändern der Steigung einer drehbaren Schaufel sind bekannt. Beispielswei se stehen mechanische, hydraulische, pneumatische und elek trische Einrichtungen zur Verfügung, um ein Drehmoment auf die Nabenvorrichtung 32 des Blattes 12 auszuüben und die not wendige Betätigungskraft zu erzeugen.

Die Fig. 2 und 3 zeigen die Plattform 26 insgesamt in einer Öffnung 27 in der drehbaren ringförmigen Oberfläche 16 ange ordnet. Die Oberfläche 16 begrenzt zusammen mit der Plattform 26 einen äußeren und einen inneren Raum 34 bzw. 36. Die Tempe ratur in dem Raum 36 ist wegen dessen Nähe zu der Turbine 22 im allgemeinen hoch. Die Temperatur in dem Bereich 36 wird sich in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Triebwerks 10 verändern. Beispielsweise arbeitet die Turbine 22 während des Starts auf einer höheren Temperatur als während des ste tigen Reiseflugbetriebes. Im Gegensatz zu den relativ hohen Temperaturen in dem Raum 36 ist der Raum 34 im allgemeinen auf einer viel niedrigeren Umgebungstemperatur.

Die Luftsteuereinrichtung nach der Erfindung liefert der Naben vorrichtung 32 in Abhängigkeit von der Steigungseinstellung des Blattes 12 veränderliche Kühlluftmengen. Gemäß der Darstel lung in den Fig. 2 und 3 hat die Plattform 26 bei Betrachtung in radialer Richtung einen insgesamt kreisförmigen Querschnitt und ist in bezug auf die drehbare ringförmige Oberfläche 16 positioniert. In dieser ersten Postione ist die Plattform 26 mit der Oberfläche 16 im wesentlichen konform. Daher folgt in der Umfangsrichtung die Oberfläche am Umfang der Plattform 26 insgesamt der Kontur der Oberfläche 16. In der in Fig. 2 ge zeigten Ausführungsform ist die Oberfläche 16 insgesamt zylin drisch. Die Erfindung gilt jedoch gleichermaßen sowohl für konische als auch für nichtlinear geneigte Oberflächen.

Die Fig. 4 und 5 zeigen die Luftsteuereinrichtung nach dem Fig. 2 und 3, wobei die Plattform 26 bei einer Verstellung der Steigung des Blattes 12 gedreht worden ist, um den Randteil 38 der Plattform 26 freizulegen. Aufgrund der Geometrie wird der Randteil 38 von der Oberfläche 16 aus radial nach außen verla gert, was zwischen ihnen eine Öffnung 40 ergibt. Die Öffnung 40 gestattet dadurch eine Fluidverbindung zwischen dem äußeren Raum 34 und dem inneren Raum 36. Das gestattet Kühlluft 41, in den Raum 36 einzudringen und die Nabenvorrichtung 32 zu kühlen.

Während des stetigen Reiseflugbetriebes des Triebwerks 10 wird die Steigung des Blattes 12 so sein, daß die Plattform 26 und der Randteil 38 der Oberfläche 16 im wesentlichen folgen. Wäh rend des Startbetriebes des Triebwerks 10 wird das Blatt 12 auf eine flachere Steigung eingestellt, die in Fig. 4 gezeigt ist, wodurch der Randteil 38 und die Öffnung 40 freigelegt werden. Während die Öffnung 40 im Reiseflugbetrieb im wesentli chen geschlossen ist, steht daher mehr Kühlluft für diejeni gen Perioden zur Verfügung, in denen die höchsten Triebwerks betriebstemperaturen auftreten.

