DE102014215693B4

DE102014215693B4 - Belastungsangepasstes Triebwerkzwischengehäuse in Verbundbauweise und modulares System für ein Triebwerkzwischengehäuse

Info

Publication number: DE102014215693B4
Application number: DE102014215693.9A
Authority: DE
Inventors: Werner Hufenbach; Albert Langkamp; Sebastian Spitzer; Moritz Kuhtz; Alexander Herbig; André Kießling
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2014-08-07
Filing date: 2014-08-07
Publication date: 2017-11-16
Anticipated expiration: 2034-08-08
Also published as: DE102014215693A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Triebwerkzwischengehäuse mit einem belastungsangepassten Aufbau in Verbundbauweise, wobei Geometrie und Substruktur des Gesamtbauteils an die zu erwartenden Belastungen im Triebwerkzwischengehäuse angepasst sind. Hierzu weist das Triebwerkzwischengehäuse mindestens zwei konzentrische, in axialer Richtung ausgedehnte und in radialer Richtung beabstandete Kreisringe und eine Vielzahl in axialer Richtung längserstreckter Stege aus Faserverbundwerkstoff auf, wobei letztere jeweils zwei Kreisringe zumindest über einen Teil von deren axialer Ausdehnung verbinden. Zumindest ein Teil der Stege ist in Verbindungsrichtung um einen ebenen Verkippungswinkel α zur radialen Richtung der Kreisringe verkippt und weist einen flächigen Lagenaufbau aus mindestens zwei Lagen Faserverbundmaterial aufweisen, wobei sich die Faserorientierung in den einzelnen Lagen voneinander unterscheidet und an die sich aus der Verkippung zur radialen Richtung ergebenden Belastungssituation des jeweiligen Stegs angepasst ist. Weiterhin Gegenstand der Erfindung ist ein modulares System für ein solches Triebwerkzwischengehäuse, bevorzugt als lokal und global in Verbundbauweise ausgeführte Bauteilgruppe.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Triebwerkzwischengehäuse mit einem belastungsangepassten Aufbau in Verbundbauweise, wobei Geometrie und Substruktur des Gesamtbauteils an die zu erwartenden Belastungen im Triebwerkzwischengehäuse angepasst sind. Weiterhin Gegenstand der Erfindung ist ein modulares System für ein solches Triebwerkzwischengehäuse, bevorzugt als lokal und global in Verbundbauweise ausgeführte Bauteilgruppe.
In der Luftfahrt, vor allem im Bereich der zivilen Luftfahrt, hat sich das Turbofan- oder Zweistromstrahltriebwerk als gängiges Antriebsmittel durchgesetzt. In der Regel werden Zwei- und Drei-Schaft-Turbofantriebwerke verwendet, die – abgesehen von der Struktur des Kerntriebwerks – einen gemeinsamen Grundaufbau teilen. Dabei enthält das Zwei- oder Drei-Schaft-Kerntriebwerk ein oder mehrere Verdichter- sowie Turbinenstufen und ist von einem Kerntriebwerkgehäuse umgeben. Ein Fan-Gehäuse, welches den luvseitig am Triebwerk angeordneten Turbofan umschließt, und ein leeseitig von diesem angeordnetes Triebwerkaußengehäuse begrenzen gemeinsam mit dem innenliegenden Kerntriebwerkgehäuse einen Mantelstromkanal.
Fan-Gehäuse und Triebwerkaußengehäuse sind über ein Zwischengehäuse miteinander verbunden und/oder an diesem gelagert, wobei das Zwischengehäuse auch als Lufteinlass für den vom Turbofan kommenden Luftstrom dient. Vom Zwischengehäuse wird dieser Luftstrom in zwei konzentrische Strömungskanäle geleitet und so in Kern- und Mantelstrom unterteilt. Der Kernstrom wird durch die Verdichterstufen in den Brennraum des Kerntriebwerks geleitet, von wo heiße Verbrennungsgase durch die Turbinenstufen und einen zentralen Turbinenaußlass ausströmen. Die Turbinenstufen treiben den Turbofan an, der einen Großteil der angesaugten Luft in den Mantelstrom transportiert. Zum Anschluss an Kerntriebwerk und Triebwerkaußen- bzw. Fan-Gehäuse weist das Zwischengehäuse mindestens zwei konzentrisch ringförmige Zylindersegmente auf, die über radial orientierte Streben miteinander verbunden sind. Diese radialen Streben dienen in erster Linie der Versteifung des Zwischengehäuses. Der radial innenliegende Ring stellt die Lagerbuchse der Hauptantriebswelle dar und lagert zusätzlich das Kerntriebwerk. Der Außenring dient, gemeinsam mit einem Rear-Mount-Ring, der Verbindung des Triebwerks mit einem Flugzeugrumpf.
Bislang werden vor allem Gießprozesse und isotrope Werkstoffe, bspw. Magnesium, zur Herstellung von monolithischen Triebwerkzwischengehäusen verwendet. Aufgrund der komplexen Geometrie gängiger Zwischengehäuse sind diese Herstellungsverfahren aufwändig und teuer und die erzeugten Bauteile, bspw. aufgrund anisotroper Abkühlung in den viezähligen Fließkanälen verwendeter Gussformen, anfällig für strukturelle Schwachstellen. Die hiermit verbundenen hohen Ausschussquoten bei der Fertigung stehen einer adaptiv beanspruchungsgerechten Ausgestaltung der – auf lange Nutzungdauer ausgelegten – Bauteile entgegen.
Insbesondere zur Anbindung von Krafteinleitungselementen, aber auch zur Verbindung der radial angeordneten Streben mit den Zylindersegmenten, werden zusätzlich Schweißverfahren eingesetzt. So beschreibt die US 2013/0058778 A1 ein metallisches Zwischengehäuse, aufweisend ein jeweils ringförmiges Außen- und Innengehäuse, die durch radiale Streben miteinander verbunden sind. Die Streben sind dabei abschnittsweise als hohlförmige Luftleitbleche ausgeformt und besitzen an ihrem äußeren Ende eine kreisförmig ausgedehnte Aufstandsfläche, die in eine korrespondierende Öffnung des Außengehäuses eingepasst und mit diesem verschweißt wird.
Eine rein metallische Ausführung des Zwischengehäuses ist insbesondere hinsichtlich des Bauteilgewichts nachteilig. Zur Verringerung des Triebwerkgewichts schlägt die DE 10 2010 001 059 A1 daher eine Reduktion der Strebenanzahl vor, wobei bei einem Zwischengehäuse mit drei konzentrischen Ringen, zumindest die Anzahl der die zwei äußeren Ringe verbindenden Streben reduziert wird. Bei unveränderter geometrischer Ausgestaltung des Zwischengehäuses führt die Reduktion der Strebenanzahl jedoch zwangsläufig zu einer Verminderung der Bauteilsteifigkeit, insbesondere unter Torsionsbelastung.
Zur Reduktion des Triebwerkgewichts ist es weiterhin bekannt, die radialen Verbindungsstreben aerodynamisch so auszugestalten, dass der Drall im Mantelstrom reduziert und somit dessen Axialkomponente erhöht wird. Somit kann auf zusätzliche, im Mantelstrom angeordnete Leitschaufeln verzichtet und Gewicht eingespart werden. Hierzu werden metallische Verbindungsstreben selbst als Luftleitbleche ausgebildet ( US 2013/0058778 A1 ) oder mit entsprechend geformten Verschalungen aus Faserverbundmaterialien umhüllt ( WO 2010/122053 A ).
