DE102019117038A1

DE102019117038A1 - Getriebe und Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE102019117038A1
Application number: DE102019117038.9A
Authority: DE
Inventors: Gregor Kappmeyer; Gideon Venter; Daniel Sieghart; Jan Schwarze
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2019-06-25
Filing date: 2019-06-25
Publication date: 2020-12-31
Also published as: US20200408152A1

Abstract

Es wird ein Getriebe (30), insbesondere ein Planetengetriebe eines Gasturbinentriebwerkes (10), mit wenigstens einem Planetenträger (34) vorgeschlagen, der zwei zueinander in axialer Richtung beabstandete Wangen (35, 36) umfasst. Über die Wangen (35, 36) steht wenigstens ein drehbar gegenüber dem Planetenträger (34) ausgeführtes Planetenrad (32) mit dem Planetenträger (34) in Wirkverbindung. Eine Drehachse (41) des Planetenrades (32) weicht unterhalb oder gleich einer definierten lastabhängigen Verformung des Planetenträgers (34) von einem parallelen Verlauf einer Symmetrieachse (42) des Planetenträgers (34) ab. Des Weiteren verläuft die Drehachse (41) des Planetenrades (32) bei einer weiteren definierten lastabhängigen Verformung des Planetenträgers (34), die größer ist als die definierte lastabhängige Verformung des Planetenträgers (34), wenigstens annähernd parallel zur Symmetrieachse (42) des Planetenträgers (34)

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Getriebe, insbesondere ein Planetengetriebe eines Gasturbinentriebwerks, mit wenigstens einem Planetenträger, der zwei zueinander in axialer Richtung beabstandete Wangen umfasst. Des Weiteren bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk für ein Luftfahrzeug.
Aus der Praxis bekannte einfache Planetengetriebe umfassen üblicherweise ein Sonnenrad, ein Hohlrad und einen Planetenträger, auf dem wenigstens ein Planetenrad drehbar gelagert ist. Das Planetenrad steht sowohl mit dem Hohlrad als auch mit dem Sonnenrad in Eingriff. Zum Ankoppeln an drehbare oder drehfeste Bereiche eines Gasturbinentriebwerks sind die Wellen des Planetengetriebes bzw. das Sonnenrad, das Hohlrad sowie der Planetenträger mit Verbindungsbereichen ausgeführt.
Dabei kann es vorgesehen sein, dass der Planetenträger zwei zueinander in axialer Richtung beabstandete Wangen umfasst. Im Bereich der Wangen stehen die jeweils drehbar gegenüber dem Planetenträger aufgeführten Planetenräder mit dem Planetenträger in Wirkverbindung.
Im Betrieb eines Gasturbinentriebwerkes können die an einem solchen Planetengetriebe anliegenden Drehmomente Verdrillungen bzw. Verwindungen des Sonnenrades, des Hohlrades, des Planetenrades und des Planetenträgers in Umfangsrichtung bzw. in tangentialer Richtung sowie des Planetenträgers auch in radialer Richtung bewirken. Dabei treten die tangentialen Verformungen im Bereich des Planetenträgers bzw. zwischen den Wangen eines Planetenträgers vor allem dann auf, wenn sich Verbindungsbereiche des Planetenträgers in axialer Richtung des Planetengetriebes zwischen dem Planetenträger des Planetengetriebes und den drehbaren oder den drehfesten Bereichen eines Gasturbinentriebwerkes erstrecken. Die Verwindungen bzw. Verdrillungen steigen auch in axialer Richtung des Planetengetriebes jeweils insbesondere zwischen einem Verbindungsbereich einer Wange des Planetenträgers und der jeweils gegenüber liegenden Wange des Planetenträgers in Abhängigkeit der jeweils vorliegenden Bauteilsteifigkeit des Planetenträgers mit jeweils definiertem Verlauf an.
Des Weiteren bewirken die Verdrillungen oder Neigungen der verschiedenen Bauteile eines Planetengetriebes wiederum, dass eine Orientierung von Zahnflanken der miteinander in Eingriff stehenden Zahnbereiche der Planetenräder mit wenigstens einem Sonnenrad und/oder mit wenigstens einem Hohlrad ausgehend von einem unbelasteten Betriebszustand des Planetengetriebes in Richtung eines Betriebsbereiches eines Gasturbinentriebwerkes, in dem hohe Lasten am Planetengetriebe anliegen, durch die anliegende Last im Betrieb verdreht bzw. verschwenkt werden. Dies führt dazu, dass Kontaktflächen zwischen miteinander in Eingriff stehenden Zähnen der vorgenannten Verzahnungsbereiche im Betrieb in unerwünschtem Umfang reduziert werden.
