DE60016474T2

DE60016474T2 - Strömungsmaschine mit einem mit einer Abkühlvorrichtung versehenen Untersetzungsgetriebe

Info

Publication number: DE60016474T2
Application number: DE60016474T
Authority: DE
Inventors: Bruno Albert Beutin; Pascal Noel Brossier; Michel François Raymond Franchet; Jean-Loic Herve Lecordix; Marc Georges Loubet
Original assignee: SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1999-01-07
Filing date: 2000-01-06
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2020-01-07
Also published as: CA2294620A1; DE60016474D1; EP1018468A1; FR2788308A1; US6282881B1; EP1018468B1; CA2294620C

Description

Diese Erfindung betrifft das Gebiet der Turbotriebwerke und insbesondere Turboproptriebwerke, aber auch Hochleistungs-Zweikreis-TL-Triebwerke wie beispielsweise diejenigen, die in der zivilen Luftfahrt verwendet werden und mit einem Untersetzungsgetriebe versehen sind.
Zur Steigerung ihrer Leistung und zugleich Reduzierung des Lärms und des Brennstoffverbrauchs müssen Turbotriebwerke wie Turboproptriebwerke „mehrschaufelige" Propeller mit großem Durchmesser und mit niedrigen Drehzahlen aufweisen. Nun wird durch die von dem mit hoher Geschwindigkeit drehenden Gasmotor mittels eines mechanischen Untersetzungsgetrebes auf den langsam drehenden Propeller übertragene Leistung auf Grund mechanischer Verluste, d. h. durch die Reibungen, sehr viel Wärme erzeugt. Selbstverständlich muss diese Wärme auf wirksame Weise abgeführt oder abgestrahlt werden, um eine rasche Beschädigung der mechanischen Organe des Untersetzungsgetriebes wie beispielsweise der Zahnräder und der Lager oder eine Verschlechterung der Eigenschaften des Schmiermittels des Untersetzungsgetriebes, was einen Leistungsabfall des Turbotriebwerks herbeiführen würde, zu vermeiden. Nun setzt das Untersetzungsgetriebe eines Turbotriebwerks mit einer mechanischen Leistung von 10 000 kW selbst bei einem Wirkungsgrad von nahezu oder etwas mehr als 99 % trotzdem auf Grund mechanischer Verluste eine Wärmeenergie von nahezu 100 kW frei.
Nach dem Stand der Technik wird auf diesem Gebiet bekanntlich diese Art von Wärme abgeführt, d. h. eine solche Wärmeleistung abgestrahlt, indem man das Schmiermittel des Untersetzungsgetrebes in geschlossenem Kreislauf mittels einer Pumpe oder eines Thermosiphons in einem Kühler wie z. B. einem Ölkühler oder einem Luft/Öl-Tauscher zirkulieren lässt.
Wie auch in der Schrift DE 195 24 731 zeigt 1 im Schnitt eine mögliche Ausführung dieser Abkühlung. In dieser 1 ist der Propeller 1 zu erkennen, der von dem Gasmotor 2 über das Untersetzungsgetriebe 3 angetrieben wird. Dieses wird mittels einer Umwälzung des Schmiermittels durch einen Kreislauf 4 in einem Kühler 6, der in dem unteren Schöpfer 5 des Turboproptriebwerks angeordnet ist, gekühlt. Der Kühler 6 kann auch unter der Tragfläche 20 des Flugzeugs oder sogar seitlich angeordnet sein.
In dem Fall von 1 führt die in Bewegung befindliche Luft, die durch den Kühler 6 strömt, die Wärme nach außerhalb des Schöpfers 5 ab, und das abgekühlte Schmiermittel gelangt durch den Kühlkreislauf 4 in das Untersetzungsgetriebe 3 zurück. Es kann eventuell am Eintritt oder am Auslass des Schöpfers 5 eine Ventilklappe vorgesehen sein, um die durch den Kühler 6 strömende Luftmenge zu regulieren, um die Temperatur des Schmiermittels zu stabilisieren. Der Kühler 6 ist nämlich bei hohen Geschwindigkeiten im Vergleich zu niedrigen Geschwindigkeiten überdimensioniert. Es zeigt sich nun, dass diese Art von Kühler 6, insbesondere die Luft/Öl-Tauscher des Untersetzungsgetriebes notwendigerweise groß bemessen sind, um eine große Wärmeleistung abzuführen. Das ist insbesondere während der Flugphasen bei niedrigen Geschwindigkeiten oder sogar bei verlängerten Parkstellungen, in denen das Turbotriebwerk im Leerlauf läuft, und schließlich auch beim Rollen über die Pisten der Fall. Ein solches Gerät ist daher schwer, platzraubend, erhöht den Luftwiderstand des Turbotriebwerks, erfordert eine große Menge Öl und kann leicht durch eingesaugte Vögel beschädigt werden.
Dieser letzte Nachteil ergibt sich andererseits mit einer Abkühlungsvorrichtung, wie sie in der französischen Patentanmeldung Nr. FR-A-2 742 479 des gleichen Anmelders beschrieben ist, nicht. Bei diesem Abkühlungssystem wird nämlich die Vorrichtung verwendet, die zuvor dazu bestimmt war, die Grenzschicht der Luftströmung entlang der Triebwerksgondel, insbesondere in dem Bereich, in dem diese Strömung bei steigender Geschwindigkeit des Flugzeugs turbulent wird, anzusaugen. Dieses System besteht aus Löchern, die an der Abdeckung vorgesehen sind, um die Luft in einen Kollektor anzuziehen, in dem sich ein Wärmetauscher von großer Länge befindet, der ein Bestandteil der Abkühlvorrichtung ist.
Nun macht dieses System in Anbetracht des sehr geringen Durchsatzes dieser Ansauglöcher einen Wärmetauscher von großer Länge erforderlich, der damit sehr platzraubend ist.
Die Erfindung hat daher zur Aufgabe, diese oben genannten Nachteile zu beseitigen.
In Anbetracht dessen, dass ein Flugzeug sich viel länger im Flug bei mittlerer oder hoher Geschwindigkeit befindet als in niedriger Geschwindigkeit oder im Leerlauf, scheint es zweckmäßiger, den Kühler, der ein Luft/Öl-Tauscher ist, für die längsten Flugphasen zu dimensionieren und die Luftmenge, die diesen Kühler 6 durchströmt, durch eine geeignete Vorrichtung in den kürzeren Phasen vorübergehend zu erhöhen, anstatt die Luftmenge, die einen überdimensionierten Kühler durchströmt, mittels Klappen zu reduzieren.
Daher ist der Hauptgegenstand dieser Erfindung eine Abkühlvorrichtung für ein Untersetzungsgetriebe eines Turbotriebwerks, wobei dieses Untersetzungsgetriebe mit einem Schmiermittel geschmiert wird, wobei das Turbotriebwerk mindestens ein Zuluftrohr für einen inneren Fluid-Zirkulationskreis und eine Düse aufweist, wobei die Abkühlvorrichtung aufweist:

– einen Kühler, der dazu bestimmt ist, das im Inneren mittels eines Schmiermittelkreislauf zirkulierende Schmiermittel zu kühlen, und
– mindestens eine Luftzufuhrleitung, die an dem Kühler endet.

Gemäß dieser Erfindung weist die Abkühlvorrichtung mindestens einen Luftaufnahmeschlitz mit sehr kleinem Querschnitt auf, der in dem Zuluftrohr des inneren Zirkulationskreises des Turbotriebwerks angeordnet ist und in dessen Verlängerung sich die Luftzufuhrleitung zum Kühler befindet.
Es ist vorgesehen, dass die Abkühlvorrichtung am Auslass des Kühlers mit einer Luftabführleitung ausgestattet ist, die in die Düse des Turbotriebwerks mündet.
Um die Luftmenge im Kühler zu modulieren, ist es auch von Vorteil, eine Klappe vorzusehen, die schwenkbar in der Luftabführleitung angebracht ist.
Mit dem Zweck, eine ausreichende Zirkulation der Luft im Kühler zu gewährleisten, wenn die innere Fluidzirkulation in dem Turbotriebwerk nicht ausreicht, und die Verwendung eines kleineren Kühlers zu ermöglichen, falls das Turbotriebwerk mindestens einen Verdichter aufweist, umfasst die erfindungsgemäße Abkühlvorrichtung ferner:

– mindestens eine Druckluftentnahmeleitung, die an den Verdichter angeschlossen ist und mit einer Mischer-/Ausstoßvorrichtung in die Luftabführleitung mündet, und
– ein Ventil, das von einer Regeleinheit des Turbotriebwerks gesteuert wird, um die Druckluftmenge in dieser Druckluftentnahmeleitung zu steuern.

