DE3933776A1 - Propfan-turbotriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Propfan-Turbotriebwerk gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-OS 36 14 157 ist ein gattungsähnliches Propfan-Turbotrieb­ werk bekannt geworden, bei dem die gegenläufig drehenden Turbinen­ rotoren gleichzeitig als Propfan-Rotoren ausgebildet sind, so daß zwei Reihen Propfan-Schaufeln radial außerhalb der Antriebsturbine ange­ bracht sind. Diese konstruktiv komplizierte Ausführung, die ein Ge­ triebe erübrigt, hat jedoch den Nachteil, daß die geometrischen Para­ meter der Propfanschaufeln und der Arbeitsturbine nicht unabhängig voneinander festlegbar und somit nicht optimierbar sind, sondern stets ein Kompromiß gefunden werden muß. So ist insbesondere das relativ große Nabenverhältnis der Propfanschaufeln, also daß Verhältnis von Schaufelinnen- zu -außendurchmesser ungünstigerweise groß, da die Arbeitsturbine aus aerodynamischen Gründen einen bestimmten Mindest­ durchmesser aufweisen muß. Ferner muß aus dem gleichen Grunde die Spitzenumfangsgeschwindigkeit der Propfan-Blätter relativ hoch ange­ setzt werden, um die Zahl der Turbinenstufen und/oder deren aerodyna­ mische Belastung in Grenzen zu halten. Dies führt in der Praxis zu größerer Lärmbelastung sowohl der Kabine (Nahlärm) als auch der Umwelt (Fernlärm), wenn man von gegebenen, d. h. begrenzten Mitteln zur Lärm­ dämpfung am Triebwerk selbst ausgeht. Weiterhin von Nachteil ist, daß die Anströmverhältnisse der Propfanschaufeln aufgrund des stromauf angeordneten Gasturbinenkörpers im normalen Flug zumindest in Naben­ nähe des Propfans gestört ist, vor allem aber beim Start aufgrund der Anstellung des Flugzeugs gegen die Flugrichtung und dabei besonders in der Phase der Rotation beim Abheben (bis zu 25°) extrem ungünstig sind. Außerdem müssen die Verstellvorrichtungen für die Propfanschau­ feln durch die heißen Turbinenteile geführt werden, wodurch mit ungün­ stigen Schaufelquerschnitten und entsprechenden Verlusten zu rechnen ist.

Wird der hier beschriebene gegenläufige Propfan zur Erhöhung der Kreisflächenbelastung (Schub/Propeller-Kreisfläche), d. h. zur Erhö­ hung seines Druckverhältnisses mit einem Mantel umgeben, z. B. aus Installationsgründen, um den Propellerdurchmesser zu verkleinern und insbesondere um die Lärmabstrahlung zu senken, so ergibt sich bei der hier beschriebenen Ausführung mit Turbine in der Propellernabe auf­ grund der Strahleinziehung, die bei hoher Schubbelastung besonders stark ist, eine außerordentlich ungünstige Strahl- und damit Mantel­ kontur mit ungünstiger Umströmung und entsprechend hohem Widerstand, verbunden mit Empfindlichkeit gegen Abreißen der Strömung unter kri­ tischen Flugbedingungen (z. B. bei Schräganströmung).

Aus der DE-OS 36 11 792 ist ein weiteres gattungsähnliches Propfantur­ botriebwerk bekannt, bei dem die Propfan-Rotoren stromauf der Gastur­ bine abgeordnet sind und somit eine Reihe der oben angeführten Pro­ bleme beseitigt werden können. Nachteilig bei dieser Ausführung wirkt sich jedoch aus, daß zum Antrieb der gegenläufigen Propfan-Rotoren ein Untersetzungsgetriebe sehr großer Leistung erforderlich ist, wodurch neben dem damit verbundenen hohen Gewicht eine aufwendige Getriebe­ kühlanlage erforderlich ist. Mit dem Einbau eines derartigen Reduzier­ getriebes ist sowohl ein erhöhter Wartungsaufwand als auch eine erhöh­ te Störanfälligkeit des gesamten Turbotriebwerkes verbunden.

Ferner stellt in diesem Falle die Führung der Blattverstellung des einen Rotors durch das Getriebe hindurch eine beträchtliche konstruk­ tive Komplikation dar.