Dabei besteht die Möglichkeit, dass im Bereich der Kontaktflächen der Verzahnungsbereiche unzulässig hohe Verpressungen bzw. Belastungen auftreten, die die Funktionsweise des Planetengetriebes aufgrund irreversibler Schädigungen der Zahnflanken dauerhaft beeinträchtigen. Um die Verdrillungen bzw. Verwindungen im Bereich eines Sonnenrades, eines Hohlrades, eines Planetenrades und vor allem im Bereich eines Planetenträgers in gewünschtem Umfang zu begrenzen, sind diese mit einer entsprechend hohen Bauteilsteifigkeit auszuführen. Diese Vorgehensweise bedingt jedoch große Bauteilabmessungen, die ein hohes Bauteilgewicht eines Planetengetriebes verursachen, was jedoch den Auslegungskriterien von Gasturbinentriebwerken bzw. Flugtriebwerken entgegensteht.
Des Weiteren besteht auch die Möglichkeit, im Bereich der Zahneingriffe eine Profilkorrektur über die jeweilige Zahnbreite vorzusehen, wobei hierfür wiederum die Zahnflanken entsprechend größer und breiter auszuführen sind. Dies erhöht jedoch auch die Bauteilabmessungen eines Planetengetriebes und damit nachteilhafterweise wiederum das Bauteilgewicht eines Planetengetriebes.
Es soll ein bauraumgünstiges und durch ein geringes Bauteilgewicht gekennzeichnetes Getriebe zur Verfügung gestellt werden, dass zudem durch eine hohe Lebensdauer gekennzeichnet ist. Des Weiteren soll ein Gasturbinentriebwerk mit einem solchen Getriebe geschaffen werden.
Diese Aufgabe wird mit einem Getriebe und mit einem Gasturbinentriebwerk mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. 13 gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Getriebe, insbesondere ein Planetengetriebe eines Gasturbinentriebwerks, mit wenigstens einem Planetenträger bereitgestellt. Der Planetenträger umfasst zwei zueinander in axialer Richtung beabstandete Wangen. Im Bereich der Wangen steht wenigstens ein drehbar gegenüber dem Planetenträger ausgeführtes Planetenrad mit dem Planetenträger in Wirkverbindung. Das Planetenrad steht mit wenigstes einem Hohlrad und/oder mit wenigstes einem Sonnenrad in Eingriff. Des Weiteren weicht eine Drehachse des Planetenrades unterhalb oder gleich einer definierten lastabhängigen Verformung des Planetenträgers von einem parallelen Verlauf mit einer Symmetrieachse des Planetenträgers ab. Zusätzlich ist es vorgesehen, dass die Drehachse des Planetenrades bei einer weiteren definierten lastabhängigen Verformung des Planetenträgers, die größer ist die definierte lastabhängige Verformung des Planetenträgers, wenigstens annähernd parallel zur Symmetrieachse des Planetenträgers verläuft.
Dabei wird vorliegend unter einer lastabhängigen Verformung des Planetenträgers eine Verformung des Planetenträgers insbesondere zwischen seinen beiden Wangen verstanden, bei der im Betrieb des Getriebes eine Wange gegenüber der anderen Wange in tangentialer Richtung bzw. in Umfangsrichtung des Planetenträgers verdreht wird. Zusätzlich wird unter einer definierten lastabhängigen Verformung des Planetenträgers auch eine Verformung der Wangen in radialer Richtung des Planetenträgers verstanden, die im Betrieb durch die jeweils an den Plantenrädern angreifenden Zentrifugalkraft verursacht wird. Dies ist besonders dann der Fall, wenn der Planetenträger selbst drehbar ausgeführt ist, wobei die Symmetrieachse des Planetenträgers dann gleich der Rotationsachse des Planetenträgers ist.
Der insbesondere im lastfreien Zustand des Getriebes vorliegende Achsversatz zwischen der Drehachse des Planetenrades und der Symmetrieachse des Planetenträgers ermöglicht auf konstruktiv einfache Art und Weise, dass im Betrieb des Getriebes auftretende Verformungen, d. h. tangentiale Verdrillungen zwischen den Wangen des Planetenträgers und auch radiale Auslenkungen des Planetenrades in definierten Betriebspunkten bzw. Betriebsbereichen eines Gasturbinentriebwerkes minimiert werden. Damit werden die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile, wie Schädigungen im Verzahnungsbereich von miteinander kämmenden Zahnrädern des Getriebes, d. h. eines Sonnenrades, eines Planetenrades und eines Hohlrades, vermieden. Dies bietet wiederum die Möglichkeit, die einzelnen Bauteile des Getriebes gemäß der vorliegenden Offenbarung mit geringen Bauteilabmessungen und mit geringem Bauteilgewicht auszuführen, wodurch wiederum Bauteilbelastungen insbesondere im Bereich von Lagerungen des Getriebes im Vergleich zu bekannten Getrieben reduziert sind.
