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DE102011102359A1 - Gas turbine for use in gas turbine engine i.e. turbo-engine, of aircraft, has guide tracks extending in axial direction with respect to axis, and blades moved along curved tracks by piston-cylinder that has front piston and rear piston - Google Patents

Gas turbine for use in gas turbine engine i.e. turbo-engine, of aircraft, has guide tracks extending in axial direction with respect to axis, and blades moved along curved tracks by piston-cylinder that has front piston and rear piston Download PDF

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DE102011102359A1
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Abstract

The turbine has a fan (12) arranged in an inlet area of the turbine and comprising a hub (29). Fan blades (30) are arranged at the hub, and guide tracks (31) are formed at outer circumference of the hub. The guide tracks extend in an axial direction with respect to an engine axis (1) and comprise a curvature, where blade roots (36) of the blades are supported at the guide tracks. The blades are moved along the curved guide paths by a piston-cylinder that has a front piston and a rear piston, where the pistons are supplied with hydraulic fluid by hydraulic channels.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fluggasturbine mit einem Fan, dessen Schaufeln/Blätter fein justierbar sind und insbesondere auf eine Fluggasturbine mit einem Fan, welcher in deren Einströmbereich angeordnet ist, wobei der Fan eine Nabe aufweist, an der mehrere Fanschaufeln gelagert sind.The invention relates to an aircraft gas turbine with a fan whose blades / blades are finely adjustable and in particular to an aircraft gas turbine with a fan which is arranged in the inflow region, wherein the fan has a hub on which a plurality of fan blades are mounted.

Der Fan einer Fluggasturbine bildet einen ersten Verdichterbereich, durch welchen einströmende Luft verdichtet wird, welche nachfolgend einem Kerntriebwerk und einem Nebenstromkanal zugeführt wird.The fan of an aircraft gas turbine forms a first compressor area, through which incoming air is compressed, which is subsequently fed to a core engine and a bypass duct.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktionen sind die Blätter des Fans für einen bestimmten Triebwerkszustand (flight mode) optimiert (Ausstellwinkel/pitch angle). In anderen Triebwerkssituationen ist der Wirkungsgrad des Fans hingegen nicht optimal. Diese Triebwerkszustände können beispielsweise die Startphase, die Reiseflugphase oder die Sinkflugphase sein.In the constructions known from the prior art, the blades of the fan are optimized for a particular engine state (flight mode) (pitch angle). In other engine situations, however, the efficiency of the fan is not optimal. These engine states may be, for example, the takeoff phase, the cruise phase, or the descent phase.

Die Optimierung der Blätter des Fans erfolgt durch eine Optimierung des Anstellwinkels. In einem nicht-optimierten Betriebszustand ist der Anstellwinkel üblicherweise größer und induziert mehr turbulente Strömung an bestimmten Bereichen der Fanschaufel. Hierdurch ergeben sich ungünstige Krafteinwirkungen auf die Fanschaufel, welche zu unerwünschten Vibrationen führen (flutter). Diese Schwingungen haben einen negativen Einfluss auf die Kraftübertragungskapazität des Materials der Fanschaufeln und verursachen unerwünschte Geräusche. Im Stand der Technik wurde versucht, dieser Thematik durch schwerere und steifere Fanschaufeln abzuhelfen, Dies wiederum führt zu der Notwendigkeit, auch die Nabe des Fans schwerer und stabiler auszubilden.The optimization of the leaves of the fan is done by optimizing the angle of attack. In a non-optimized operating condition, the angle of attack is usually larger, inducing more turbulent flow at certain areas of the fan blade. This results in unfavorable force effects on the fan blade, which lead to unwanted vibrations (flutter). These vibrations have a negative influence on the power transmission capacity of the material of the fan blades and cause unwanted noise. The prior art has attempted to remedy this issue with heavier and stiffer fan blades, which in turn leads to the need to make the hub of the fan harder and more stable.