Um durch den Verzicht auf die Verbindungsmittel zwischen den metallischen Streben und den Faserverbundverschalungen weiter Gewicht einzusparen, schlägt die US 2013/0202424 A1 einen Aufbau des Zwischengehäuses in Verbundbauweise vor. Dabei weist das Zwischengehäuse ein erstes Kreissegment auf, in dem das Innen- und das Außenringsegment sowie die dazwischen angeordneten Verbindungsstreben einteilig aus Faserverbundwerkstoff aufgebaut sind. Das erste Kreissegment wird durch ein zweites Kreissegment, in dem das Innen- und das Außenringsegment sowie die dazwischen angeordneten Verbindungsstreben einteilig aus Metall aufgebaut sind, zu einem Vollkreis ergänzt. Während die Verbindungsstreben im ersten Kreissegment lediglich als Luftleitbleche wirken, wird durch die Streben des zweiten Kreissegments auch Last übertragen. Allein aus geometrischen Gründen ist eine sichere und isotrope Kraftaufnahme, insbesondere unter Torsionsbelastung, durch ein solches Zwischengehäuse nicht zu gewährleisten. Zudem stellen die Verbindungsstellen zwischen dem ersten und zweiten Kreissegment strukturelle Schwachstellen dar.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Zwischengehäuse in Verbundbauweise vorzuschlagen, das bei reduziertem Gesamtgewicht eine hohe Bauteilsteifigkeit, insbesondere unter Torsionbelastungen, gewährleistet. Weiterhin sollen die Bauteilkosten reduziert werden, indem die Ausschussquote der Herstellung reduziert und eine einfache Wartung gewährleistet wird.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein belastungsangepasstes Zwischengehäuse in Verbundbauweise gemäß Anspruch 1 sowie durch ein modulares System für ein Triebwerkzwischengehäuse gemäß Anspruch 8. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils rückbezogenen Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein belastungsangepasstes Triebwerkzwischengehäuse in Verbundbauweise, aufweisend

a) mindestens zwei konzentrische, in axialer Richtung ausgedehnte und in radialer Richtung beabstandete Kreisringe,
b) eine Vielzahl in axialer Richtung längserstreckter Stege aus Faserverbundwerkstoff,
c) die jeweils zwei Kreisringe zumindest über einen Teil von deren axialer Ausdehnung verbinden,

d) um einen ebenen Verkippungswinkel α zur radialen Richtung der Kreisringe verkippt ist und
e) einen flächigen Lagenaufbau aus mindestens zwei Lagen Faserverbundmaterial aufweist, wobei
i. sich die Faserorientierung in den einzelnen Lagen voneinander unterscheidet und
ii. an die sich aus der Verkippung zur radialen Richtung ergebende Belastungssituation des jeweiligen Stegs angepasst ist.

Das erfindungsgemäße Triebwerkzwischengehäuse weist mindestens zwei, ebenfalls bevorzugt drei oder mehr, konzentrische Kreisringe auf, die in axialer Richtung eine Ausdehnung aufweisen und in radialer Richtung beabstandet sind. Die axiale Ausdehnung ist dabei derart, dass die Kreisringe als Zylindersegmente ausgeformt sind, deren Verhältnis von Durchmesser zu axialer Ausdehung (die Ausdehnung entlang der Rotationssymmetrieachse der konzentrischen Kreisringe) größer 10:1, bevorzugt größer 100:1 und besonders bevorzugt von 500:1 beträgt.
Die Kreisringe sind bevorzugt aus Metall, besonders bevorzugt aus Magnesium, Aluminium, Titan, Stahl oder Legierungen der vorgenannten Metalle gebildet. Ebenfalls bevorzugt weist mindestens einer der Kreisringe mindestens eine Lage aus Faserverbundmaterial auf und/oder ist vollständig aus Faserverbundwerkstoff gebildet. Bevorzugt weist mindestens einer der Kreisringe einen Mehrschichtaufbau mit mindestens einer Schicht Faserverbundmaterial auf. Zumindest in der Ausführung aus Faserverbundwerkstoff weist mindestens ein Kreisring ein Durchmesser-zu-Wandstärken-Verhältnis von 100:20, bevorzugt von 100:10 und besonders bevorzugt von 100:5 auf. Ebenfalls bevorzugt sind die Kreisringe aus einer Mischung von Metall und Faserverbundwerkstoff aufgebaut, bspw. indem an einem Außenring aus Faserverbundwerkstoff metallische Lasteinleitungselemente angeordnet sind.
Die variable Ausführung der Kreisringe aus einem, an die zu erwartenden Belastungen angepassten Material oder Materialmix, ermöglicht eine hohe Stabilität und Steifigkeit des Triebwerkzwischengehäuses bei gleichzeitig geringem Fertigungsaufwand. Rein metallische Kreisringe sind aufgrund ihrer simplen Geometrie mit geringsten Ausschussquoten in gängigen Gießprozessen herstellbar. Kreisringe aus Faserverbundwerkstoffen lassen sich auf bekannte Weise, bspw. durch Überflechten, Umwickeln oder andere Formen der Faserablage auf einem zylindrischen Kernmaterial, erzeugen.
Die Kreisringe des erfindungsgemäßen Triebwerkzwischengehäuses sind über eine Vielzahl von in axialer Richtung längserstreckten Stegen miteinander verbunden, wobei axiale Längserstreckung nicht zwangsläufig eine rein axiale Orientierung bedeutet. Jeder Steg verbindet jeweils zwei Kreisringe zumindest über einen Teil von deren axialer Ausdehnung miteinander. Die Stege sind somit auch entlang der Richtung dieser Verbindung zweier Kreisringe, der Verbindungsrichtung, ausgedehnt und besitzen einen flächigen Aufbau mit der kürzesten Ausdehnung in Umfangsrichtung. Die Stege bestehen, zumindest teilweise, aus in einem duro- oder thermoplastischen Matrixmaterial eingebetteten Verstärkungsfasern. Bei den Verstärkungsfasern handelt es sich bevorzugt um Kohlenstoff-, Glas-, oder Aramidfasern. Besonders bevorzugt handelt es sich um Langfaser- bzw. Endlosfaserverstärktes Faserverbundmaterial. Die Anzahl der Stege beträgt mindestens drei, bevorzugt mindestens vier und besonders bevorzugt mindestens fünf, ebenfalls bevorzugt auch deutlich mehr.
Erfindungsgemäß ist zumindest ein Teil der Stege nicht in radialer Richtung der konzentrischen Kreisringe orientiert, sondern um einen ebenen Verkippungswinkel α zur radialen Richtung der Kreisringe verkippt. Ebener Verkippungswinkel α meint dabei, dass die Stege im Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung der Kreisringe einen Winkel mit der radialen Richtung der Kreisringe einschließen. Je größer dieser von einem Steg und der radialen Richtung eingeschlossene Verkippungswinkel α ist, desto mehr aus einer Verdrehung der Kreisringe zueinander resultierende Torsions(scher)kräfte kann dieser Steg als Schub- bzw. Zugkraft aufnehmen. Um ein Abknicken der Streben bei Verdrehung der Kreisringe zu vermeiden, beträgt der Verkippungswinkel α zwischen 10° und 55°, bevorzugt zwischen 20° und 45° und besonders bevorzugt zwischen 30° und 45°. Dies gewährleistet vorteilhaft eine höhere Bauteilsteifigkeit, insbesondere unter Torsionbelastungen. Somit ist das Triebwerkzwischengehäuse, bspw. im Lastfall eines sich ablösenden Schaufelblatts des Turbo-Fans und dessen Einschlag in das Fan-Gehäuse, global gegen eine drohende Verdrehung der Kreisringe zueinander ausgesteift.