Des Weiteren kann es vorgesehen sein, dass der insbesondere im lastfreien Betrieb des Getriebes konstruktiv vorgesehene Versatz bzw. die Abweichung von der Parallelität zwischen der Drehachse des Planetenrades und der Symmetrieachse des Planetenträgers in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles für definierte Lastfälle eines Gasturbinentriebwerkes ausgelegt ist. Ein solcher Lastfall kann einem Betriebspunkt oder einem Betriebsbereich entsprechen, in dem sich ein Gasturbinentriebwerk in einen sogenannten Teillastbetrieb befindet und in dem das Gasturbinentriebwerk über längere Betriebszeiten verweilt. Alternativ hierzu besteht auch die Möglichkeit, den Achsversatz derart vorzusehen, dass die Drehachse des Planetenrades und die Symmetrieachse des Planetenträgers beispielweise während eines durch eine sehr hohe Last gekennzeichneten Betriebspunktes parallel zueinander ausgerichtet sind und der Achsversatz dann minimal ist. Bei Vorliegen eines minimalen Achsversatzes sind im Bereich der Verzahnungen des Planetenrades mit dem Sonnenrad und/oder mit dem Hohlrad gute Eingriffsbedingungen gegeben, so dass Bauteilbelastungen des Planetenrades, des Sonnenrades und/oder des Hohlrades gering sind.
Vorteilhafterweise ist die durch den im lastfreien Betriebszustand des Getriebes vorliegenden Achsversatz generierte Fehlausrichtung zwischen den Verzahnungen des Planetenrades, des Sonnenrades und/oder des Hohlrades zueinander trotz allem gering, auch wenn das Getriebe nicht die weitere definierte lastabhängige Verformung des Planetenträgers aufweist.
Bei weiteren konstruktiven Ausführungsformen des Getriebes gemäß der vorliegenden Offenbarung ist es vorgesehen, dass jeweils ein äußeres Lagerteil eines Lagers des Planetenrades, über das das Planetenrad drehbar gegenüber dem Planetenträger ausgeführt ist, oder jeweils ein Endbereich eines Planetenbolzens, auf dem das Planetenrad vorzugsweise über ein Gleitlager drehbar gelagert ist, drehfest in einer Ausnehmung einer Wange angeordnet ist.
Sind die Ausnehmungen der Wangen als Bohrungen ausgebildet, ist das Getriebe gemäß der vorliegenden Offenbarung mit geringem Fertigungsaufwand herstellbar.
Symmetrielinien der Bohrungen können parallel zueinander und in radialer und/oder in tangentialer Richtung der Wangen versetzt zueinander verlaufen. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, dass die Symmetrielinien der Bohrungen parallel zur Symmetrielinie des Planetenträgers angeordnet sind oder mit der Symmetrielinie des Planetenträgers einen spitzen Winkel einschließen, um den gewünschten Achsversatz zwischen der Drehachse des Planetenrades und der Symmetrielinie des Planetenträgers zur Verfügung zu stellen.
Des Weiteren kann es auch vorgesehen sein, dass die Symmetrielinien der Bohrungen wenigstens annähernd miteinander fluchten und mit der Symmetrielinie des Planetenträgers einen spitzen Winkel einschließen, um den gewünschten Achsversatz zwischen der Drehachse des Planetenrades und der Symmetrielinie des Planetenträgers einzustellen.
In den Bohrungen der Wangen können Hülsen angeordnet sein, die mit in Bezug auf eine Außenseite der Hülsen jeweils einer asymmetrischen Bohrung ausgeführt sind. Dabei kann es vorgesehen sein, dass Symmetrielinien der asymmetrischen Bohrungen der Hülsen parallel zueinander und in radialer und/oder tangentialer Richtung der Wangen versetzt zueinander verlaufen. Zudem besteht die Möglichkeit, dass die Symmetrielinien der Bohrungen parallel zur Symmetrielinie des Planetenträgers angeordnet sind oder mit der Symmetrielinie des Planetenträgers einen spitzen Winkel einschließen. Diese Ausführungen ermöglichen wiederum eine einfache Umsetzung des gewünschten Achsversatzes zwischen der Drehachse des Planetenrades und der Symmetrielinie bzw. der Drehachse des Planetenträgers.
