DE4131713A1 - Zusatzverdichter fuer fantriebwerke mit hohem bypass-verhaeltnis - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Fantriebwerk mit hohem Bypass-Verhältnis, welches zumindest einen Fanrotor, einen stromabwärts des Fanrotors angeordneten Zusatzverdichter, ein Kerntriebwerk mit Kern­ verdichter und Turbine und eine Arbeitsturbine, die mit dem Fanrotor über eine Antriebswelle verbunden ist, aufweist.

Wie allgemein bekannt, wird bei der Konzipierung eines Flugtriebwerks ein bestimmtes Schubsteigerungspotential vorgesehen, um einer späte­ ren Nachfrage nach erhöhter Leistung gerecht werden zu können. Eine Möglichkeit, den Schub eines vorhandenen Triebwerks zu steigern, besteht in der Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur. In der Regel sind jedoch dieser Möglichkeit der Leistungssteigerung aus werkstoff­ technischen Gründen sehr enge Grenzen gesetzt. Ein wesentlich effek­ tiveres Mittel zur Erzielung einer Schubsteigerung ist hingegen, den Massendurchsatz durch das Kerntriebwerk zu erhöhen. Bei ausgeführten Fantriebwerken ist es daher üblich, zur Leistungssteigerung Booster­ stufen einzuführen oder bei bereits vorhandenem Booster dessen Stu­ fenzahl zu erhöhen, was zu einer Vergrößerung des Druckverhältnisses und damit zu einem vergrößerten Massenstrom durch das Kerntriebwerk führt. Die Boosterstufen sind in der Regel mit dem Fan verbunden und laufen mit der Drehzahl des Niederdruckrotors um.

Parallel zur Erhöhung des Druckverhältnisses ist eine Tendenz zu immer größeren Bypass-Verhältnissen der Fantriebwerke erkennbar, wel­ che insbesondere durch die Entwicklung und Erprobung sog. Prop­ fan-Triebwerke dokumentiert wird. Mit dieser Entwicklung geht eine Zunahme des Fandurchmessers einher. Um nun die Umfangsgeschwindigkeit der Fanblätter aus aerodynamischen und akustischen Gründen in Grenzen zu halten, wird die Drehzahl des Fanrotors reduziert. Bei direkter Koppelung des Boosters an den Fanrotor führte dies zu sehr geringen Boosterdrehzahlen, weshalb die Anzahl der Boosterstufen ge­ wichtsträchtig erhöht werden müßte. Zur Reduzierung der Drehzahl der Niederduckturbine auf das für den Fan notwendige Niveau ist aus der DE 39 43 102 A1 bekannt, ein Untersetzungsgetriebe zwischen Nieder­ druckturbinenwelle und Fan anzuordnen, wobei der Booster mit der Drehzahl der Niederdruckturbine umläuft. Da jedoch die gesamte An­ triebsleistung für den Fan im Getriebe umgesetzt werden muß, baut das Getriebe sehr schwer und erfordert aufwendige Kühlmaßnahmen.

Bei den in Entwicklung und in Erprobung befindlichen Propfan­ triebwerken handelt es sich u. a. um Bauarten mit zwei gegen­ läufigen Propfanrotoren. Hier erfolgt der Antrieb der Propfanrotoren getriebelos über zwei koaxiale Wellen, welche mit gegenläufigen Tur­ binen in Verbindung stehen. Da auch hier die Drehzahl des Nieder­ drucksystems sehr gering ist, erfordert die Verwendung eines kon­ ventionellen Boosters eine Drehzahlanhebung mittels eines gewichtigen Getriebes, wie in der DE 38 12 027 A1 offenbart. Obgleich bei dieser Lösung nicht mehr die gesamte Nutzleistung der Niederdruckturbine in einem Getriebe umgesetzt werden muß, bleibt das hier vorgesehene Getriebe stets gewichtsintensiv. Eine Lösung, bei welcher auf ein Getriebe verzichtet wird, ist aus der DE 37 28 436 A1 bekannt gewor­ den. Hier ist ein gegenläufiger Booster zwischen zwei Fanrotoren angeordnet und mit diesen gekoppelt. Infolge der hohen Relativge­ schwindigkeit der gegenläufigen Boosterstufen kann der Rotor ohne Getriebe betrieben werden. Als nachteilig erweist sich jedoch das ungünstige Nabenverhältnis der stromabwärtigen Fanstufe, da der Boo­ ster radial innerhalb des Fans angeordnet ist. Zudem wird auf den erhöhten Schutz des Kerntriebwerks vor Fremdkörpereinwirkung ver­ zichtet, welcher durch den zweiten Fanrotor gegeben wäre.