Die Möglichkeit, eine Fanschaufel ähnlich einem Propellerblatt oder einer Statorschaufel eines Verdichters um eine radiale Achse zu drehen, ist nur bedingt möglich, da die Fanschaufel sehr dicht am Umfang angeordnet ist und deshalb kein ausreichender Raum zur Verfügung steht.The ability to rotate a fan blade similar to a propeller blade or a stator blade of a compressor about a radial axis, is only partially possible because the fan blade is located very close to the periphery and therefore is not sufficient space available.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fluggasturbine mit einem Fan zu schaffen, welcher unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik eine Optimierung der Strömungsverhältnisse des Fans möglich ist.The invention has for its object to provide an aircraft gas turbine with a fan, which while avoiding the disadvantages of the prior art, an optimization of the flow conditions of the fan is possible.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.According to the invention the object is achieved by the combination of features of claim 1, the dependent claims show further advantageous embodiments of the invention.

Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass am Umfang der Nabe Führungsbahnen ausgebildet sind, welche sich im Wesentlichen in axialer Richtung, bezogen auf eine Triebwerksachse, erstrecken und eine Krümmung aufweisen, wobei jede Fanschaufel mittels ihres Schaufelfußes an einer Führungsbahn gelagert ist und längs der gekrümmten Führungsbahn verschiebbar ist.According to the invention it is thus provided that guideways are formed on the circumference of the hub, which extend substantially in the axial direction, relative to an engine axis, and have a curvature, each fan blade is mounted by means of its blade root on a guideway and slidable along the curved guideway is.

Durch die Krümmung der Führungsbahn, welche zur Lagerung des Schaufelfußes der Fanschaufel dient, führt eine Verschiebung der Fanschaufeln relativ zu der Nabe zu einer Änderung des Anstellwinkels der Fanschaufel. Dabei hat es sicher erfindungsgemäß gezeigt, dass bereits eine geringfügige Längsverschiebung längs der Führungsbahn zu einer wirkungsvollen Einstellung der Fanschaufeln führt. Somit ist es möglich, für unterschiedliche Flugbedingungen jeweils eine Optimierung des Fans mit einfachen Mitteln zu erreichen. Durch die Optimierung der Anstellung der Fanschaufeln ist es möglich, die Schwingungsprobleme, die bei den aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktionen auftreten, zu eliminieren. Weiterhin ist es möglich, sowohl die Fanschaufeln als auch die Naben leichter auszubilden. Hierdurch verringert sich das Gesamtgewicht. Es ist somit möglich, über die gesamten Betriebszustände der Fluggasturbine (flight envelope) den Fan in optimaler Weise zu betreiben. Hieraus ergibt sich auch eine erhebliche Geräuschreduzierung, da unerwünschte Schwingungs- und Strömungszustände vermieden werden.Due to the curvature of the guide track, which serves to support the blade root of the fan blade, a displacement of the fan blades relative to the hub leads to a change in the angle of attack of the fan blade. It has certainly been shown according to the invention that even a slight longitudinal displacement along the guideway leads to an effective adjustment of the fan blades. Thus, it is possible to achieve optimization of the fan with simple means for different flight conditions. By optimizing the pitch of the fan blades, it is possible to eliminate the vibration problems associated with prior art designs. Furthermore, it is possible to make both the fan blades and the hubs easier. This reduces the total weight. It is thus possible to operate the fan in an optimum manner over the entire operating states of the aircraft gas turbine (flight envelope). This also results in a significant noise reduction, since unwanted vibration and flow conditions are avoided.