Hierfür kann es auch vorgesehen sein, dass in den Bohrungen Hülsen angeordnet sind, die mit in Bezug auf eine Außenseite der Hülsen mit jeweils einer asymmetrischen Bohrung ausgeführt sind. Symmetrielinien der asymmetrischen Bohrungen können wenigstens annähernd miteinander fluchten und mit der Symmetrielinie des Planetenträgers einen spitzen Winkel einschließen, um den gewünschten Achsversatz zwischen der Symmetrielinie des Planetenträgers und der Drehachse des Planetenrades vorzusehen.
Bei weiteren Ausführungsformen des Getriebes gemäß der vorliegenden Offenbarung verlaufen Symmetrielinien von Außenseiten des Planetenbolzens, die mit Innenseiten der Bohrungen der Wangen oder mit Innenseiten der Hülsen in Verbindung stehen, parallel zueinander. Zusätzlich können die Symmetrielinien der Außenseiten des Planetenbolzens in radialer und/oder in tangentialer Richtung der Wangen versetzt zueinander verlaufen und können entweder parallel zur Symmetrielinie des Planetenträgers angeordnet sein oder mit der Symmetrielinie des Planetenträgers einen spitzen Winkel einschließen. Damit ist wiederum ein Achsversatz zwischen der Drehachse des Planetenrades und der Symmetrielinie des Planetenträgers auf konstruktiv einfache Art und Weise realisierbar bzw. umsetzbar.
Ist dem unbelasteten Planetenträger durch das montierte Planetenrad in axialer Richtung eine Verdrillung aufgeprägt, die einer im Betrieb auftretenden Verdrillung des Planetenträgers entgegengerichtet ist, ist der gewünschte Achsversatz zwischen der Drehachse des Planetenrades und der Symmetrielinie des Planetenträgers wiederum auf einfache Art und Weise herstellbar.
Zusätzlich kann es auch vorgesehen sein, dass dem Planetenträger während der Montage des Planetenrades ein Torsionsmoment aufgeprägt wird, so dass der Achsversatz zwischen der Drehachse des Planetenrades und der Symmetrieachse des Planetenträgers während der Montage gering ist und eine Montage des Planetenrades mit geringen Fügekräften umsetzbar ist.
Ein am Planetenträger anliegendes Drehmoment kann über eine der Wangen im Bereich einer damit verbindbaren Welle, vorzugsweise einer Welle eines Gasturbinentriebwerkes abstützbar sein.
Bei weiteren Ausführungsformen des Getriebes gemäß der vorliegenden Offenbarung wird der radiale Versatz zwischen den Symmetrielinien der Bohrungen der Wangen, der Hülsen und/oder der Außenseiten des Planetenbolzens in Abhängigkeit einer radialen Steifigkeit des Planetenträgers, des Planetenrades und/oder des Lagers des Planetenrades und einer im Betrieb wirkenden Zentrifugalkraft definiert.
Zusätzlich hierzu oder alternativ dazu kann es vorgesehen sein, dass der tangentiale Versatz zwischen den Symmetrielinien der Bohrungen der Wangen, der Hülsen und/oder der Außenseiten des Planetenbolzens in Abhängigkeit einer tangentialen Steifigkeit des Planetenträgers, des Planetenrades und/oder des Lagers des Planetenrades und in Abhängigkeit einer im Betrieb im Bereich der Verzahnungen des Planetenrades wirkenden Eingriffskraft definiert wird.
Wie hier an anderer Stelle angeführt wird, kann sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk beziehen. Solch ein Gasturbinentriebwerk kann einen Triebwerkskern umfassen, der eine Turbine, einen Brennraum, einen Verdichter und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende Kernwelle umfasst. Solch ein Gasturbinentriebwerk kann ein Gebläse (mit Gebläseschaufeln) umfassen, das stromaufwärts des Triebwerkskerns positioniert ist.