Zur Umgehung dieses Machteils wird in der DE 41 20 305 vorgeschlagen, einen gegenläufigen, zweirotorigen Booster stromabwärts beider Fanro­ toren anzuordnen, wobei der radial äußere Boosterrotor Drehmoment übertragend ausgeführt ist. Eine solche Ausführung wäre jedoch kon­ struktiv sehr aufwendig und problematisch.

Hiervon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Mög­ lichkeit zur Erhöhung des Druckverhältnisses des Kerntriebwerks eines Fantriebwerks mit hohem Bypass-Verhältnis anzugeben, wobei ein möglichst flexibler Variationsbereich des Druckverhältnisses vorzu­ sehen ist, um einer Nachfrage nach erhöhter Schubkraft gerecht zu werden. Eine leichte und kompakte Bauweise ist zu berücksichtigen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Zusatzver­ dichter als Verdichtervorstufe des Kernverdichters ausgeführt ist und mit diesem lösbar verbunden ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, aufgrund der direkten Ankoppelung des Boosters an den Hochdruckrotor mit weniger Stufen eine gewünschte Erhöhung des Gesamtdruckverhältnisses zu erzielen, als dies mit am Niederdruckrotor gekoppelten Boostern ohne Über­ setzungsgetriebe möglich ist. Hieraus resultiert eine kurze Baulänge des Triebwerks und eine deutliche Gewichtsersparnis. Ein hohes Schub­ steigerungspotential ist insbesondere dann von Vorteil, wenn Flug­ zeughersteller aus einer Basisversion eines Flugzeuges eine größere Variante ableiten, dessen höheres Startgewicht auch eine Erhöhung der Schubkraft der Triebwerke erfordert. Es ist somit eine wirt­ schaftliche Serienfertigung eines Triebwerktypes für einen weiten Schubklassenbereich möglich, wobei sich die Triebwerke unterschied­ licher Schubkraft nur in der Höhe des Druckverhältnisses der Ver­ dichtervorstufe und weniger weiterer Modifikationen z. B. am Kraft­ stoffsystem unterscheiden.

Bei Fantriebwerken mit zwei gegenläufigen Fanrotoren, welche über zwei koaxiale Wellen angetrieben werden, erfordert die Verwendung eines Boosters einen hohen konstruktiven Aufwand, um beide Wellen gleichmäßig zu belasten, so daß bei diesen Fantriebwerken die Anwen­ dung der Erfindung eine besondere konstruktive Vereinfachung mit sich bringt.

In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung, ist stromaufwärts der Verdichtervorstufe ein Leitgitter mit einstellbaren Leitschaufeln im Primärkanal angeordnet, wodurch der Zuströmwinkel zu den Lauf­ schaufeln der Verdichtervorstufe den Massenstrom angepaßt wird, wel­ cher sich nicht nur beim Drosseln des Triebwerkes ändert, sondern auch durch das installierte Druckverhältnis der Verdichtervorstufe.

Bei einer weiteren Ausbildung der Erfindung, wonach die Betriebs­ kennlinie der Turbine des Kerntriebwerkes auf einen größeren Varia­ tionsbereich des Gesamtdruckverhältnisses, welcher durch die flexibel installierbare Stufenbelastung der Verdichtervorstufe möglich ist, abgestimmt ist, kann das Kerntriebwerk auch bei weiterer Variation der Stufenbelastung weitgehend unverändert bleiben. Hierdurch wird eine wirtschaftliche Bauteilstandardisierung der Triebwerke unter­ schiedlicher Leistung erzielt.