In der deutschen Patentanmeldung P 38 12 027 wurde vorgeschlagen, zwei konzentrische Wellen vorzusehen, die radial innerhalb des Gaserzeu­ gers durch die Gasturbine geführt sind, und mit je einem der stromauf­ wärts der Gasturbine angeordneten Propfan-Rotoren verbunden sind.

Diese Anordnung hat den Vorteil, daß bei Anbringung der Propfan- Rotoren stromauf der Gasturbine ein minimaler Nabendurchmesser und somit ein optimales Nabenverhältnis der Propfan-Schaufeln in der Ein­ trittsebene erzielbar ist.

In der genannten Patentanmeldung wurde vorgeschlagen, einen Mittel­ druckverdichter stromauf des Gaserzeugers vorzusehen, durch den das Druckniveau des Triebwerkes und somit der Schub gesteigert werden kann. Ein wesentliches Problem eines derartigen Mitteldruckverdichters (Booster) besteht darin, daß dieser eine relativ hohe Drehzahl auf­ weisen muß, während die beiden entgegengesetzt drehenden, von zwei Turbinen angetriebenen Wellen relativ niedrige Drehzahlen aufweisen. Es ist daher erforderlich, ein Getriebe vorzusehen, durch welches diese niedrigen Wellendrehzahl erhöht werden kann.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß die Antriebsleistung des Mit­ teldruckverdichters je nach Betriebspunkt zwischen 15 und 25 Prozent der gesamten von den Turbinen aufgebrachten Leistung benötigt. In der herkömmlichen Ausführung wird diese erhöhte Leistung dadurch bereit gestellt, daß die den Mitteldruckverdichter treibende Turbine eine Turbinenstufe mehr aufweist als die andere, nur den Fan treibende Tur­ bine. Diese Ausführung hat den Nachteil, daß es schwierig ist, die vom Mitteldruckverdichter aufgenommene Leistung der von der zweiten Tur­ bine bereitgestellten Leistung unter den verschiedenen Betriebsbe­ dingungen anzupassen. Dies kann dazu führen, daß die Drehzahlen der beiden Wellen unterschiedlich sind, wodurch schwierige Korrekturen an den Schaufeln, beispielsweise durch Schaufelverstellvorrichtungen mit entsprechenden Regelkreisen erforderlich werden können.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gat­ tungsgemäßes Propfan-Turbotriebwerk derart auszubilden, daß der Mit­ teldruckverdichter unter allen Betriebsbedingungen mit der erforder­ lichen Leistung versorgt wird, wobei gleichzeitig keine Störungen bzw. Abweichungen der Wellendrehzahlen hierdurch erfolgen soll.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführung ist darin zu sehen, daß die erforderliche hohe Drehzahl, des Mitteldruckverdichters unter allen Betriebsbedingungen bereitstellbar ist, und durch die Kopplung des Mitteldruckverdichters mit beiden Wellen eine Leistungs­ entnahme von beiden Turbinen aus erfolgt, und somit vorteilhafterweise keine einseitige Belastung einer Turbine auftritt. Dies wiederum hat den Vorteil, daß beide Turbinen in Abstimmung zueinander ausgelegt werden können, und keine zusätzliche Belastung nur einer Turbine mit berücksichtigt werden muß. Bei Veränderungen des Betriebspunktes wer­ den schließlich beide Turbinen gleichmäßig belastet, was zu einer entsprechend gleichmäßigen Reduzierung beider Wellendrehzahlen führt.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist das Getriebe als Planetengetriebe ausgebildet. Dabei sind vorzugsweise eine Anzahl Planetenräder mit je zwei Ritzeln in der äußeren der beiden Wellen gelagert, und das eine Ritzel kämmt dabei mit einem an der inneren Welle angebrachten Sonnenrad, während das andere Ritzel mit einem mit dem Mitteldruckverdichter verbundenen Hohlrad kämmt. Hierdurch wird erreicht, daß die zum Betrieb des Mitteldruckverdichters erforderliche Leistung gleichmäßig von beiden Turbinen aufgebracht wird.

Vorzugsweise ist die äußere Welle mit dem hinteren Propfan-Rotor über ein sich radial erstreckendes Wellenstück verbunden, in dem die Pla­ netenräder gelagert sind.