Die Erfindung und ihre verschiedenen technischen Merkmale gehen näher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, die in einigen Figuren bebildert ist, wobei:
1 im Schnitt ein Turbotriebwerk zeigt, das mit einer Abkühlvorrichtung nach dem Stand der Technik ausgerüstet ist,
2 im Schnitt ein Turbotriebwerk zeigt, das mit einer erfindungsgemäßen Abkühlvorrichtung ausgerüstet ist,
3 eine Teilaußenansicht von einem Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt,
4 eine Außenansicht eines großen Teils der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt, und
5 eine perspektivische Außenansicht der Erfindung zeigt, wie sie in einem Turbotriebwerk eingebaut ist.
In 2 sind die Hauptelemente eines unter der Tragfläche 20 eines Flugzeugs eingebauten Turbotriebwerks zu erkennen. In diesem Fall handelt es sich um einen Turbomotor. In dessen vorderen Teil befindet sich der Propeller 1, der von der Turbine 2 über das Untersetzungsgetriebe 3 in Drehbewegung versetzt wird. Die Turbine 2 wird durch eine innere Luftzirkulation 8 mit Luft versorgt, deren Einlass durch ein Zuluftrohr 7 erfolgt, das direkt hinter dem Propeller 1 am Anfang der Abdeckung 21 des Turbomotors angeordnet ist.
Um die Leistung des Turbomotors nicht zu hemmen, hat man sich entschieden, die Kühlluft für den Kühler direkt hinter diesem Zuluftrohr 7 zu entnehmen. Es wird also mindestens ein Luftaufnahmeschlitz 10 verwendet, der in der inneren Luftzirkulation 8 des Turbotriebwerks hinter dem Zuluftrohr 7 angeordnet ist, um eine Luftzufuhrleitung 11 zu speisen. Letztere ist dazu gedacht, den Kühler 16 zu versorgen, durch den das Kühlmittel strömt und der in einem zentralen Teil 12 der Abkühlvorrichtung, d. h. hinter der Luftzufuhrleitung 11, die sich in diesen zentralen Teil 12 verbreitert, untergebracht ist. Der Luftaufnahmeschlitz 10 hat daher entsprechend der Krümmung des Zuluftrohrs 7 die Form eines Kreissegments oder Kreisbogens.
Die Abkühlvorrichtung wird durch eine Luftabführleitung 13 vervollständigt, welche hinter dem zentralen Teil 12 angeordnet ist, um die Luftzirkulation im Kühler 16 fortzusetzen und diese Luft zur Düse 9 des Turbomotors 2 hin abzuführen.
Bei geringen Geschwindigkeiten oder in kürzeren Phasen wie z. B. den Wartezeiten in geparktem Zustand, den Fixpunkten, den Leerlaufphasen am Boden und den Rollphasen bei hohen Außentemperaturen, wenn der Fahrtwind gering oder gleich null ist, erweist es sich als zweckmäßig, den Luftzirkulationsdurchsatz in der Abkühlvorrichtung zu erhöhen. Zu diesem Zweck wird hinter dem Kühler 16 in der Luftabführleitung 13 ein Auslass für Druckluft vorgesehen, die dem Turbotriebwerk entnommen wird, und zwar vorzugsweise mittels einer Entnahmeleitung 19 beim Austritt aus dem Verdichter. Es ist dann an einer solchen Entnahmeleitung 19 ein Steuerventil 17 angeordnet, das ebenfalls durch das zentrale Regelsystem des Typs „FADEC" gesteuert wird. Der Austritt der Entnahmeleitung 19 in die Luftabführleitung 13 wird von einer Quirlmischer-/ Ausstoßvorrichtung 18 gebildet.
Durch Einspritzen der Druckluft in diese Quirlmischer-/ Ausstoßvorrichtung 18 wird der von der Luftzufuhrleitung 11 kommende Luftstrom durch ein Ansaugphänomen beschleunigt (Venturi-Effekt auf Grund der Querschnittsverengung hinter dem zentralen Teil 12) und der Durchsatz der durch den Kühler 16 strömenden Kühlluft erhöht.
Die Zirkulationsmenge des Schmiermittels im Schmiermittelkreislauf 14 und im Kühler 16 wird durch eine Pumpe, die von einem Aggregatgehäuse 23 angetrieben wird, oder durch einen Thermosiphon gewährleistet.
In 3 ist der zentrale Teil 12 der Vorrichtung zu sehen, in dessen Inneren der Kühler 16 eingebaut ist. Hinter diesen beiden Teilen befindet sich die Quirlmischer-/ Ausstoßvorrichtung 18, die mit einer relativ großen Breite dargestellt ist. Tatsächlich ist der Querschnitt des zentralen Teils 12 wie auch der der Luftzufuhrleitung 11 und der Luftabführleitung 13 relativ flach.
In 4 sind diese Elemente in einer Ansicht, die im rechten Winkel zu der von 3 steht, im Einzelnen zu sehen. Diese flache Form des Kühlers 16 und der Gesamtanordnung der Luftzirkulation in der Abkühlvorrichtung zeigt, dass der Platzbedarf der Letzteren in Hinsicht auf das Einbauen der Vorrichtung in einem Turbotriebwerk kein Mangel ist. Ganz im Gegenteil ermöglicht es diese flache Form, wie in 5 gut zu sehen ist, diese Leitungen im Inneren der Abdeckung des Turbomotors um die Hauptelemente herum unterzubringen. In dieser 5 ist nur der Kühler 16 mit der Luftzufuhrleitung 11 und der in die Düse 9 mündenden Luftabführleitung 13 dargestellt.