Weitere vorteilhafte Ausführungen insbesondere bezüglich der einfa­ chen Demontierbarkeit des Kerntriebwerks von der Niederdruck- und Boosterbaugruppe zu Wartungs- und Instandsetzungszwecken ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 5 bis 10.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen bei­ spielhaft weiter erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine teilgeschnittene Ansicht eines Propfantriebwerkes und

Fig. 2 einen Ausschnitt des Propfantriebwerkes mit zwei alternativen Ausführungsformen.

Das in Fig. 1 gezeigte Propfantriebwerk 1 besteht aus einem Kern­ triebwerk 2 und zwei stromauf angeordneten gegenläufigen Fanrotoren 3, 4, an denen über dem Umfang verteilte Propfanschaufeln 5 ange­ bracht sind. Die Propfanschaufeln 5 sind über nicht näher darge­ stellte Verstellvorrichtungen verschwenkbar gelagert. Radial außer­ halb der Propfanschaufeln 5 ist ein Mantel 6 vorgesehen, der sich in triebwerksaxialer Richtung beidseitig der Propfanschaufeln 5 er­ streckt. Über eine Anzahl regelmäßig beabstandeter Streben 7 ist der Mantel 6 am Eintrittsgehäuse 8a angebracht. Das Eintrittsgehäuse 8a ist wiederum über ein Zwischengehäuse 8c mit dem Kerntriebwerksge­ häuse 8b verbunden.

Das Kerntriebwerk 2 besteht im wesentlichen aus einem als Hochdruck­ verdichter 9 ausgeführten Kernverdichter, einer Brennkammer 10 und einer als Hochdruckturbine 11 ausgebildeten Turbine, die mit dem Hochdruckverdichter 9 über eine Hochdruckturbinenwelle 12 verbunden ist.

Stromab der Hochdruckturbine 11 ist die aus zwei konzentrischen Turbinenrotoren 13a, 13b bestehende Arbeitsturbine 13 angeordnet. Der innenliegende Turbinenrotor 13a ist an seinem Außenumfang mit drei Turbinenschaufelreihen 14a versehen, während der trommelartig ausgebildete äußere Turbinenrotor 13b an seinem Innenumfang ebenfalls mit drei Turbinenschaufelreihen 14b versehen ist. Dabei sind die Turbinenschaufelreihen 14a und 14b abwechselnd axial hintereinander angeordnet. Die beiden Turbinenrotoren 13a, 13b sind mit je einer Antriebswelle 15a, 15b verbunden, wobei diese konzentrisch zueinander und konzentrisch innerhalb der Hochdruckturbinenwelle 12 durch das Kerntriebwerk 2 nach vorn geführt werden. Die im Vorderteil des Propfantriebwerkes 1′ angeordneten Fanrotoren 3, 4 sind mit je einer der Antriebswellen 15a, 15b verbunden.

Der von den Fanrotoren 3 und 4 geförderte Luftstrom wird stromab der Fanrotoren 3 und 4 in den Sekundärkanal S und Primärkanal P dem By­ passverhältnis des Propfantriebwerks 1 entsprechend aufgeteilt.

Eine im Primärkanal P wirkende Verdichtervorstufe 16 ist mit dem stromaufwärtigen Ende des Hochdruckverdichters 9 über eine gesteckte Zwischenwelle 17 wie in Fig. 2 gezeigt drehmomentübertragend ver­ bunden. Hierzu ist die Verdichtervorstufe 16 mit der Zwischenwelle 17 verschraubt. Die Lagerung der Zwischenwelle mit der Verdichter­ vorstufe 16 erfolgt eintrittsseitig über ein Kugellager 18 am Eintrittsgehäuse 8a. Die Zwischenwelle ist dort axial und radial festgelegt. Am Hochdruckverdichter 9 ist die Zwischenwelle 17 über die gesteckte Wellenverbindung 18 axial verschieblich geführt.

Im Primärkanal P ist stromauf der Verdichtervorstufe 16 ein Leit­ gitter mit einstellbaren Leitschaufeln 19 angeordnet.

Eine lastübertragende Verbindung zwischen dem Kerntriebwerksgehäuse 8b und dem Eintrittsgehäuse 8a erfolgt über das mit diesen ver­ schraubte Zwischengehäuse 8c welches den Primärkanal P über Stege 20 zwischen Verdichtervorstufe 16 und Hochdruckverdichter 9 durch­ dringt und die Lagerstelle 21 für den einlaßseitigen Wellenstumpf 22 des Hochdruckverdichters 9 bildet.