Erfindungsgemäß weisen die Stege einen flächigen Lagenaufbau aus mindestens zwei Lagen Faserverbundmaterial auf, wobei die Lagen der Stege in Umfangsrichtung, somit quer zur axialen und radialen Richtung, aufeinander folgen. Erfindungsgemäß weisen die Fasern in den Lagen unterschiedliche Orientierungen auf und sind somit an die sich aus der Verkippung zur radialen Richtung ergebenden Belastungssituation des jeweiligen Stegs angepasst. Dabei sind die Faserorientierungen der einzelnen Lagen an die aufgrund der Verkippung im jeweiligen Steg zu erwartenden Hauptspannungen angepasst.
Das erfindungsgemäße Triebwerkzwischengehäuse ist somit global und lokal gegenüber Torsionbelastungen verwindungssteif ausgebildet, wobei die Verkippung der Stege zur radialen Richtung der Kreisringe eine globale und die Anpassung der Faserorientierung in den Faserlagen eine lokale Versteifung des Bauteilgruppe bewirkt. Das Triebwerkzwischengehäuse ist darüber hinaus global und lokal in Verbundbauweise ausgeführt, wobei die Verbindung der bevorzugt metallischen Kreisringe mit Faserverbundstegen zur globalen und der Lagenaufbau der Stege selbst zur lokalen Verbundbauweise beiträgt. Die Verbundbauweise trägt vorteilhaft zur Gesamtsteifigkeit und zum Leichtbaupotential der Bauteilgruppe bei und bewirkt darüber hinaus eine Unterbechung der Wärmeleitung, was thermische Spannungen im Bauteil deutlich reduziert. Der modulare Aufbau senkt den Fertigungsaufwand und die Fertigungskosten der Einzelteile beträchtlich und senkt das Fertigungsrisiko und die Ausschussquote. Durch das modulare Konzept ist die Bauweise zudem wartungsfreundlich, da beschädigte Teile leicht austauschbar sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Triebwerkzwischengehäuses schließen zwei in Umfangsrichtung benachbarte Stege miteinander einen Öffnungswinkel β (β = 2α) ein, der von einer radial orientierten Geraden symmetrisch geteilt wird. Die Steifigkeit des Bauteils ist somit gegenüber Relativerdrehungen der Kreisringe mit beliebigem Vorzeichen bzw. unter wechselseitigen Torsionbelastungen homogen. Weiterhin vorteilhaft ist in einem, aus Stegmodulen mit mindestens zwei derart angeordneten Stegen, modular aufgebauten Triebwerkzwischengehäuse, die Zahl der Befestigungsflansche pro Steg gering und die Bauteilgruppe besonders einfach montierbar. Mittels Variation der Öffnungswinkel β (β = 2α) der Stege zueinander ist ein Triebwerkzwischengehäuse gegenüber Torsionbelastungen hochsteif ausbildbar.
Weiterhin bevorzugt weist zumindest ein Teil der Stege mindestens eine Faserlage mit, zumindest annähernd, parallel zur Verbindungsrichtung orientierten Fasern (0°-Lage), mindestens eine Faserlage mit, zumindest annähernd, in 45° zur Verbindungsrichtung orientierten Fasern und mindestens eine Faserlage mit, zumindest annähernd, in 30° zur Verbindungsrichtung orientierten Fasern auf. Diese mindestens drei Faserlagen folgen in Umfangsrichtung, also quer zur axialen und quer zur radialen Richtung, aufeinander. Die Lage mit zumindest annähernd in Verbindungsrichtung orientierten Fasern (0°-Lage) dient zur Übertragung der von einem verkippten Steg als Schub- oder Zugkraft aufgenommenen Scherkraft, resultierend aus der Verdrehung der Kreisringe zueinander. Durch die 0°-Lage ist der Steg somit lokal gegen eine drohende Verdrehung der Kreisringe zueinander ausgesteift. Die Lage mit, zumindest annähernd, in 45° zur Verbindungsrichtung orientierten Fasern trägt zur Elastizität des Stegs in Verbindungsrichtung und zu dessen Integrität in einer Vielzahl von Lastfällen bei. Somit wird die Sprödigkeit des Stegs reduziert und dessen Versteifung bspw. gegen Verdrillung erhöht. Die Lage mit, zumindest annähernd, in 30° zur Verbindungsrichtung orientierten Fasern dient als Kopplungslage zwischen der 0° und 45°-Lage. Somit werden die an Grenzflächen von Faserlagen unterschiedlicher Faserorientierung auftretenden Lastspitzen und/oder Abgleitungen der Lagen aneinander verhindert.
Bevorzugt weist zumindest ein Teil der Stege des Triebwerkzwischengehäuses zumindest teilweise eine Umhüllung mit mehr als 60° zur Verbindungsrichtung orientierten Fasern auf. Mit diesen, besonders bevorzugt zwischen 60° und 90° zur Verbindungsrichtung orientierten Fasern wird einem lokalen Versagen einzelner Fasern bzw. Faserriss oder -bruch unter Biegebelastung der Stege entgegengewirkt. Die größte Stabilisierungswirkung ist dabei mit 90° zur Verbindungsrichtung orientierten umhüllenden Fasern erzielbar. Diese sind jedoch, insbesondere flechttechnisch, nur unter großem Aufwand oder gar nicht ablegbar, weswegen aus Praktikabilitätserwägungen auf geringer zur Verbindungsrichtung geneigte Fasern zurückgegriffen wird.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform sind die Stege als Strömungsgleichrichter ausgebildet. Somit soll insbesondere der vom Turbofan verursachte Drall des Mantelstroms reduziert und somit dessen Axialströmungskomponente erhöht werden. Besonders bevorzugt weisen die Stege dazu entlang ihrer axialen Ausdehnung einen geringen Versatz in Umfangsrichtung auf. Der Richtungssinn des Versatzes in Strömungsrichtung ist dabei entgegengesetzt zu dem der Rotation des Turbo-Fans. Ebenfalls bevorzugt weisen die Stege zusätzlich einen konvexen, konkaven oder konvex-konkaven Verlauf zur Strömungsoptimierung und/oder die konzentrischen Kreisringe eine luvseitig der Verbindungsstege aufgeweitete Kontur der Kreisringe zum Ausgleich des Staudrucks auf. Zusätzlich weisen die Stege aus Faserverbundwerkstoff bevorzugt eine an den luvseitigen Kanten aufgesetzte Stahlhaube zur Verbesserung der Strömungsführung und der Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegen thermische Lasten, wie Feuer, oder mechanische Lasten, wie Abrasion, auf.