4 zeigt ferner eine Ausführung der Klappe 15, die schwenkbar in der Luftabführleitung 13 angeordnet ist. Diese Klappe kann also die Luftabführleitung 13 mehr oder weniger versperren. In dieser 4 sind ferner der Zulauf der Druckluftleitung 19, das Steuerventil 17 Und die hinter dem Kühler 16 angeordnete Quirlmischer-/ Ausstoßvorrichtung 18 zu sehen. Die Luftabführleitung 13 mündet in die Düse 9 und erhöht daher nicht den Luftwiderstand der Gesamtheit des Turbomotors. Die relativ flachen Querschnitte der verschiedenen Leitungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechen der flachen Form des Luftaufnahmeschlitzes 10 am Zugang zu der Vorrichtung in der Leitung 8 der inneren Luftzirkulation des Turbomotors.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet folgendermaßen:
Bei großen Geschwindigkeiten oder bei großer Kälte ist die Luft, die durch den Luftaufnahmeschlitz 10 aufgenommen wird und durch die Vorrichtung strömt, ausreichend, um die erforderliche Abkühlung des in dem Kühler 16 zirkulierende Schmiermittel zu erzielen. Die Regulierungsklappe 15 in der Luftabführleitung 13 kann eventuell teilweise geschlossen werden. Auf diese Weise kann das Schmiermittel auf einer gewünschten Temperatur gehalten werden.
In Wartephasen, Phasen mit geringer Geschwindigkeit oder bei hohen Außentemperaturen ist der Luftdurchsatz durch den Kühler 16 oft nicht mehr ausreichend. Daher wird durch die Quirlmischer-/ Ausstoßvorrichtung 18 die Erhöhung des Durchsatzes an Kühlluft herbeigeführt, gesteuert durch das Steuerventil 17. Diese Regulierung erfolgt in Abhängigkeit von der Drehzahl oder der Leistung des Turbomotors, von der Temperatur des Schmiermittels des Untersetzungsgetriebes 3 oder anderer mit dem Untersetzungsgetriebe verbundener Parameter wie beispielsweise das Drehmoment, die Drehzahl, die Außentemperatur. Es muss angemerkt werden, dass es vorzuziehen ist, dass die Quirlmischer-/ Ausstoßvorrichtung 18 während der Phasen des Anlassens und des Auf-Temperatur-Kommens des Schmiermittels und sodann des Startvorgangs durch das Steuerventil 17 geschlossen wird.
Der Luftaufnahmeschlitz 10 mit der Form eines Kreisbogens oder Kreissegments hat einen sehr schmalen Querschnitt im Vergleich zu dem Querschnitt des Zuluftrohrs 7, womit das Problem des Einsaugens von voluminösen Fremdkörpern, die den Kühler beträchtlich beschädigen können, gelöst werden kann.
Außerdem ermöglicht es dieser geringe Querschnitt des Luftaufnahmeschlitzes 10, den Luftwiderstand der Triebwerksgondel dadurch stark zu verringern, dass kein klassischer Schöpfer wie der in 1 mit der Bezugszahl 5 bezeichnete mehr vorhanden ist. Es wird auch darauf hingewiesen, dass die frontale Infrarotstrahlung der Gesamtanordnung des Turbomotors durch die Verwendung eines solchen Luftaufnahmeschlitzes 10 nicht erhöht wird, wobei dieser zudem hinter einer Fremdkörperfalle angeordnet werden kann.
Der Kühler 16 der erfindungsgemäßen Abkühlvorrichtung ist relativ klein, da er für die Flugphasen dimensioniert ist, die die repräsentativsten für den Aufgaben des Flugzeugs sind (weniger Masse und Öl).
In den anderen Betriebsphasen des Turbomotors wird die eventuell mangelhafte Wirksamkeit des Kühlers durch die Zufuhr an Druckluft ausgeglichen, die mittels der Quirlmischer-/ Ausstoßvorrichtung 18 erfolgt, die die Beschleunigung des Kühlluftdurchsatzes mittels Venturi-Effekt bewirkt. Genauer ausgedrückt, kann die Quirlmischer-/ Ausstoßvorrichtung 18 durch mehrere Zuführungsleitungen mit Entnahme im Bereich des Verdichters des Turbomotors gespeist werden.
Die Ausstoßgeschwindigkeit der Abgase in der Düse 9 der Turbine 2 beschleunigt durch Ansaugung das Ausstoßen der in der erfindungsgemäßen Abkühlvorrichtung zirkulierenden Luft und erhöht damit dessen Wirksamkeit. Durch Verwendung von Druckluft bei den Betriebsphasen im Leerlauf oder auf dem Boden wird die wirksame Abkühlung des Schmiermittels im Untersetzungsgetriebe ermöglicht.
Außerdem wird die Infrarotstrahlung beim austretenden Strahl durch das Einspritzen von kälterer Luft in die Düse und dadurch, dass im Bereich der Triebwerksgondel kein kritischer Punkt vorhanden ist, verringert.
Das Stocken des in dem Kühler 16 zirkulierenden Schmiermittels kann durch die Modulation der Luftzirkulation durch den Kühler mittels der gesteuerten Klappe 15 leicht vermieden und kontrolliert werden.