Anordnungen der vorliegenden Offenbarung können insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, für Gebläse, die über ein Getriebe angetrieben werden, von Vorteil sein. Entsprechend kann das Gasturbinentriebwerk ein Getriebe umfassen, das einen Eingang von der Kernwelle empfängt und Antrieb für das Gebläse zum Antreiben des Gebläses mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle abgibt. Der Eingang für das Getriebe kann direkt von der Kernwelle oder indirekt von der Kernwelle, beispielsweise über eine Stirnwelle und/oder ein Stirnzahnrad, erfolgen. Die Kernwelle kann mit der Turbine und dem Verdichter starr verbunden sein, so dass sich die Turbine und der Verdichter mit derselben Drehzahl drehen (wobei sich das Gebläse mit einer niedrigeren Drehzahl dreht). Dabei kann das Getriebe als ein vorstehend näher beschriebenes Getriebe ausgeführt sein.
Das Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und beansprucht wird, kann eine beliebige geeignete allgemeine Architektur aufweisen. Beispielsweise kann das Gasturbinentriebwerk eine beliebige gewünschte Anzahl an Wellen, die Turbinen und Verdichter verbinden, beispielsweise eine, zwei oder drei Wellen, aufweisen. Lediglich beispielhaft kann die mit der Kernwelle verbundene Turbine eine erste Turbine sein, der mit der Kernwelle verbundene Verdichter kann ein erster Verdichter sein und die Kernwelle kann eine erste Kernwelle sein. Der Triebwerkskern kann ferner eine zweite Turbine, einen zweiten Verdichter und eine zweite Kernwelle, die die zweite Turbine mit dem zweiten Verdichter verbindet, umfassen. Die zweite Turbine, der zweite Verdichter und die zweite Kernwelle können dahingehend angeordnet sein, sich mit einer höheren Drehzahl als die erste Kernwelle zu drehen.
Bei solch einer Anordnung kann der zweite Verdichter axial stromabwärts des ersten Verdichters positioniert sein. Der zweite Verdichter kann dahingehend angeordnet sein, Strömung von dem ersten Verdichter aufzunehmen (beispielsweise direkt aufzunehmen, beispielsweise über einen allgemein ringförmigen Kanal).
Das Getriebe kann dahingehend angeordnet sein, von der Kernwelle, die dazu konfiguriert ist, sich (beispielsweise im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen, (beispielsweise die erste Kernwelle in dem obigen Beispiel) angetrieben zu werden. Beispielsweise kann das Getriebe dahingehend angeordnet sein, lediglich von der Kernwelle, die dazu konfiguriert ist, sich (beispielsweise im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen, (beispielsweise nur von der ersten Kernwelle und nicht der zweiten Kernwelle bei dem obigen Beispiel) angetrieben zu werden. Alternativ dazu kann das Getriebe dahingehend angeordnet sein, von einer oder mehreren Wellen, beispielsweise der ersten und/oder der zweiten Welle in dem obigen Beispiel, angetrieben zu werden.
Bei einem Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und beansprucht wird, kann ein Brennraum axial stromabwärts des Gebläses und des Verdichters (der Verdichter) vorgesehen sein. Beispielsweise kann der Brennraum direkt stromabwärts des zweiten Verdichters (beispielsweise an dessen Ausgang) liegen, wenn ein zweiter Verdichter vorgesehen ist. Als ein weiteres Beispiel kann die Strömung am Ausgang des Verdichters dem Einlass der zweiten Turbine zugeführt werden, wenn eine zweite Turbine vorgesehen ist. Der Brennraum kann stromaufwärts der Turbine (der Turbinen) vorgesehen sein.
Der oder jeder Verdichter (beispielsweise der erste Verdichter und der zweite Verdichter gemäß obiger Beschreibung) kann eine beliebige Anzahl an Stufen, beispielsweise mehrere Stufen, umfassen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorschaufeln umfassen, bei denen es sich um variable Statorschaufeln (dahingehend, dass ihr Anstellwinkel variabel sein kann) handeln kann. Die Reihe von Rotorschaufeln und die Reihe von Statorschaufeln können axial voneinander versetzt sein.
Die oder jede Turbine (beispielsweise die erste Turbine und die zweite Turbine gemäß obiger Beschreibung) kann eine beliebige Anzahl an Stufen, beispielsweise mehrere Stufen, umfassen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorschaufeln umfassen. Die Reihe von Rotorschaufeln und die Reihe von Statorschaufeln können axial voneinander versetzt sein.