Die obere Hälfte der Fig. 2 zeigt eine Anordnung des Geräteabtriebes stromauf der Verdichtervorstufe 16. Hierzu durchdringt eine erste im Eintrittsgehäuse 8a angeordnete Geräteabtriebswelle 23a vor der Ver­ dichtervorstufe 16 den Primärkanal P, welche über ein mit der Zwischenwelle 17 verbundenes Kegelradgetriebe 24 angetrieben wird. Zur Abführung der Wellenleistung an Nebenaggregate des Propfantriebwerks 1 treibt die erste Geräteabtriebswelle 23a eine zweite Geräteab­ triebswelle 23b, welche ebenfalls im Eintrittsgehäuse 8a angeordnet ist.

Eine alternative Anordnung des Geräteabtriebes ist in der unteren Hälfte der Fig. 2 gezeigt. Dort sind beide Geräteabtriebswellen 23a, 23b im Zwischengehäuse 8c angeordnet, wobei die erste Geräteabtriebs­ welle 8a den Primärkanal P in einem Steg 20 des Zwischengehäuses 8c durchdringt und vom Wellenstumpf 22 über ein Kegelradgetriebe 24 angetrieben wird.

Claims (10)

1. Fantriebwerk mit hohem Bypass-Verhältnis, welches zumindest einen Fanrotor, einen stromabwärts des Fanrotors angeordneten Zusatzver­ dichter, ein Kerntriebwerk mit Kernverdichter und Tur­ bine und eine Arbeitsturbine, die mit dem Fanrotor über eine An­ triebswelle verbunden ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzverdichter als Verdichtervorstufe (16) des Kernver­ dichters (9) ausgeführt ist und mit diesem lösbar verbunden ist.

2. Fantriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fantriebwerk (1) zwei Fanrotoren (3, 4) aufweist, welche über zwei zueinander koaxiale Antriebswellen (15a, b) von einer gegenläufigen Arbeitsturbine (13) angetrieben werden.

3. Fantriebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß stromaufwärts der Verdichtervorstufe (16) ein Leitgitter mit ein­ stellbaren Leitschaufeln (19) im Primärkanal (P) angeordnet ist.

4. Fantriebwerk nach einem der vorhergehendne Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (11) eine auf den Variationsbe­ reich von Druckverhältnissen der Verdichtervorstufe (16) abge­ stimmte Betriebskennlinie aufweist.

5. Fantriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verbindung zwischen Verdichtervorstufe und Kernverdichter (9) mittels einer aufgesteckten Wellenverbindung (18) erfolgt.

6. Fantriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtervorstufe (16) über eine Zwi­ schenwelle (17) mit dem Kernverdichter (9) verbunden ist.

7. Fantriebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwelle (17) fanrotorseitig radial und axial am Eintrittsge­ häuse (8a) gelagert ist und kernverdichterseitig axial ver­ schieblich am Kernverdichter (g) geführt ist.

8. Fantriebwerk nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Geräteabtriebswelle (23a) stromaufwärts der Verdichtervor­ stufe (16) mit der Zwischenwelle (17) über ein Kegelradgetriebe (24) in Verbindung steht und die Geräteabtriebswelle (23a) im Eintrittsgehäuse (8a) gelagert ist.

9. Fantriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kernverdichter stromab der Verdichter­ vorstufe (16) über ein den Primärkanal (P) durchdringendes Zwi­ schengehäuse (8c) am Eintrittsgehäuse (8a) gelagert ist, wobei das Zwischengehäuse (8c) lösbar mit dem Eintrittsgehäuse (8a) ver­ bunden ist.

10. Fantriebwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Geräteabtriebswelle (23a) zwischen Verdichtervorstufe (16) und Kernverdichter (9) von einem Wellenstumpf (22) des Kernverdichters (9) über ein Kegelradgetriebe (24) angetrieben wird und die Ge­ räteabtriebswelle (23a) im Zwischengehäuse (8c) gelagert ist.