Weiterhin bevorzugt ist ein Triebwerkzwischengehäuse, bei dem drei konzentrische, in axialer Richtung ausgedehnte Kreisringe in erfindungsgemäßer Art über Stege aus Faserverbundmaterial oder aus einer Materialmischung aus Metall und Faserverbundwerkstoff miteinander verbunden sind. Der radial innere Kreisring aus Faserverbundwerkstoff lagert die Hauptantriebswelle des Triebwerks, ist somit innerhalb des Kerntriebwerks angeordnet und trägt dieses auch zum Teil. Über erfindungsgemäße Stege, die neben der Lastübertragung auch der Strömungsoptimierung des Kernstroms dienen, ist der innere Kreisring mit einem mittleren, metallischen Kreisring verbunden. Dieser geht in das Kerntriebwerksgehäuse über und bildet somit einen Teil der äußeren Strömungsführung des Kernstroms bzw. der inneren Strömungsführung des Mantelstroms. Über weitere erfindungsgemäße Stege aus Faserverbundwerkstoff oder aus einer Materialmischung aus Metall und Faserverbundwerkstoff, die der Lastübertragung sowie der Strömungsoptimierung des Mantelstroms dienen, ist der mittlere Kreisring mit einem radial äußeren Kreisring aus Faserverbundwerkstoff verbunden. Dieser dient der Lagerung von Fan-Gehäuse und/oder Triebwerkaußengehäuse oder ist ein integraler Bestandteil mindestens eines dieser Außengehäuseteile und begrenzt somit als äußere Strömungsführung den Mantelstromkanal. In einer Ausführungsform weist der äußere Kreisring weiterhin bevorzugt metallische Anschlusselemente zur Verbindung mit einem Flugzeugrumpf auf.
Die Stege sind bevorzugt mittels, an ihren – in Verbindungsrichtung jeweils innen- und außenliegenden – Körperkanten befindlichen, Befestigungsflanschen mit jeweils einem Kreisring verbunden. Dabei ist jeweils ein Befestigungsflansch jedes Steges als formideales Gegenstück zu einem Segment jeweils eines Kreisrings ausgeformt und an diesem montierbar. Besonders bevorzugt weisen die Kreisringe Aussparungen bzw. Vertiefungen auf, in welche die Befestigungsflansche eingepasst sind, die dadurch lokal formschlüssig mit der Oberfläche der Kreisringe abschließen. Weiterhin bevorzugt erfolgt ein globaler Formschluss zwischen den Befestigungsflanschen und den sich entlang der axialen Richtung verjüngenden oder aufweitenden Kreisringe. Aufgrund der ausgeprägten konkaven oder konvexen Strömungsform der Kreisringe muss somit eine bestimmte Montagereihenfolge eingehalten werden. Eine zusätzliche lokale Verbindung der, bevorzugt eingepassten, Befestigungsflansche mit den Kreisringen erfolgt vorzugsweise form- und/oder kraftschlüssig, bspw. durch zusätzliche Befestigungsmittel, wie bspw. Pass-Bolzen, Schrauben, Pins oder Ähnliches. Eine weiterhin bevorzugte, zusätzliche stoffschlüssige Verbindung wird vorzugsweise durch Aninfiltration und/oder Einkleben der Befestigungsflansche in die Kreisringe erzielt.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein modulares System für ein belastungsangepasstes Triebwerkzwischengehäuse, umfassend

a) mindestens zwei konzentrisch beabstandete, in axialer Richtung ausgedehnte Kreisringe,
b) eine Vielzahl flächig ausgedehnter Stege aus Faserverbundwerkstoff mit zwei, an sich gegenüberliegenden Körperkanten angeordneten Befestigungsflanschen,

c) jeweils ein Befestigungsflansch jedes Steges als formideales Gegenstück zu einem Segment jeweils eines Kreisrings ausgeformt und an diesem montierbar ist und
d) jeweils zwei Kreisringe über eine Vielzahl von Stegen torsionssteif und radial beabstandet verbindbar sind.

Das erfindungsgemäße modulare System für ein belastungsangepasstes Triebwerkzwischengehäuse weist mindestens zwei, ebenfalls bevorzugt drei oder mehr, konzentrische Kreisringe auf, die in axialer Richtung eine Ausdehnung aufweisen. Die axiale Ausdehnung ist dabei derart, dass die Kreisringe als Zylindersegmente ausgeformt sind, deren Verhältnis von Durchmesser zu axialer Ausdehnung (die Ausdehnung entlang der Rotationssymmetrieachse der konzentrischen Kreisringe) größer 10:1, bevorzugt größer 100:1 und besonders bevorzugt von 500:1 beträgt.
Die Kreisringe sind bevorzugt aus Metall, besonders bevorzugt aus Magnesium, Aluminium, Titan, Stahl oder Legierungen der vorgenannten Metalle gebildet. Ebenfalls bevorzugt weist mindestens einer der Kreisringe mindestens eine Lage aus Faserverbundmaterial auf und/oder ist vollständig aus Faserverbundwerkstoff gebildet. Bevorzugt weist mindestens einer der Kreisringe einen Mehrschichtaufbau mit mindestens einer Schicht Faserverbundmaterial auf. Zumindest in der Ausführung aus Faserverbundwerkstoff weist mindestens ein Kreisring ein Durchmesser-zu-Wandstärken-Verhältnis von 100:20, bevorzugt von 100:10 und besonders bevorzugt von 100:5 auf. Ebenfalls bevorzugt sind die Kreisringe aus einer Mischung von Metall und Faserverbundwerkstoff aufgebaut, bspw. indem an einem Außenring aus Faserverbundwerkstoff metallische Lasteinleitungselemente angeordnet sind.
Die variable Ausführung der Kreisringe, aus einem an die zu erwartenden Belastungen angepassten Material oder Materialmix, ermöglicht eine hohe Stabilität und Steifigkeit des Triebwerkzwischengehäuses bei gleichzeitig geringem Fertigungsaufwand. Rein metallische Kreisringe sind aufgrund ihrer simplen Geometrie mit geringsten Ausschussquoten in gängigen Gießprozessen herstellbar. Kreisringe aus Faserverbundwerkstoffen lassen sich auf bekannte Weise, bspw. durch Überflechten, Umwickeln oder andere Formen der Faserablage auf einem zylindrischen Kernmaterial, erzeugen.
Das modulare System weist weiterhin eine Vielzahl von flächig ausgedehnten Stegen aus Faserverbundwerkstoff mit zwei, an sich gegenüberliegenden Körperkanten des Steges angeordneten, Befestigungsflanschen auf. Werden die beiden Befestigungsflansche eines Steges jeweils mit einem Kreisring verbunden, befindet sich dieser Steg in "Einbaulage" und verbindet die zwei Kreisringe in "Verbindungsrichtung". Erfindungsgemäß ist jeweils ein Befestigungsflansch jedes Steges als formideales Gegenstück zu einem Segment jeweils eines Kreisrings ausgeformt und an diesem montierbar und somit mit diesem verbindbar. In Einbaulage weist jeder Steg eine Längserstreckung in axialer Richtung der Kreisringe auf, was nicht zwangsläufig eine rein axiale Orientierung des Stegs bedeutet. Die Stege sind auch entlang der Verbindungsrichtung ausgedehnt und besitzen einen flächigen Aufbau, wobei in Einbaulage die kürzeste Ausdehnung in Umfangsrichtung vorliegt. Bei den Verstärkungsfasern handelt es sich bevorzugt um Kohlenstoff-, Glas-, oder Aramidfasern. Besonders bevorzugt handelt es sich um langfaser- bzw. endlosfaserverstärktes Faserverbundmaterial.