Die Gondel 16 dreht sich in der durch einen Pfeil 42 angegebe nen Richtung. Die Richtung der Luftströmung relativ zu der Gon del 16 aufgrund der Drehung der Gondel 16 ist durch einen Pfeil 44 gezeigt. Die Richtung der Luft über der Gondel 16 aufgrund der Vorwärtsbewegung des Triebwerks 10 geht insgesamt axial nach hinten, was durch einen Pfeil 43 gezeigt ist. Die Ralativ bewegung der Luft gegenüber der Plattform 26 ist durch einen Pfeil 46 gezeigt und ist die Vektorsumme der Pfeile 43 und 44. Vorstehende Darlegungen zeigen, daß die Öffnung 40 in be zug auf die Richtung 46 der Luft im wesentlichen nach vorn weist. Diese Orientierung ergibt einen Anstieg an verfügbarem Quellenluftgesamtdruck, was zu größeren Luftdurchsätzen zur Nabenkühlung beiträgt.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Diffusor 50 an der Unterseite der Plattform 26 befe stigt ist und sich in den inneren Raum 36 erstreckt. Der Dif fusor 50 vergrößert den statischen Druck der durch die Öffnung 40 strömenden Luft. Auf diese Weise wird der statische Luft druck in den Räumen 36 und 52 den statischen Druck in dem Raum 34 übersteigen. Dadurch wird ein Rückstrom durch die Öffnung 40 verhindert und eine Luftbewegung durch den Raum 36 erzeugt.

Stattdessen kann der Diffusor 50 auch an der Oberfläche 16 be festigt sein. Er kann auch so ausgebildet sein, daß die Auf weitung unter einem Winkel erfolgt, der zu der in Fig. 6 ge zeigten radialen Richtung normal ist.

Fig. 7 zeigt eine Ansicht des Blattnabenbereiches 32 bei ge schlossener Öffnung 40, beispielsweise während des stationä ren Triebwerksbetriebes in Reiseflughöhe.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die oben beschriebe nen und dargestellten besonderen Ausführungsformen. Die Er findung beschränkt sich auch nicht auf eine Luftsteuereinrich tung für Vortriebsblätter von Propellern oder Fans. Die Erfin dung ist vielmehr gleichermaßen bei einer Luftsteuereinrich tung für jede in der Steigung verstellbare, drehbare Schaufel verwendbar.

Die Abmessungen und proportionalen und baulichen Beziehungen, die in den Zeichnungen gezeigt sind, dienen lediglich zur Ver anschaulichung und stellen nicht die tatsächlichen Abmessun gen oder proportionalen und baulichen Beziehungen dar, die bei der Luftsteuereinrichtung nach der Erfindung benutzt werden.

Claims

1. Luftsteuereinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk mit einem verstellbaren Vortriebsblatt und mit einer Einrichtung zum Verändern der Steigung des Blattes, gekennzeichnet durch: eine Plattform (26), die mit einem radial inneren Ende des Vortriebsblattes (12) fest verbunden ist, wobei die Plattform (26) insgesamt in einer ersten Öffnung (27) in einer drehbaren ringförmigen Oberfläche (16) angeordnet ist und wobei die Plattform (26) und die Oberfläche (16) einen äußeren und einen inneren Raum (34, 36) begrenzen, so daß in einer ersten Posi tion, die einer Vortriebsblattsteigung für stetigen Betrieb des Triebwerks (10) in Reiseflughöhe entspricht, die Platt form (26) mit der Oberfläche (16) im wesentlichen konform ist und in einer zweiten Position, die einer Vortriebsblattstei gung für den Betrieb des Triebwerks (10) beim Start entspricht, ein Randteil (38) der Plattform (26) von der Oberfläche (16) radial nach außen verlagert ist, wodurch die Luftströmung aus dem äußeren Raum (34) in den inneren Raum (36) gestattet wird, wobei der Randteil (38) und die Oberfläche (16) eine zweite Öffnung (40) zwischen sich begrenzen, die in der ersten Posi tion im wesentlichen geschlossen und in der zweiten Position offen ist.

2. Luftsteuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die zweite Öffnung (40) in der zweiten Position in bezug auf die Relativbewegung der Luft im wesentlichen nach vorn weist.

3. Luftsteuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekenn zeichnet durch einen Diffusor (50) zum Erhöhen des statischen Druckes der durch die zweite Öffnung (40) strömenden Luft.

4. Luftsteuereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der Diffusoer (50) an der Plattform (26) be festigt ist und sich in den inneren Raum (36) erstreckt.