Vorteilhafterweise ist der Mitteldruckverdichter in einem Zwischenge­ häuse gelagert, das zwischen Mitteldruckverdichter und Gaserzeuger angeordnet ist. Der wesentliche Vorteil dieser Ausführung besteht darin, daß das bisher erforderliche vordere Abstützgehäuse, welches die Propfan-Rotoren bzw. die Welle abstützt, was zu einer Vereinfa­ chung der Gehäusestruktur und damit zu einer erheblichen Ge­ wichtsreduzierung des Triebwerkes führt. Durch die geringere Zahl der Baugruppen ergeben sich zu dem Montagevorteile sowie geringere Herstellungs- und Wartungskosten.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß ein kurzer und eindeutiger Kräfteverlauf von der Triebswerkaufhängung zur Rotorlage­ rung möglich wird. Dabei ist besonders das Wegfallen der Kraftüber­ tragung über das Außengehäuse des Mitteldruckverdichters von Vorteil, da vor allem das Außengehäuse aus vielen Teilen besteht, die unter Einhaltung enger Toleranzen gefertigt werden müssen. Es ist die Ver­ wendung einer einzigen Lagerkammer für die Lagerung der Wellen im Verdichterbereich möglich, was zu einer wesentlich vereinfachten Ölver- und -entsorgung führt.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Übersetzungsgetriebes besteht darin, daß eine einfache und platzsparende Anordnung zwischen den Wellen möglich wird. Gleichzeitig wird die durch den Gegenlauf der beiden Wellen vorhandenen hohen Relativbewegungen zwischen den Wellen aus­ genützt, wodurch sich ein hohes Übersetzungsverhältnis durch die Addi­ tion der beiden Geschwindigkeiten erzielen läßt.

Es läßt sich ferner ein beliebiges Übersetzungsverhältnis durch Stu­ fung der Ritzel der in der äußeren Welle gelagerten Planetenräder erzielen.

Die Beträge der von den beiden Turbinen dem Mitteldruckverdichter zugeführten Leistungen können unterschiedlich sein, wenn beispiels­ weise die Leistungsaufteilung der beiden Propfan-Stufen entsprechend der Triebwerksauslegungen unterschiedlich ist, oder wenn sich die Leistungsaufteilungen in Folge eines Übergangs von einem Betriebspunkt auf einen anderen ändert.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß am Zwischengehäuse ein Zahnkranz angeformt ist, der mit einem dritten Ritzel jedes der Plane­ tenräder kämmt. Hierdurch kann, falls erforderlich, ein festes Dreh­ zahlverhältnis der beiden Propfan-Rotoren und des Mitteldruckver­ dichters vorgegeben werden. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die innere Welle in der äußeren Welle gelagert, wobei das Festlager der inneren Welle im Be­ reich des Festlagers der äußeren Welle angeordnet ist. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine günstige Krafteinleitung der durch den vor­ deren Propfan-Rotor erzeugten Schubkräfte.

Das Getriebe besitzt vorteilhafterweise ein Übersetzungsverhältnis von etwa 1,5:1 bis etwa 10:1 ins Schnelle, wobei je nach Auslegung des Mitteldruckverdichters und der Propfan-Rotoren die Festlegung dieses Übersetzungsverhältnisses erfolgt. Vorzugsweise beträgt dies etwa 3: . Dabei weist der Mitteldruckverdichter zwischen einer und etwa fünf Stufen auf, wobei vorzugsweise drei Stufen vorzusehen sind, um ein Druckverhältnis von etwa 1,5 bis 2 durch den Mitteldruckverdichter zu erzeugen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 einen schematischen Teilaxialschnitt durch ein Propfan-Tur­ botriebwerk,

Fig. 2 einen schematischen Teilaxialschnitt durch den vorderen Teil des Triebwerks gemäß Fig. 1.

Fig. 3 einen schematischen Teilaxialschnitt durch eine andere Trieb­ werksausführung.

Das in Fig. 1 dargestellte Propfan-Turbotriebwerk 1 besteht im we­ sentlichen aus zwei axial hintereinander angeordneten Propfan-Rotoren 2a, b an denen über dem Umfang verteilte Propfan-Schaufeln 3a, b ange­ bracht sind. Die Propfan-Rotoren 2a, b sind über zwei konzentrische Wellen 4a, b mit zwei entgegengesetzt rotierenden, zweistufigen Nie­ derdruckturbinen 5a, b gekoppelt. Diese beiden Niederdruckturbinen 5a, b sind derart ausgebildet, daß eine Stufe der einen Turbine als Leitgit­ ter für die nachfolgende Stufe der anderen Turbine dient, wodurch eine gleichmäßige Leistungsaufnahme beider Turbinen bei entgegengesetzten Drehrichtungen erzielbar ist. Die Turbinenstufen 6a, b der Niederdruck­ turbine 5b sind dabei über eine radial außerhalb des Strömungskanales 7 angeordneten Verbindungshülse 8 miteinander verbunden.