In besonders günstiger Weiterbildung der Erfindung werden die Fanschaufeln mittels zumindest einer doppelt wirkenden Kolben-Zylinder-Einheit relativ zu der Nabe verschoben. Die Kolben-Zylinder-Einheit kann direkt an der Nabe gelagert werden und durch in der Gasturbine vorhandene Ölversorgungssysteme betätigt werden. Es handelt sich somit um eine einfache, kostengünstige Betätigbarkeit, welche keine erheblichen Modifikationen an der restlichen Fluggasturbine erfordert.In a particularly favorable development of the invention, the fan blades are displaced relative to the hub by means of at least one double-acting piston-cylinder unit. The piston-cylinder unit can be mounted directly on the hub and operated by present in the gas turbine oil supply systems. It is thus a simple, inexpensive operability, which does not require significant modifications to the rest of the aircraft gas turbine.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Kolben-Zylinder-Einheit jeweils mit einem vorderen Arm und einem hinteren Arm zur Anlage an einem vorderen und hinteren Bereich der Fanschaufel versehene ist. Somit werden durch die Kolben-Zylinder-Einheit Druckkräfte auf die Fanschaufel, insbesondere auf deren Schaufelfuß, ausgeübt. Dies führt zu einer betriebssicheren Verstellbarkeit.Furthermore, it is advantageous if the piston-cylinder unit is provided with a front arm and a rear arm for engagement with a front and rear portion of the fan blade. Thus, pressure forces are exerted on the fan blade, in particular on its blade root, by the piston-cylinder unit. This leads to a reliable adjustment.

Weiterhin ist es günstig, wenn die Kontaktbereiche zwischen der Kolben-Zylinder-Einheit und der Fanschaufel Schaufelfuß) sphärisch ausgebildet sind. Hierdurch vereinfacht sich die geometrische Ausgestaltung, da stets eine gute Druckübertragung von der Kolben-Zylinder-Einheit auf den Schaufelfuß gewährleistet ist.Furthermore, it is advantageous if the contact areas between the piston-cylinder unit and the fan blade blade root) are spherical. This simplifies the geometric design, as always a good pressure transfer is ensured by the piston-cylinder unit on the blade root.

Um die zur Verschiebung der Fanschaufeln benötigten Kräfte zu minimieren, kann es besonders günstig sein, wenn die Fanschaufeln mit ihrem Schaufelfuß jeweils mittels Wälzlagerungen an der Nabe gelagert sind. Dabei erweisen sich insbesondere Schlittenführungen mit Wälzlagern als besonders vorteilhaft, so wie sie aus Linearführungssystemen, beispielsweise bei Werkzeugmaschinen, vorbekannt sind. In order to minimize the forces required to move the fan blades, it may be particularly advantageous if the fan blades are each mounted with their blade root on the hub by means of roller bearings. In particular slide guides with rolling bearings prove to be particularly advantageous, as they are already known from linear guide systems, for example in machine tools.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:In the following the invention will be described by means of an embodiment in conjunction with the drawing. Showing:

1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß der vorliegenden Erfindung, 1 a schematic representation of a gas turbine engine according to the present invention,

2 eine perspektivische Teil-Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Nabe eines Fans, 2 1 is a partial perspective sectional view of an embodiment of a hub of a fan according to the invention;

3 eine vergrößerte Schnittansicht analog 2, 3 an enlarged sectional view analog 2 .

4 eine perspektivische Ansicht zur Verdeutlichung der Verschiebebewegungen, und 4 a perspective view to illustrate the displacement movements, and

5 eine perspektivische Teilansicht eines Lagerungsbereichs. 5 a partial perspective view of a storage area.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß der vorliegenden Erfindung. 1 shows a schematic representation of a gas turbine engine according to the present invention.