Jede Gebläseschaufel kann mit einer radialen Spannweite definiert sein, die sich von einem Fuß (oder einer Nabe) an einer radial innenliegenden von Gas überströmten Stelle oder an einer Position einer Spannbreite von 0 % zu einer Spitze an einer Position einer Spannbreite von 100 % erstreckt. Das Verhältnis des Radius der Gebläseschaufel an der Nabe zu dem Radius der Gebläseschaufel an der Spitze kann weniger als (oder in der Größenordnung von): 0,4, 0,39, 0,38, 0,37, 0,36, 0,35, 0,34, 0,33, 0,32, 0,31, 0,3, 0,29, 0,28, 0,27, 0,26 oder 0,25 liegen. Das Verhältnis des Radius der Gebläseschaufel an der Nabe zu dem Radius der Gebläseschaufel an der Spitze kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Diese Verhältnisse können allgemeinhin als das Nabe-Spitze-Verhältnis bezeichnet werden. Der Radius an der Nabe und der Radius an der Spitze können beide an dem vorderen Randteil (oder dem axial am weitesten vorne liegenden Rand) der Schaufel gemessen werden. Das Nabe-Spitze-Verhältnis bezieht sich natürlich auf den von Gas überströmten Abschnitt der Gebläseschaufel, d. h. den Abschnitt, der sich radial außerhalb jeglicher Plattform befindet.
Der Radius des Gebläses kann zwischen der Mittellinie des Triebwerks und der Spitze der Gebläseschaufel an ihrem vorderen Rand gemessen werden. Der Durchmesser des Gebläses (der einfach das Doppelte des Radius des Gebläses sein kann) kann größer als (oder in der Größenordnung von): 250 cm (etwa 100 Inch), 260 cm, 270 cm (etwa 105 Inch), 280 cm (etwa 110 Inch), 290 cm (etwa 115 Inch), 300 cm (etwa 120 Inch), 310 cm, 320 cm (etwa 125 Inch), 330 cm (etwa 130 Inch), 340 cm (etwa 135 Inch), 350 cm, 360 cm (etwa 140 Inch), 370 cm (etwa 145 Inch), 380 cm (etwa 150 Inch) oder 390 cm (etwa 155 Inch) sein (liegen). Der Gebläsedurchmesser kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Die Drehzahl des Gebläses kann im Gebrauch variieren. Allgemein ist die Drehzahl geringer für Gebläse mit einem größeren Durchmesser. Lediglich als ein nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Gebläses bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen weniger als 2500 U/min, beispielsweise weniger als 2300 U/min, betragen. Lediglich als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann auch die Drehzahl des Gebläses bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen für ein Triebwerk mit einem Gebläsedurchmesser im Bereich von 250 cm bis 300 cm (beispielsweise 250 cm bis 280 cm) im Bereich von 1700 U/min bis 2500 U/min, beispielsweise im Bereich von 1800 U/min bis 2300 U/min, beispielsweise im Bereich von 1900 U/min bis 2100 U/min, liegen. Lediglich als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Gebläses bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen für ein Triebwerk mit einem Gebläsedurchmesser im Bereich von 320 cm bis 380 cm in dem Bereich von 1200 U/min bis 2000 U/min, beispielsweise in dem Bereich von 1300 U/min bis 1800 U/min, beispielsweise in dem Bereich von 1400 U/min bis 1600 U/min, liegen.
Im Gebrauch des Gasturbinentriebwerks dreht sich das Gebläse (mit zugehörigen Gebläseschaufeln) um eine Drehachse. Diese Drehung führt dazu, dass sich die Spitze der Gebläseschaufel mit einer Geschwindigkeit U_Spitze bewegt. Die von den Gebläseschaufeln an der Strömung verrichtete Arbeit resultiert in einem Anstieg der Enthalpie dH der Strömung. Eine Gebläsespitzenbelastung kann als dH/U_Spitze ² definiert werden, wobei dH der Enthalpieanstieg (beispielsweise der durchschnittliche 1-D-Enthalpieanstieg) über das Gebläse hinweg ist und U_Spitze die (Translations-) Geschwindigkeit der Gebläsespitze, beispielsweise an dem vorderen Rand der Spitze, ist (die als Gebläsespitzenradius am vorderen Rand multipliziert mit der Winkelgeschwindigkeit definiert werden kann). Die Gebläsespitzenbelastung bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen kann mehr als (oder in der Größenordnung von): 0,3, 0,31, 0,32, 0,33, 0,34, 0,35, 0,36, 0,37, 0,38, 0,39 oder 0,4 betragen (liegen) (wobei alle Einheiten in diesem Abschnitt Jkg^-1K^-1/(ms^-1)² sind). Die Gebläsespitzenbelastung kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Gasturbinentriebwerke gemäß der vorliegenden Offenbarung können ein beliebiges gewünschtes Bypassverhältnis aufweisen, wobei das Bypassverhältnis als das Verhältnis des Massendurchsatzes der Strömung durch den Bypasskanal zu dem Massendurchsatz der Strömung durch den Kern bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen definiert wird. Bei einigen Anordnungen kann das Bypassverhältnis mehr als (in der Größenordnung von): 10, 10,5, 11, 11,5, 12, 12,5, 13, 13,5, 14, 14,5, 15, 15,5, 16, 16,5 oder 17 betragen (liegen). Das Bypassverhältnis kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Der Bypasskanal kann im Wesentlichen ringförmig sein. Der Bypasskanal kann sich radial außerhalb des Triebwerkskerns befinden. Die radial äußere Fläche des Bypasskanals kann durch eine Triebwerksgondel und/oder ein Gebläsegehäuse definiert werden.