Durch eine Vielzahl von in Einbaulage befindlicher Stege sind die Kreisringe des modularen Systems verwindungssteif, insbesondere unter Torsionsbelastungen, und radial beabstandet dauerbeständig miteinander verbindbar. Die Anzahl der Stege beträgt mindestens drei, bevorzugt mindestens vier und besonders bevorzugt mindestens fünf, ebenfalls bevorzugt auch deutlich mehr. Die Verbindung der Stege mit den Kreisringen erfolgt formschlüssig, bevorzugt form- und kraftschlüssig, wofür die Kreisringe bevorzugt eine in axialer Richtung konische Form aufweisen und die Befestigungsflansche entsprechend des konischen Verlaufs zu den Stegen relativ zum rechten Winkel verkippt sind. Hierdurch kann, unter Einhaltung einer bestimmten Montagereihenfolge, mit einfachsten konstruktiven Maßnahmen eine sichere Verbindung der Kreisringe über die Stege erzielt werden. Die Stege, insbesondere deren Befestigungsflansche, sind weiterhin mittels zusätzlicher Befestigungsmittel, wie Schrauben, Nieten oder Pass-Bolzen, an den Kreisringen befestigbar. Sofern es mit den geltenden Sicherheitsbestimmungen vereinbar ist, kann die Verbindung der Befestigungsflansche mit den Kreisringen weiterhin stoffschlüssig hergestellt oder unterstützt werden, bspw. durch Verklebung, Anifiltration oder Überflechtung.
Das erfindungsgemäße modulare System gewährleistet vorteilhaft die Erzeugung belastungsangepasster Triebwerkzwischengehäuse aus wenigen elementaren Bauteilen. Diese Bauteile können für sich genommen mit geringsten Ausschussquoten gefertigt und problemlos zu einem Triebwerkzwischengehäuse gefügt werden, so dass die Gefahr der Herstellung fehlerbehafteter Zwischengehäuse minimiert wird. Mit dem modularen System ist darüber hinaus für jedes Triebwerk bzw. Flugzeug der geeignete Kompromiss zwischen Gehäusesteifigkeit und Leichtbau gewährleistbar. Somit sind mit minimalem Planungs- und Fertigungsaufwand an unterschiedliche Anforderungen, bspw. im Sport- oder Passagierflug, angepasste Triebwerkzwischengehäuse herstellbar.
Bevorzugt ist in Einbaulage des erfindungsgemäßen modularen Systems zumindest ein Teil der an zwei Kreisringen montierten Stege um einen ebenen Verkippungswinkel α zur radialen Richtung der Kreisringe verkippt. Somit ist zumindest ein Teil der Stege in Einbaulage nicht in radialer Richtung der konzentrischen Kreisringe orientiert, sondern um einen ebenen Verkippungswinkel α zur radialen Richtung der Kreisringe verkippt. Ebener Verkippungswinkel α meint dabei, dass die Stege im Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung der Kreisringe einen Winkel mit der radialen Richtung der Kreisringe einschließen. Je größer dieser von einem Steg und der radialen Richtung eingeschlossene Verkippungswinkel α in Einbaulage ist, desto mehr aus der Verdrehung der Kreisringe zueinander resultierende Torsions(scher)kräfte kann dieser Steg als Schub- bzw. Zugkraft aufnehmen. Um ein Abknicken der Streben bei Verdrehung der Kreisringe zu vermeiden, beträgt der Verkippungswinkel α zwischen 10° und 55°, bevorzugt zwischen 20° und 45° und besonders bevorzugt zwischen 30° und 45°. Dies gewährleistet vorteilhaft eine höhere Bauteilsteifigkeit, insbesondere unter Torsionsbelastungen. Somit ist ein aus dem modularen System erzeugtes Triebwerkzwischengehäuse, bspw. im Lastfall eines sich ablösenden Schaufelblatts des Turbo-Fans und dessen Einschlag in das Fan-Gehäuse, global gegen eine drohende Verdrehung der Kreisringe zueinander ausgesteift. Mittels der Bereithaltung von Stegen, die in Einbaulage um unterschiedliche Verkippungswinkel α zur radialen Richtung verkippt sind, können Triebwerkzwischengehäuse hergestellt werden, die an zu erwartende Belastungen, bspw. in Abhängigkeit der Triebwerkgröße oder Position, angepasst werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des modularen Aufbaus weist zumindest ein Teil der Stege einen flächigen Lagenaufbau aus mindestens zwei Lagen Faserverbundmaterial auf, wobei sich die Faserorientierung in den einzelnen Lagen voneinander unterscheidet und an die, sich aus der Verkippung zur radialen Richtung ergebenden, Belastungssituation des jeweiligen Stegs angepasst ist. In Einbaulage folgen die Faserlagen der Stege in Umfangsrichtung, somit quer zur axialen und quer zur radialen Richtung, aufeinander. Erfindungsgemäß sind die Faserorientierungen der einzelnen Lagen an die aufgrund der Verkippung des Stegs in Einbaulage im jeweiligen Steg zu erwartenden Hauptspannungen angepasst.
Weiterhin bevorzugt weist zumindest ein Teil der Stege mindestens eine Faserlage mit, zumindest annähernd, parallel zur Verbindungsrichtung orientierten Fasern (0°-Lage), mindestens eine Faserlage mit, zumindest annähernd, in 45° zur Verbindungsrichtung orientierten Fasern und mindestens eine Faserlage mit, zumindest annähernd, in 30° zur Verbindungsrichtung orientierten Fasern auf. Diese mindestens drei Faserlagen folgen in Umfangsrichtung, also quer zur axialen und quer zur radialen Richtung, aufeinander. Die Lage mit zumindest annähernd in Verbindungsrichtung orientierten Fasern (0°-Lage) dient zur Übertragung der von einem in Einbaulage verkippten Steg als Schub- oder Zugkraft aufgenommenen Scherkraft, resultierend aus der Verdrehung der Kreisringe zueinander. Durch die 0°-Lage ist der Steg somit lokal gegen eine drohende Verdrehung der Kreisringe zueinander ausgesteift. Die Lage mit, zumindest annähernd, in 45° zur Verbindungsrichtung orientierten Fasern trägt zur Elastizität des Stegs in Verbindungsrichtung und zu dessen Integrität in einer Vielzahl von Lastfällen bei. Somit wird die Sprödigkeit des Stegs reduziert und dessen Versteifung bspw. gegen Verdrillung erhöht. Die Lage mit, zumindest annähernd, in 30° zur Verbindungsrichtung orientierten Fasern dient als Kopplungslage zwischen der 0° und 45°-Lage. Somit werden die an Grenzflächen von Faserlagen unterschiedlicher Faserorientierung auftretenden Lastspitzen und/oder Abgleitungen der Lagen aneinander verhindert.