Das Gasturbinentriebwerk 10 gemäß 1 ist ein Beispiel einer Turbomaschine, bei der die Erfindung Anwendung finden kann. Aus dem Folgenden wird jedoch klar, dass die Erfindung auch bei anderen Turbomaschinen verwendet werden kann. Das Triebwerk 10 ist in herkömmlicher Weise ausgebildet und umfasst in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlass 11, einen in einem Gehäuse umlaufenden Fan 12, einen Zwischendruckkompressor 13, einen Hochdruckkompressor 14, Brennkammern 15, eine Hochdruckturbine 16, eine Zwischendruckturbine 17 und eine Niederdruckturbine 18 sowie eine Abgasdüse 19, die sämtlich um eine zentrale Triebwerksachse 1 angeordnet sind.The gas turbine engine 10 according to 1 is an example of a turbomachine to which the invention may find application. However, it will be understood from the following that the invention can be used with other turbomachinery as well. The engine 10 is formed in a conventional manner and comprises one air inlet in succession in the flow direction 11 , a circulating in a housing fan 12 , an intermediate pressure compressor 13 , a high pressure compressor 14 , Combustion chambers 15 , a high-pressure turbine 16 , an intermediate-pressure turbine 17 and a low-pressure turbine 18 and an exhaust nozzle 19 all around a central engine axis 1 are arranged.

Der Zwischendruckkompressor 13 und der Hochdruckkompressor 14 umfassen jeweils mehrere Stufen, von denen jede eine in Umfangsrichtung verlaufende Anordnung fester stationärer Leitschaufeln 20 aufweist, die allgemein als Statorschaufeln bezeichnet werden und die radial nach innen vom Triebwerksgehäuse 21 in einem ringförmigen Strömungskanal durch die Kompressoren 13, 14 vorstehen. Die Kompressoren weisen weiter eine Anordnung von Kompressorlaufschaufeln 22 auf, die radial nach außen von einer drehbaren Trommel oder Scheibe 26 vorstehen, die mit Naben 27 der Hochdruckturbine 16 bzw. der Zwischendruckturbine 17 gekoppelt sind.The intermediate pressure compressor 13 and the high pressure compressor 14 each comprise a plurality of stages, each of which comprises a circumferentially extending array of fixed stationary vanes 20 commonly referred to as stator blades and radially inward of the engine casing 21 in an annular flow channel through the compressors 13 . 14 protrude. The compressors further include an array of compressor blades 22 on, which is radially outward from a rotatable drum or disc 26 project with hubs 27 the high-pressure turbine 16 or the intermediate-pressure turbine 17 are coupled.

Die Turbinenabschnitte 16, 17, 18 weisen ähnliche Stufen auf, umfassend eine Anordnung von festen Leitschaufeln 23, die radial nach innen vom Gehäuse 21 in den ringförmigen Strömungskanal durch die Turbinen 16, 17, 18 vorstehen, und eine nachfolgende Anordnung von Turbinenschaufeln 24, die nach außen von einer drehbaren Nabe 27 vorstehen. Die Kompressortrommel oder Kompressorscheibe 26 und die darauf angeordneten Schaufeln 22 sowie die Turbinenrotornabe 27 und die darauf angeordneten Turbinenlaufschaufeln 24 drehen sich im Betrieb um die Triebwerksachse 1.The turbine sections 16 . 17 . 18 have similar steps, comprising an array of fixed vanes 23 extending radially inward from the housing 21 into the annular flow channel through the turbines 16 . 17 . 18 project, and a subsequent arrangement of turbine blades 24 facing outward from a rotatable hub 27 protrude. The compressor drum or compressor disk 26 and the blades arranged thereon 22 as well as the turbine rotor hub 27 and the turbine blades disposed thereon 24 rotate around the engine axis during operation 1 ,

Die 2 und 3 zeigen jeweils in Teil-Schnittansicht eine Nabe 29. Diese weist am Umfang verteilt eine Vielzahl von Führungsbahnen 31 auf, welche (siehe 4) bogenförmig gekrümmt sind und sich im Wesentlichen in axialer Richtung, bezogen auf die Triebwerksachse 1, erstrecken.The 2 and 3 each show in partial sectional view of a hub 29 , This has distributed over the circumference a plurality of guideways 31 on which (see 4 ) are arcuately curved and substantially in the axial direction, relative to the engine axis 1 , extend.