Die in den Niederdruckturbinen 5a, b erzeugte Leistung wird im Gas­ erzeuger 9 bereitgestellt, der im wesentlichen aus einem Hochdruckver­ dichter 10 und einer mit diesem über die Hochdruckwelle 11 gekoppelten Hochdruckturbine 12 besteht, wobei zwischen Hochdruckverdichter 10 und Hochdruckturbine 12 eine Brennkammer 13 angeordnet ist. Die Wellen 4a, b und 11 sind verdichterseitig in einem Zwischengehäuse 14, und turbinenseitig in einem Stützgehäuse 15 gelagert bzw. einer im Bereich des Triebwerksauslasses vorgesehenen Stützstruktur 32 gelagert. Zwi­ schengehäuse und Stützgehäuse 15 sind über hohle Stützrippen 16a, b mit dem Außengehäuse 17 des Triebwerkes verbunden.

Ein Mitteldruckverdichter 18 ist stromab der als Niederdruckverdichter wirkenden Propfan-Schaufeln 3a, b und stromauf des Hochdruckverdichters 10 im Verdichterströmungskanal 19 vorgesehen. Die nähere Ausbildung dieses Triebwerksbereiches ist in der Fig. 2 näher dargestellt. Der hintere Propfan-Rotor 2b ist über ein Wellenstück 20 mit der äußeren Welle 4b verbunden. Im Bereich des Wellenstückes 20 sind dabei über den Umfang verteilte Planetenräder 21 gelagert, die zwei Ritzel 22a, b aufweisen. Das kleinere Ritzel 22a kämmt mit einem Sonnenrad 33, das über eine Verbindungsscheibe 23 mit der inneren Welle 4a in Verbindung steht, während das größere Ritzel 22b mit einem Hohlrad 24 kämmt. Das Hohlrad 24 wiederum ist mit dem Mitteldruckverdichter 18 über eine Verbindungshülse 25 verbunden.

Mittels über dem Umfang verteilter Stützrippen 16a ist das Stützge­ häuse 15 durch den Strömungskanal 19 geführt. Am Stützgehäuse 15 ist das Festlager 26b der äußeren Welle 4b angebracht, während das Fest­ lager 26a der inneren Welle 4a im gleichen Bereich zwischen innerer Welle 4a und äußerer Welle 4b angeordnet ist.

Der Mitteldruckverdichter 18 ist über die Verbindungshülse 25 und zwei sich an einer Lagerhülse 27 abstützende Wälzlager ebenfalls mit dem Stützgehäuse 15 verbunden. Die verdichterseitige Loslagerung der äußeren Welle geschieht über das Loslager 28b zwischen Welle 4b und Stützgehäuse 15, während die Loslagerung der inneren Welle 4a im Be­ reich der Propfan-Rotoren 2a, b mittels des Loslagers 28a erfolgt, wel­ ches über einen Stützzylinder 29 am hinteren Propfan-Rotor 2b abge­ stützt ist.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 entspricht im wesentlichen der­ jenigen von Fig. 2. Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, daß an den Planetenrädern 21a jeweils ein drittes Ritzel 30 angebracht ist, das mit einem am Stützgehäuse 5a befestigten Zahnkranz 31 kämmt. Hierdurch sind die Planetenräder 21a und hiermit die beiden Wellen 4a, b miteinander kinematisch zwangsgekoppelt, wodurch die Drehzahlen der Wellen 4a, b und des Mitteldruckverdichters 18 zueinander in einem unveränderlichen Verhältnis stehen. Dieses kann selbstverständlich durch Austausch der Planetenräder 21a verändert werden.