Mit dem erfindungsgemäßen modularen System lassen sich somit Triebwerkzwischengehäuse herstellen, die global und lokal gegenüber Torsionsbelastungen verwindungssteif ausgebildet sind. Dabei bewirkt die Verkippung der in Einbaulage befindlichen Stege zur radialen Richtung der Kreisringe eine globale und die Anpassung der Faserorientierung in den Faserlagen der Stege eine lokale Versteifung der Bauteilgruppe. Mit dem modularen System lassen sich zudem Triebwerkzwischengehäuse erzeugen, die global und lokal in Verbundbauweise ausgeführt sind. Dabei trägt die Verbindung der bevorzugt metallischen Kreisringe mit den Faserverbundstegen zur globalen und der Lagenaufbau der Stege selbst zur lokalen Verbundbauweise bei. Die Verbundbauweise trägt vorteilhaft zur Gesamtsteifigkeit und zum Leichtbaupotential der Bauteilgruppe bei und bewirkt darüber hinaus eine Unterbrechung der Wärmeleitung, was thermische Spannungen im Bauteil deutlich reduziert. Der modulare Aufbau senkt den Fertigungsaufwand und die Fertigungskosten der Einzelteile beträchtlich und senkt das Fertigungsrisiko und die Ausschussquote. Durch das modulare Konzept ist die Bauweise zudem wartungsfreundlich, da beschädigte Teile leicht austauschbar sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen modularen Systems für ein Triebwerkzwischengehäuse schließen zwei in Einbaulage in Umfangsrichtung benachbarte Stege miteinander einen Öffnungswinkel β (β = 2α) ein, der von einer radial orientierten Geraden symmetrisch geteilt wird. Die Steifigkeit eines aus dem modularen System herstellbaren Bauteils ist somit gegenüber Relativerdrehungen der Kreisringe mit beliebigem Vorzeichen bzw. unter wechselseitigen Torsionsbelastungen homogen. Weiterhin vorteilhaft ist in einem modularen System, aufweisend Stegmodule mit mindestens zwei derart angeordneten Stegen, die Zahl der Befestigungsflansche pro Steg gering. Somit ist der Herstellungsaufwand des Zwischengehäuses aus dem modularen System abermals deutlich reduziert. Mittels Stegmodulen, mit variierenden Öffnungswinkel β (β = 2α) sind Triebwerkzwischengehäuse herstellbar, die gegenüber Torsionbelastungen hochsteif ausgebildet sind.
Die Verbindung der Stege mit den Kreisringen erfolgt bevorzugt mittels, an ihren in Verbindungsrichtung jeweils innen- und außenliegenden Körperkanten befindlichen, Befestigungsflanschen. Dabei ist jeweils ein Befestigungsflansch jedes Steges als formideales Gegenstück zu einem Segment jeweils eines Kreisrings ausgeformt und an diesem montierbar. Besonders bevorzugt weisen die Kreisringe Aussparungen bzw. Vertiefungen auf, in welche die Befestigungsflansche eingepasst sind, die dadurch lokal formschlüssig mit der Oberfläche der Kreisringe abschließen. Weiterhin bevorzugt erfolgt ein globaler Formschluss zwischen den Befestigungsflanschen und den sich entlang der axialen Richtung verjüngenden oder aufweitenden Kreisringe. Aufgrund der ausgeprägten konkaven oder konvexen Strömungsform der Kreisringe muss eine bestimmte Montagereihenfolge eingehalten werden. Eine zusätzliche lokale Verbindung der, bevorzugt eingepassten, Befestigungsflansche mit den Kreisringen erfolgt vorzugsweise form- und/oder kraftschlüssig, bspw. durch zusätzliche Befestigungsmittel, wie bspw. Pass-Bolzen, Schrauben, Pins oder Ähnliches. Eine weiterhin bevorzugte, zusätzliche stoffschlüssige Verbindung wird vorzugsweise durch Aninfiltration und/oder Einkleben der Befestigungsflansche in die Kreisringe erzielt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein. Dabei zeigen:
1: Ein erfindungsgemäßes Triebwerkzwischengehäuse (A) in einer Querschnittdarstellung sowie einen Schnitt durch einen zur radialen Richtung verkippten Steg (B) und einen Schnitt durch einen radial orientierten Steg (C) und
2: zwei Ausführungsformen (A) und (B) eines erfindungsgemäßen Triebwerkzwischengehäuses, gefertigt aus einem modularen System aus Kreisringen und Verbindungsstegen in Querschnittdarstellungen,
3: eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Triebwerkzwischengehäuses mit drei Kreisringen (A), eine Sprengzeichnung dieses Triebwerkzwischengehäuses (B) sowie von dessen Einzelteilen,
4: eine schematische Darstellung des Zusammenfügens eines erfindungsgemäßen Triebwerkzwischengehäuses aus einem modularen System.
Ausführungsbeispiel 1
In 1(A) ist eine Querschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Triebwerkzwischengehäuses mit zwei konzentrisch angeordneten und in nicht dargestellter axialer Richtung (Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene) längserstreckten Kreisringen 1 gezeigt. Die Kreisringe 1 sind über ein Vielzahl von Stegen 2 aus Faserverbundwerkstoff zumindest über einen Teil der nicht gezeigten axialen Ausdehnung der Kreisringe 1 miteinander verbunden. Ein Teil der Stege 2.1 ist in Verbindungsrichtung um einen ebenen Verkippungswinkel α zur radialen Richtung der Kreisringe 1 verkippt. Ein weiterer Teil der Stege 2.2 ist gemäß dem Stand der Technik in radialer Richtung der Kreisringe 1 orientiert. Alle Stege 2 weisen einen flächigen Lagenaufbau aus drei Lagen Faserverbundmaterial auf, wobei sich die Faserorientierung in den einzelnen Lagen voneinander unterscheidet und an die Belastungssituation des jeweiligen Stegs angepasst ist.
Eine Schnittdarstellung entlang der Verbindungsrichtung eines zur radialen Richtung verkippten Stegs 2.1 ist in 1(B) gezeigt. Dieser Steg 2.1 weist drei in Umfangsrichtung, also quer zur radialen und quer zur axialen Richtung, aufeinander folgende Faserlagen I, II, III auf. Die Umfangsrichtung steht in 1(B) senkrecht zur Zeichnungsebene, wobei die sich jeweils über die gesamte Ausdehnung des Stegs 2.1 erstreckenden Faserlagen I, II, III zur besseren Anschaulichkeit jeweils teilweise freigelegt sind. Der zur radialen Richtung der Kreisringe 1 verkippte Steg 2.1 weist eine Faserlage III auf, deren Fasern parallel zur Verbindungsrichtung orientiert sind. Die Fasern dieser Faserlage dienen dabei der Aufnahme von Torsions(scher)kräften, resultierend aus der Verdrehung der beiden Kreisringe 1 zueinander. Aufgrund ihrer Verkippung zur radialen Richtung und der Orientierung der Fasern in Faserlage III können die Stege 2.1 diese Kräfte in Form von Schub- oder Zugkräften aufnehmen. Der Steg 2.1 weist weiterhin eine Faserlage II mit 45° zur Verbindungsrichtung orientierten Fasern auf. Die Fasern dieser Faserlage tragen in der Art von Scherengelenken zur Elastizität des Stegs 2.1 in Verbindungsrichtung bei und reduzieren somit dessen Sprödigkeit. Um einen Übergang zwischen den Faserlagen I und II zu schaffen, weist der Steg weiterhin eine in Umfangsrichtung zwischen den Faserlagen I und II angeordnete Faserlage III auf, deren Fasern 30° zur Verbindungsrichtung orientiert sind. Somit werden die Kraftspitzen an den Grenzflächen der einzelnen Faserlagen minimiert und der Delamination der Lagen I, II, III vorgebeugt.