Claims

Turbotriebwerk mit mindestens einem Zuluftrohr (7), mindestens einem Verdichter, einer Düse (9), einem mit einem Schmiermittel geschmierten Untersetzungsgetriebe (3), einer Abkühlvorrichtung für das Untersetzungsgetriebe, wobei die Abkühlvorrichtung aufweist: – einen Kühler (16), durch den das Schmiermittel fließt, – eine Luftzufuhrleitung (11), die an dem Kühler (16) endet, – eine Luftabführleitung (13), die am Auslass des Kühlers (16) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner aufweist: – einen Luftentnahmeschlitz (10) mit sehr kleinem Querschnitt, der in dem Zuluftrohr des Turbotriebwerks angeordnet ist und in dessen Verlängerung sich die Luftzufuhrleitung (11) befindet, – eine Druckluftentnahmeleitung (19), die an den Verdichter des Turbotriebwerks angeschlossen ist und über eine Quirlmischer-/ Ausstoßvorrichtung (18) in die Luftabführleitung (13) mündet, – ein Steuerventil (17), das an der Entnahmeleitung (19) angeordnet ist und von einer Regeleinheit des Turbotriebwerks gesteuert wird.
Turbotriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftabführleitung (13) in die Düse (9) des Turbotriebwerks mündet.
Turbotriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlvorrichtung ferner eine Klappe (15) aufweist, die schwenkbar in der Luftabführleitung (13) angebracht ist.