DE102011102359B4

DE102011102359B4 - Fluggasturbine mit justierbarem Fan

Info

Publication number: DE102011102359B4
Application number: DE102011102359.7A
Authority: DE
Inventors: Predrag Todorovic
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2011-05-24
Filing date: 2011-05-24
Publication date: 2014-01-23
Anticipated expiration: 2031-05-25
Also published as: DE102011102359A1

Abstract

Fluggasturbine mit einem Fan (12) im Einströmbereich der Fluggasturbine, wobei der Fan (12) eine Nabe (29) aufweist, an der mehrere Fanschaufeln (30) angeordnet sind, wobei am Außenumfang der Nabe (29) Führungsbahnen (31) ausgebildet sind, welche sich im Wesentlichen in axialer Richtung, bezogen auf eine Triebwerksachse (1), erstrecken und eine Krümmung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass jede Fanschaufel (30) mittels ihres Schaufelfußes (36) an einer Führungsbahn (31) gelagert ist und längs der gekrümmten Führungsbahn (31) zur Optimierung des Fans für unterschiedliche Flugbedingungen während des Flugbetriebs verschiebbar ist.

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.
Der Fan einer Fluggasturbine bildet einen ersten Verdichterbereich, durch welchen einströmende Luft verdichtet wird, welche nachfolgend einem Kerntriebwerk und einem Nebenstromkanal zugeführt wird.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktionen sind die Blätter des Fans für einen bestimmten Triebwerkszustand (flight mode) optimiert (Anstellwinkel/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.
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.
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.
Die US 2003/0194319 A1 offenbart eine Fluggasturbine mit einem Fan, wobei der Fan eine Nabe aufweist, an der mehrere Fan-Schaufeln angeordnet sind. Zur Optimierung der Kraftübertragung im Lagerungsbereich der Fan-Schaufeln an der Nabe weist die Nabe an ihrem Außenumfang mehrere Schlitze auf, welche sich im Wesentlichen in axialer Richtung erstrecken und gekrümmt sind. Die jeweilige Fan-Schaufel ist in den jeweiligen Schlitz eingesetzt und dort befestigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fluggasturbine mit einem Fan zu schaffen, bei welcher unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik eine Optimierung der Strömungsverhältnisse des Fans möglich ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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.
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 sich 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.
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.
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 versehen ist. Somit werden durch die Kolben-Zylinder-Einheit Druckkräfte auf die Fanschaufel, insbesondere auf deren Schaufelfuß, ausgeübt. Dies führt zu einer betriebssicheren Verstellbarkeit.
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.
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.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 eine perspektivische Teil-Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Nabe eines Fans,
3 eine vergrößerte Schnittansicht analog 2,
4 eine perspektivische Ansicht zur Verdeutlichung der Verschiebebewegungen, und
5 eine perspektivische Teilansicht eines Lagerungsbereichs.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß der vorliegenden Erfindung.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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°.
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.
Bezugszeichenliste

1: Triebwerksachse
10: Gasturbinentriebwerk
11: Lufteinlass
12: im Gehäuse umlaufender Fan
13: Zwischendruckkompressor
14: Hochdruckkompressor
15: Brennkammern
16: Hochdruckturbine
17: Zwischendruckturbine
18: Niederdruckturbine
19: Abgasdüse
20: Leitschaufeln
21: Triebwerksgehäuse
22: Kompressorlaufschaufeln
23: Leitschaufeln
24: Turbinenschaufeln
26: Kompressortrommel oder -scheibe
27: Turbinenrotornabe
28: Auslasskonus
29: Nabe
30: Fanschaufel
31: Führungsbahn
32: Kolbenzylinder
33: Vorderer Arm
34: Hinterer Arm
35: Wälzlager/Schlittenführung
36: Schaufelfuß
37: Vorderer Kolben
38: Hinterer Kolben
39: Hydraulikkanal
40: Hydraulikkanal
41: Vordere Arbeitskammer
42: Hintere Arbeitskammer
43: Sphärischer Kontakt
44: Anströmkonus (nose cone)

Claims

Fluggasturbine mit einem Fan (12) im Einströmbereich der Fluggasturbine, wobei der Fan (12) eine Nabe (29) aufweist, an der mehrere Fanschaufeln (30) angeordnet sind, wobei am Außenumfang der Nabe (29) Führungsbahnen (31) ausgebildet sind, welche sich im Wesentlichen in axialer Richtung, bezogen auf eine Triebwerksachse (1), erstrecken und eine Krümmung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass jede Fanschaufel (30) mittels ihres Schaufelfußes (36) an einer Führungsbahn (31) gelagert ist und längs der gekrümmten Führungsbahn (31) zur Optimierung des Fans für unterschiedliche Flugbedingungen während des Flugbetriebs verschiebbar ist.
Fluggasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fanschaufeln (30) mittels zumindest einer doppelt wirkenden Kolben-Zylinder-Einheit (32) verschiebbar sind.
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.
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.
Fluggasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fanschaufeln (30) mit ihren Schaufelfüßen (36) jeweils mittels Wälzlagerungen (35) an der Nabe (29) gelagert sind.
Fluggasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fanschaufeln (30) mit ihren Schaufelfüßen (36) jeweils mittels einer Schlittenführung mit Wälzlagern an der Nabe (29) gelagert sind.