Eine Schnittdarstellung eines in radialer Richtung der Kreisringe orientierten Stegs 2.2 entlang der radialen Richtung ist in 1(C) gezeigt. Dieser Steg 2.2 weist ebenfalls zwei in Umfangsrichtung, also quer zur radialen und quer zur axialen Richtung, aufeinander folgende Faserlagen I und II auf. Die Umfangsrichtung steht in 1(C) senkrecht zur Zeichnungsebene, wobei die sich jeweils über die gesamte Ausdehnung des Stegs 2.1 erstreckenden Faserlagen I, II, III zur besseren Anschaulichkeit jeweils teilweise freigelegt sind. Der radial angeordnete Steg 2.2 weist eine Faserlage I mit 30° zur radialen Richtung orientierten Fasern auf, die zur Torsionssteifigkeit des Stegs 2.2 selbst und somit zur Steifigkeit des Triebwerkzwischengehäuses, bspw. bei Präzession der Hauptwelle des Triebwerks um die Rotationssymmetrieachse des Triebwerkzwischengehäuses, beiträgt. Eine weitere Faserlage II des Stegs 2.2 weist 45° zur radialen Richtung orientierte Fasern auf, die in der Art von Scherengelenken zur Elastizität des Stegs 2.2 in radialer Richtung beitragen. Die Faserlagen I und II sind von einer dritten Faserlage III umhüllt, die zur besseren Anschaulichkeit in der Schnittdarstellung der 1(C) nur einmal dargestellt ist. Mit dieser Faserlage III wird einem lokalen Versagen einzelner Fasern der Faserlagen I, II bzw. Faserriss oder -bruch unter Biegebelastung des Stegs 2.2 entgegengewirkt.
Ausführungsbeispiel 2
In 2 sind zwei Ausführungsformen (A), (B) eines erfindungsgemäßen Triebwerkzwischengehäuses, hergestellt aus einem erfindungsgemäßen modularen System für ein Triebwerkzwischengehäuse, in Querschnittdarstellung gezeigt. Die Triebwerkzwischengehäuse weisen jeweils drei konzentrisch zueinander angeordnete Kreisringe 1.1, 1.2, 1.3 auf, deren axiale Ausdehnung quer zur Zeichnungsebene nicht dargestellt ist. Die Kreisringe sind über eine Vielzahl von Stegen 2, 2.2.1, 2.2.2 miteinander verbunden, die zur radialen Richtung der Kreisringe um einen ebenen Verkippungswinkel α verkippt sind.
In 2(A) ist ein äußerer Kreisring 1.1 über eine Vielzahl von Stegmodulen 2.2.1 verbunden, die jeweils zwei, an sich gegenüberliegenden Körperkanten des Stegmoduls 2.2.1 angeordnete Befestigungsflansche 3 aufweisen. Diese Befestigungsflansche 3 sind dabei jeweils als formideale Gegenstücke zu einem Segment des äußeren Kreisrings 1.1 oder des mittleren Kreisrings 1.2 ausgebildet. Der mittlere Kreisring 1.2 ist weiterhin über eine Vielzahl von Stegmodulen 2.2.2 mit einem inneren Kreisring 1.3 verbunden, wobei ein Stegmodul 2.2.2 aus jeweils zwei Stegen 2 und jeweils drei Befestigungsflanschen 3 besteht. Zwei jeweils in Umfangsrichtung benachbarte Stege 2 schließen miteinander einen Öffnungswinkel β (β = 2α) ein, der von einer in radialer Richtung der Kreisringe orientierten Geraden symmetrisch geteilt wird. Die beiden Stege 2 weisen an ihrer jeweils radial innenliegenden Körperkante einen gemeinsamen Befestigungsflansch 3 auf, der als formideales Gegenstück zum inneren Kreisring 1.3 ausgeformt ist.
In 2(B) verbinden die Stegmodule 2.2.2 den äußeren Kreisring 1.1 mit dem mittleren Kreisring 1.2. Analog verbinden die Stegmodule 2.2.2 den mittleren Kreisring 1.2 mit dem inneren Kreisring 1.3 in 2(A). Der mittlere Kreisring 1.2 ist weiterhin über ein Stegmodulen 2.2.3 mit einem inneren Kreisring 1.3 verbunden, wobei das Stegmodul 2.2.3 aus zehn Stegen 2 und zehn Befestigungsflanschen 3 besteht. Zwei jeweils in Umfangsrichtung benachbarte Stege 2 schließen miteinander einen Öffnungswinkel β (β = 2α) ein, der von einer in radialer Richtung der Kreisringe orientierten Geraden symmetrisch geteilt wird und weisen jeweils einen gemeinsamen Befestigungsflansch 3 auf. Die Zahl der Befestigungsflansche 3 ist somit gegenüber Stegmodulen mit zwei Befestigungsflanschen 3 pro Steg 2 um 50% reduziert. Dies reduziert vorteilhaft die Bauteilanzahl und somit das Baugruppengewicht sowie die Montagezeit des Triebwerkzwischengehäuses.
Beide Triebwerkzwischengehäuse gemäß 2(A), (B) sind darüber hinaus durch die Anordnung der Stegmodule 2.2.1, 2.2.2, 2.2.3 gegenüber Torsionsbelastungen besonders verwindungssteif ausgebildet. Hierzu bildet jeweils ein zwischen äußerem 1.1 und mittleren Kreisring 1.2 angeordneter Steg 2 einen geraden Lastpfad mit einem zwischen mittlerem 1.2 und innerem Kreisring 1.3 angeordneten Steg 2. Somit werden Verdrehungen der Kreisringe 1 zueinander sicher vermieden.
Ausführungsbeispiel 3
In 3(A) ist eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Triebwerkzwischengehäuses mit drei Kreisringen 1 und in 3(B) eine Sprengzeichnung des Triebwerkzwischengehäuses sowie von dessen Einzelteilen gezeigt.
Der innere Kreisring 1.3 ist aus Faserverbundwerkstoff gebildet und dient der Lagerung der nicht gezeigten Hauptantriebswelle des Triebwerks. Über in radialer Richtung orientierte Stege 2.1.a, die neben der Lastübertragung auch der Strömungsoptimierung des Kernstroms dienen, ist der innere Kreisring 1.3 mit einem mittleren, metallischen Kreisring 1.2 verbunden. Dieser bildet einen Teil der äußeren Strömungsführung des Kernstroms. Über weitere radial orientierte Stege 2.1.b aus Faserverbundwerkstoff ist der mittlere Kreisring 1.2 mit einem radial äußeren Kreisring 1.1 aus Faserverbundwerkstoff verbunden. Dieser dient der Lagerung von Fan-Gehäuse und Triebwerkaußengehäuse und weist metallische Befestigungs- und Anschlusselemente 5 zur Verbindung mit einem nicht gezeigten Flugzeugrumpf auf.
Der innere Kreisring 1.3 ist konisch ausgeführt und weist eine starke einseitige Verjüngung auf. Die Stege 2.1.a weisen an zwei, sich gegenüberliegenden Körperkanten, deren Verlauf an die konische Gestalt des inneren Kreisrings 1.3 angepasst ist, befindliche Befestigungsflansche 3, die als formideales Gegenstück zu einem Segment von jeweils innerem 1.3 oder mittlerem Kreisring 1.2 ausgebildet sind, auf. Der mittlere 1.2 und äußere Kreisring 1.1 sind als gerade Zylindersegmente mit kreisförmiger Grundfläche ausgebildet und über die Stege 2.1.b miteinander verbunden, die somit an zwei sich gegenüberliegenden, zumindest annähernd parallelen Körperkanten befindliche Befestigungsflansche 3 aufweisen.