Das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, das hier beschrieben und beansprucht wird, kann als das Verhältnis des Staudrucks stromaufwärts des Gebläses zu dem Staudruck am Ausgang des Höchstdruckverdichters (vor dem Eingang in den Brennraum) definiert werden. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, das hier beschrieben und beansprucht wird, bei Konstantgeschwindigkeit mehr als (oder in der Größenordnung von): 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75 betragen (liegen). Das Gesamtdruckverhältnis kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Der spezifische Schub eines Gasturbinentriebwerks kann als der Nettoschub des Gasturbinentriebwerks dividiert durch den Gesamtmassenstrom durch das Triebwerk hindurch definiert werden. Bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen kann der spezifische Schub eines Triebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, weniger als (oder in der Größenordnung von): 110 Nkg^-1s, 105 Nkg^-1s, 100 Nkg^-1s, 95 Nkg^-1s, 90 Nkg^-1s, 85 Nkg^-1s oder 80 Nkg^-1s betragen (liegen). Der spezifische Schub kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Solche Gasturbinentriebwerke können im Vergleich zu herkömmlichen Gasturbinentriebwerken besonders effizient sein.
Ein Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und beansprucht wird, kann einen beliebigen gewünschten Höchstschub aufweisen. Lediglich als ein nicht einschränkendes Beispiel kann eine Gasturbine, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, zur Erzeugung eines Höchstschubs von mindestens (oder in der Größenordnung von): 160kN, 170kN, 180kN, 190kN, 200kN, 250kN, 300kN, 350kN, 400kN, 450kN, 500kN oder 550kN in der Lage sein. Der Höchstschub kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Der Schub, auf den oben Bezug genommen wird, kann der Nettohöchstschub bei standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen auf Meereshöhe plus 15 Grad C (Umgebungsdruck 101,3 kPa, Temperatur 30 Grad C) bei statischem Triebwerk sein.
Im Gebrauch kann die Temperatur der Strömung am Eingang der Hochdruckturbine besonders hoch sein. Diese Temperatur, die als TET bezeichnet werden kann, kann an dem Ausgang zum Brennraum, beispielsweise unmittelbar stromaufwärts der ersten Turbinenschaufel, die wiederum als eine Düsenleitschaufel bezeichnet werden kann, gemessen werden. Bei Konstantgeschwindigkeit kann die TET mindestens (oder in der Größenordnung von): 1400K, 1450K, 1500K, 1550K, 1600K oder 1650K betragen (liegen). Die TET bei Konstantgeschwindigkeit kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Die maximale TET im Gebrauch des Triebwerks kann beispielsweise mindestens (oder in der Größenordnung von): 1700K, 1750K, 1800K, 1850K, 1900K, 1950K oder 2000K betragen (liegen). Die maximale TET kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Die maximale TET kann beispielsweise bei einer Bedingung von hohem Schub, beispielsweise bei einer MTO-Bedingung (MTO - Maximum Take-Off thrust - maximaler Startschub), auftreten.
Eine Gebläseschaufel und/oder ein Blattabschnitt einer Gebläseschaufel, die hier beschrieben wird, kann aus einem beliebigen geeigneten Material oder einer Kombination aus Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann zumindest ein Teil der Gebläseschaufel und/oder des Blatts zumindest zum Teil aus einem Verbundstoff, beispielsweise einem Metallmatrix-Verbundstoff und/oder einem Verbundstoff mit organischer Matrix, wie z. B. Kohlefaser, hergestellt werden. Als ein weiteres Beispiel kann zumindest ein Teil der Gebläseschaufel und/oder des Blatts zumindest zum Teil aus einem Metall, wie z. B. einem auf Titan basierendem Metall oder einem auf Aluminium basierenden Material (wie z. B. einer Aluminium-Lithium-Legierung) oder einem auf Stahl basierenden Material hergestellt werden. Die Gebläseschaufel kann mindestens zwei Bereiche umfassen, die unter Verwendung verschiedener Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann die Gebläseschaufel einen vorderen Schutzrand aufweisen, der unter Verwendung eines Materials hergestellt wird, das dem Aufschlagen (beispielsweise von Vögeln, Eis oder anderem Material) besser widerstehen kann als der Rest der Schaufel. Solch ein vorderer Rand kann beispielsweise unter Verwendung von Titan oder einer auf Titan basierenden Legierung hergestellt werden. Somit kann die Gebläseschaufel lediglich als ein Beispiel einen auf Kohlefaser oder Aluminium basierenden Körper (wie z. B. eine Aluminium-Lithium-Legierung) mit einem vorderen Rand aus Titan aufweisen.