Das Zusammenwirken der erfindungsgemäßen Teile wird nachfolgend bei­ spielhaft erläutert. Geht man beispielsweise von einer bestimmten Leistungsverteilung auf die beiden Propfan-Rotoren aus, so besteht im stationären Betrieb Gleichgewicht zwischen der von den Propfan-Rotoren aufgenommenen, und der von den Niederdruckturbinen dafür zur Verfügung gestellten Leistung. Dieses Gleichgewicht wird gestört, wenn sich die von einer Propfan-Stufe aufgenomme Leistung ändert. Nimmt z. B die Leistung einer Propfanstufe aus irgendeinem Grund z. B. in Folge einer Änderung der Zuströmung zum Triebwerk ab, so hat diese das Bestreben, die Drehzahl zu erhöhen, da das Leistungsangebot der über die Welle angekoppelten Niederdruckturbine zunächst bestehen bleibt. Diese Drehzahlerhöhung hat zur Folge, daß die von dieser Welle an den Mitteldruckverdichter abgegebene Leistung erhöht wird, was in weiterer Folge wieder drehzahlsenkend wirkt, da zwar der Luftdurchsatz durch den Mitteldruckverdichter und den Gaserzeuger erhöht wird, jedoch die eingespritzte Brennstoffmenge konstant bleibt, so daß diese verrich­ tete Mehrarbeit nicht in Nutzarbeit umgewandelt wird. Die Folge ist, daß zwar die an der dem Gaserzeuger zugeführten Luft verrichtete Ar­ beit steigt, während die in den Niederdruckturbinen erzeugte Leistung gleich bleibt, und so die Drehzahl des beschleunigten Propfan-Rotors wieder abfällt. Das bedeutet, daß das Getriebe als Dämpfungsglied zwischen den beiden Propfan-Rotoren wirkt, nämlich einerseits dreh­ zahlregulierend, und zwar immer in Richtung stabiler, dem Auslegungs­ punkt entsprechender und damit optimaler Betriebs- und Drehzahlver­ hältnisse, und andererseits überdrehzahlschützend, z. B. bei Entla­ stung eines Propfan-Rotors etwa durch Schaufelverlust.

Claims (10)

1. Propfan-Turbotriebwerk mit zwei entgegengesetzt drehenden Prop­ fanrotoren, die mit je einer von einem Gaserzeuger getriebenen Turbine über zwei Wellen gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mitteldruckverdichter (18) stromaufwärts des Gaserzeugers (9) vorgesehen ist, der über ein mit beiden Wellen (4a, b) im Ein­ griff stehendes beschleunigendes Getriebe antreibbar ist.

2. Propfan-Turbotriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe als Planetengetriebe ausgebildet ist.

3. Propfan-Turbotriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl Planetenräder (21) mit je zwei Ritzeln (22a, b) in der äußeren der beiden Wellen (4b) gelagert sind, und das eine Ritzel (22a) mit einem an der inneren Welle (4a) angebrachten Sonnenrad (23) kämmt, und das andere Ritzel (22b) mit einem mit dem Mitteldruckverdichter (18) verbundenen Hohlrad (24) kämmt.

4. Propfan-Turbotriebwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Welle (4b) mit dem hinteren Propfanrotor (2b) über ein sich radial erstreckendes Wellenstück (20) verbunden ist, in dem die Planetenräder (21) gelagert sind.

5. Propfan-Turbotriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mitteldruckverdichter (18) in einem Zwischengehäuse (14) gelagert ist, das zwischen Mitteldruckverdichter (18) und Gaser­ zeuger (9) angeordnet ist.

6. Propfan-Turbotriebwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der hintere Propfanrotor (2b) bzw. die äußere Welle (4b) im Zwischengehäuse (14) gelagert ist.

7. Propfan-Turbotriebwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Zwischengehäuse (14) ein Zahnkranz (31) angeformt ist, der mit einem dritten Ritzel (30) jedes Planetenrades (21a) kämmt.

8. Propfan-Turbotriebwerk nach Anspruch , dadurch gekennzeichnet, daß die innere Welle (4a) in der äußeren Welle (4b) gelagert ist.

9. Propfan-Turbotriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe ein Übersetzungsverhältnis von 1,5:1 bis 10:1, vorzugsweise 3:1 aufweist.

10. Propfan-Turbotriebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlrad (24) an einer Lagerhülse (27) angeflanscht ist, die zum einen über zwei Wälzlager mit dem Zwischengehäuse (14) gekoppelt ist, und zum anderen über eine Verbindungshülse (25) mit der ersten Mitteldruckverdichterstufe (18) verbunden ist.