Ausführungsbeispiel 4
Aus der konischen Form des inneren Kreisrings 1.3 ergibt sich die in 4 gezeigte, zwingende Montagereihenfolge bei der Fügung eines erfindungsgemäßen Triebwerkzwischengehäuses aus einem erfindungsgemäßen modularen System für ein Triebwerkzwischengehäuse. Dabei wird zunächst der mittlere metallische Kreisring 1.2 mit den Stegen 2.1.a verbunden, wobei die radial außenliegenden Befestigungsflansche 3 der Stege 2.1.a in radial nach innen weisende Vertiefungen 4 des mittleren Kreisrings 1.2 eingepasst und mittels Kraft- und Formschluss sowie zusätzlicher Befestigungsmittel verbunden werden. Anschließend wird der konische innere Kreisring 1.3 aus Faserverbundwerkstoff in den mittleren Kreisring 1.2 axial eingeschoben, wobei sich ein globaler Formschluss zwischen den Befestigungsflanschen 2.1.a und Kreisringen 1.2 und 1.3 ergibt und zusätzlich die radial innenliegenden Befestigungsflansche 3 der Stege 2.1.a in radial nach außen weisende Vertiefungen 4 des inneren Kreisrings 1.3 eingepasst werden. Die Verbindung der Stege 2.2.a mit dem inneren Kreisring 1.3 erfolgt dabei mittels Kraft- und Formschluss sowie über zuästzliche Befestigungsmittel.
Anschließend werden die Stege 2.1.b mittels zusätzlicher Befestigungsmittel an dem mittleren Kreisring befestigt, wobei die radial innenliegenden Befestigungsflansche 3 der Stege 2.1.b in radial nach außen weisende Vertiefungen 4 des mittleren Kreisrings 1.3 eingepasst und mittels zusätzlicher Befestigungsmittel mit diesem verbunden werden. Auf die Stege 2.1.b wird anschließend der äußere Kreisring 1.1 axial aufgeschoben, wobei radial außenliegende Befestigungsflansche 3 der Stege 2.1.b in radial nach innen weisende Vertiefungen 4 des äußeren Kreisrings 1.1 eingepasst und mittels zusätzlicher Befestigungsmittel mit diesem verbunden werden, wobei sich ein aufgrund des Formschlusses von Vertiefungen und Befestigungsflanschen 3 ein Formschluss zwischen den Kreisringen 1.1 und 1.2 ergibt.
Bezugszeichenliste

1: Kreisring
1.1: äußerer Kreisring
1.2: mittlerer Kreisring
1.3: innerer Kreisring
2: Steg
2.1: radial orientierter Steg
2.1.a: innere Stege
2.1.b: äußere Stege
2.2: zur radialen Richtung verkippter Steg
2.2.1: 3-teiliges Stegmodul
2.2.2: 5-teiliges Stegmodul
2.2.3: 20-teiliges Stegmodul
3: Befestigungsflansch
4: Vertiefungen
5: Befestigungs-/Anschlussmittel
α: Verkippungswinkel α
β: Öffnungswinkel β

Claims

Belastungsangepasstes Triebwerkzwischengehäuse in Verbundbauweise, aufweisend a) mindestens zwei konzentrische, in axialer Richtung ausgedehnte und in radialer Richtung beabstandete Kreisringe (1), b) eine Vielzahl in axialer Richtung längserstreckter Stege (2) aus Faserverbundwerkstoff, c) die jeweils zwei Kreisringe (1) zumindest über einen Teil von deren axialer Ausdehnung verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Stege (2) d) in Verbindungsrichtung um einen ebenen Verkippungswinkel α zur radialen Richtung der Kreisringe (1) verkippt ist und e) einen flächigen Lagenaufbau aus mindestens zwei Lagen Faserverbundmaterial aufweist, wobei i. sich die Faserorientierung in den einzelnen Lagen voneinander unterscheidet und ii. an die sich aus der Verkippung zur radialen Richtung ergebende Belastungssituation des jeweiligen Stegs (2) angepasst ist.
Belastungsangepasstes Triebwerkzwischengehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarte Stege (2) miteinander einen Öffnungswinkel β (β = 2α) einschließen, der von einer in radialer Richtung der Kreisringe (1) orientierten Geraden symmetrisch geteilt wird.
Belastungsangepasstes Triebwerkzwischengehäuse nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steg (2) jeweils mindestens eine Faserlage a) mit parallel zur Verbindungsrichtung orientierten Fasern (0°-Lage), b) mit in 45° zur Verbindungsrichtung orientierten Fasern und c) mit in 30° zur Verbindungsrichtung orientierten Fasern aufweist.
Belastungsangepasstes Triebwerkzwischengehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steg (2) zumindest teilweise von mit mehr als 60° zur Verbindungsrichtung orientierten Fasern umhüllt ist.
Belastungsangepasstes Triebwerkzwischengehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (2) in axialer Richtung als Strömungsgleichrichter ausgebildet sind.
Belastungsangepasstes Triebwerkzwischengehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass drei konzentrische, in axialer Richtung ausgedehnte Kreisringe (1) über Stege (2) verbunden sind, wobei a) ein innerer Kreisring (1.3) aus Faserverbundwerkstoff die Triebwerks-Hauptantriebswelle lagert, b) ein mittlerer, metallischer Kreisring (1.2) in das Kerntriebwerkgehäuse übergeht und c) ein äußerer Kreisring (1.1) aus Faserverbundwerkstoff das Fan-Gehäuse und/oder Triebwerkaußengehäuse lagert.
Belastungsangepasstes Triebwerkzwischengehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (2) mittels, an ihren in Verbindungsrichtung jeweils innen- und außenliegenden Körperkanten befindlichen, Befestigungsflanschen (3) mit jeweils einem Kreisring (1) verbunden sind.
Modulares System für ein belastungsangepasstes Triebwerkzwischengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend a) mindestens zwei konzentrisch beabstandete, in axialer Richtung ausgedehnte Kreisringe (1), b) eine Vielzahl flächig ausgedehnter Stege (2) aus Faserverbundwerkstoff mit zwei, an sich gegenüberliegenden Körperkanten angeordneten, Befestigungsflanschen (3), dadurch gekennzeichnet, dass c) jeweils ein Befestigungsflansch (3) jedes Steges (2) als formideales Gegenstück zu einem Segment jeweils eines Kreisrings (1) ausgeformt und an diesem montierbar ist und d) jeweils zwei Kreisringe (1) über eine Vielzahl von Stegen (2) torsionssteif und radial beabstandet verbindbar sind.
Modulares System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der an zwei Kreisringen (1) montierten Stege (2) in Einbaulage um einen ebenen Verkippungswinkel α zur radialen Richtung der Kreisringe (1) verkippt ist.
Modulares System nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Stege (2) einen flächigen Lagenaufbau aus mindestens zwei Lagen Faserverbundmaterial aufweist, wobei a) sich die Faserorientierung in den einzelnen Lagen voneinander unterscheidet und b) an die sich aus der Verkippung zur radialen Richtung ergebende Belastungssituation des jeweiligen Stegs (2) angepasst ist.
Modulares System nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass a) jeweils zwei in Einbaulage in Umfangsrichtung benachbarte Stege (2) an jeweils einer ihrer Körperkanten einen gemeinsamen Befestigungsflansch (3) aufweisen und b) einen Öffnungswinkel β (β = 2α) einschließen, der von einer in radialer Richtung der Kreisringe (1) orientierten Geraden am gemeinsamen Befestigungsflansch (3) symmetrisch geteilt wird.