An den einzelnen Führungsbahnen 31 sind Fanschaufeln 30 gelagert, welche einen Schaufelfuß 36 aufweisen. Dieser ist im Querschnitt konturiert und passend zum Querschnitt der Führungsbahn 31 ausgebildet, so dass der Schaufelfuß 36 in die Führungsbahn 31 einschiebbar ist.At the individual guideways 31 are fan blades 30 stored, which has a blade foot 36 exhibit. This is contoured in cross section and matching the cross section of the guideway 31 formed so that the blade foot 36 in the guideway 31 is insertable.

Erfindungsgemäß ist eine doppelt wirkende Kolben-Zylinder-Einheit 32 vorgesehen, welche einen vorderen Kolben 37 und einen hinteren Kolben 38 umfasst. Diese werden über Hydraulikkanäle 39 und 40 (3) mit Hydraulikfluid versorgt. Insbesondere aus der Darstellung der 3 ergibt sich, dass eine Druckbeaufschlagung einer vorderen Arbeitskammer 41 bzw. einer hinteren Arbeitskammer 42 zu einer Verschiebung der Doppelkolbenkonstruktion führt (die beiden Kolben 37 und 38 sind fest miteinander verbunden).According to the invention is a double-acting piston-cylinder unit 32 provided, which has a front piston 37 and a rear piston 38 includes. These are via hydraulic channels 39 and 40 ( 3 ) supplied with hydraulic fluid. In particular from the representation of 3 it follows that a pressurization of a front working chamber 41 or a rear working chamber 42 leads to a shift of the double piston construction (the two pistons 37 and 38 are firmly connected).

Die Kolben-Zylinder-Einheit 32 umfasst weiterhin einen vorderen Arm 33 sowie einen hinteren Arm 34, welche U-förmig geboten sind und sich in Anlage an dem Schaufelfuß 36 befinden. Dabei liegt jeweils ein sphärischer Kontakt 43 vor, welcher beispielsweise durch eine teilkugelartige Oberfläche gebildet wird.The piston-cylinder unit 32 also includes a front arm 33 and a back arm 34 , which are offered U-shaped and in contact with the blade foot 36 are located. In each case there is a spherical contact 43 which is formed, for example, by a part-spherical surface.

Die 4 zeigt durch die gepunktete Linie die Bewegungsrichtung des Schaufelfußes 36 bzw. der Fanschaufel 30 längs der Führungsbahn 31. Hierbei ist ersichtlich, dass durch die bogenförmige Gestaltung der Führungsbahn 31 sich bei der Verschiebung der Fanschaufel 30 der Anstellwinkel ändert. Beispielsweise ergibt sich bei einer Verschiebung um 20 mm eine Änderung des Anstellwinkels um 5°.The 4 shows by the dotted line the direction of movement of the blade root 36 or the fan blade 30 along the guideway 31 , It can be seen that by the arcuate design of the guideway 31 during the shift of the fan blade 30 the angle of attack changes. For example, a displacement of 20 mm results in a change in the angle of attack of 5 °.

Die 5 zeigt in schematischer Weise eine Wälzlagerung 35, welche ähnlich einer Schlittenführung ausgebildet ist und eine Vielzahl von in einem Käfigelement aufgenommenen Wälzlagerelementen umfasst. Hierdurch ergibt sich eine erhebliche Reibungsverminderung, welche in geringeren Feststellkräften resultiert.The 5 schematically shows a rolling bearing 35 , which is similar to a carriage guide and includes a plurality of received in a cage member rolling bearing elements. This results in a considerable reduction in friction, which results in lower locking forces.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
TriebwerksachseEngine axis
1010
GasturbinentriebwerkGas turbine engine
1111
Lufteinlassair intake
1212
im Gehäuse umlaufender Fanin the housing revolving fan
1313
ZwischendruckkompressorIntermediate pressure compressor
1414
HochdruckkompressorHigh pressure compressor
1515
Brennkammerncombustors
1616
HochdruckturbineHigh-pressure turbine
1717
ZwischendruckturbineIntermediate pressure turbine
1818
NiederdruckturbineLow-pressure turbine
1919
Abgasdüseexhaust nozzle
2020
Leitschaufelnvanes
2121
TriebwerksgehäuseEngine casing
2222
KompressorlaufschaufelnCompressor blades
2323
Leitschaufelnvanes
2424
Turbinenschaufelnturbine blades
2626
Kompressortrommel oder -scheibeCompressor drum or disc
2727
TurbinenrotornabeTurbinenrotornabe
2828
Auslasskonusoutlet cone
2929
Nabehub
3030
Fanschaufelfan blade
3131
Führungsbahnguideway
3232
KolbenzylinderPiston Cylinder
3333
Vorderer ArmFront arm
3434
Hinterer ArmBack arm
3535
Wälzlager/SchlittenführungRolling bearings / carriage guide
3636
Schaufelfußblade
3737
Vorderer KolbenFront piston
3838
Hinterer KolbenRear piston
3939
Hydraulikkanalhydraulic channel
4040
Hydraulikkanalhydraulic channel
4141
Vordere ArbeitskammerFront working chamber
4242
Hintere ArbeitskammerRear working chamber
4343
Sphärischer KontaktSpherical contact
4444
Anströmkonus (nose cone)Nose cone

Claims (5)

Fluggasturbine mit einem Fan (12) im Einströmbereich der Fluggasturbine, wobei der Fan (12) eine Nabe (29) aufweist, an der mehrere Fanschaufeln (30) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass am Außenumfang der Nabe (29) Führungsbahnen (31) ausgebildet sind, welche sich im Wesentlichen in axialer Richtung, bezogen auf Triebwerksachse (1), erstrecken und eine Krümmung aufweisen, wobei jede Fanschaufel (30) mittels ihres Schaufelfußes (36) an einer Führungsbahn (31) gelagert ist und längs der gekrümmten Führungsbahn (31) verschiebbar ist.Aircraft gas turbine with a fan ( 12 ) in the inflow region of the aircraft gas turbine, wherein the fan ( 12 ) a hub ( 29 ), at the plurality of fan blades ( 30 ) Are arranged, characterized in that (at the outer periphery of the hub 29 ) Guideways ( 31 ) are formed, which are substantially in the axial direction, relative to the engine axis ( 1 ), and have a curvature, each fan blade ( 30 ) by means of her blade foot ( 36 ) on a guideway ( 31 ) and along the curved guideway ( 31 ) is displaceable. Fluggasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fanschaufeln (30) mittels zumindest einer doppelt wirkenden Kolben-Zylinder-Einheit (32) verschiebbar sind.Aircraft gas turbine according to claim 1, characterized in that the fan blades ( 30 ) by means of at least one double-acting piston-cylinder unit ( 32 ) are displaceable. Fluggasturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben-Zylinder-Einheit (32) jeweils einen vorderen Arm (33) und einen hinteren Arm (34) zur Anlage an einen vorderen und einen hinteren Bereich der Fanschaufel (30) oder einen Schaufelfuß (36) umfasst.Aircraft gas turbine according to claim 2, characterized in that the piston-cylinder unit ( 32 ) each have a front arm ( 33 ) and a rear arm ( 34 ) for engagement with a front and a rear portion of the fan blade ( 30 ) or a blade root ( 36 ). Fluggasturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbereiche zwischen dem vorderen Arm (33) und dem hinteren Arm (34) und der Fanschaufel (30) jeweils sphärisch ausgebildet sind.Aircraft gas turbine according to claim 3, characterized in that the contact areas between the front arm ( 33 ) and the rear arm ( 34 ) and the fan blade ( 30 ) are each spherically formed. Fluggasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fanschaufeln (30) mit ihren Schaufelfüßen (36) jeweils mittels Wälzlagerungen (35), insbesondere einer Schlittenführung mit Wälzlagern an der Nabe (29) gelagert sind.Aircraft gas turbine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the fan blades ( 30 ) with their shovel feet ( 36 ) each by means of rolling bearings ( 35 ), in particular a slide guide with rolling bearings on the hub ( 29 ) are stored.
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