Ein Gebläse, das hier beschrieben wird, kann einen mittleren Abschnitt umfassen, von dem sich die Gebläseschaufeln, beispielsweise in einer radialen Richtung, erstrecken können. Die Gebläseschaufeln können auf beliebige gewünschte Art und Weise an dem mittleren Abschnitt angebracht sein. Beispielsweise kann jede Gebläseschaufel eine Fixierungsvorrichtung umfassen, die mit einem entsprechenden Schlitz in der Nabe (oder Scheibe) in Eingriff gelangen kann. Lediglich als ein Beispiel kann solch eine Fixierungsvorrichtung in Form eines Schwalbenschwanzes vorliegen, der zur Fixierung der Gebläseschaufel an der Nabe/Scheibe in einen entsprechenden Schlitz in der Nabe/Scheibe eingesteckt und/oder damit in Eingriff gebracht werden kann. Als ein weiteres Beispiel können die Gebläseschaufeln integral mit einem mittleren Abschnitt ausgebildet sein. Solch eine Anordnung kann als eine Blisk oder ein Bling bezeichnet werden. Ein beliebiges geeignetes Verfahren kann zur Herstellung solch einer Blisk oder solch eines Bling verwendet werden. Beispielsweise kann zumindest ein Teil der Gebläseschaufeln aus einem Block maschinell herausgearbeitet werden und/oder mindestens ein Teil der Gebläseschaufeln kann durch Schweißen, wie z. B. lineares Reibschweißen, an der Nabe/Scheibe angebracht werden.
Die Gasturbinentriebwerke, die hier beschrieben und beansprucht werden, können oder können nicht mit einer VAN (Variable Area Nozzle - Düse mit variablem Querschnitt) versehen sein. Solch eine Düse mit variablem Querschnitt kann eine Variation des Ausgangsquerschnitts des Bypasskanals im Gebrauch gestatten. Die allgemeinen Prinzipien der vorliegenden Offenbarung können auf Triebwerke mit oder ohne eine VAN zutreffen.
Das Gebläse eines Gasturbinentriebwerkes, das hier beschrieben und beansprucht wird, kann eine beliebige gewünschte Anzahl an Gebläseschaufeln, beispielsweise 16, 18, 20 oder 22 Gebläseschaufeln, aufweisen.
Gemäß der hier erfolgenden Verwendung können Konstantgeschwindigkeitsbedingungen Konstantgeschwindigkeitsbedingungen eines Luftfahrzeugs bedeuten, an dem das Gasturbinentriebwerk angebracht ist. Solche Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können herkömmlicherweise als die Bedingungen während des mittleren Teils des Flugs definiert werden, beispielsweise die Bedingungen, denen das Luftfahrzeug und/oder das Gasturbinentriebwerk zwischen (hinsichtlich Zeit und/oder Entfernung) dem Ende des Steigflugs und dem Beginn des Sinkflugs ausgesetzt wird bzw. werden.
Lediglich als ein Beispiel kann die Vorwärtsgeschwindigkeit bei der Konstantgeschwindigkeitsbedingung bei einem beliebigen Punkt im Bereich von Mach 0,7 bis 0,9, beispielsweise 0,75 bis 0,85, beispielsweise 0,76 bis 0,84, beispielsweise 0,77 bis 0,83, beispielsweise 0,78 bis 0,82, beispielsweise 0,79 bis 0,81, beispielsweise in der Größenordnung von Mach 0,8, in der Größenordnung von Mach 0,85 oder in dem Bereich von 0,8 bis 0,85 liegen. Eine beliebige Geschwindigkeit innerhalb dieser Bereiche kann die Konstantfahrtbedingung sein. Bei einigen Luftfahrzeugen können die Konstantfahrtbedingungen außerhalb dieser Bereiche, beispielsweise unter Mach 0,7 oder über Mach 0,9, liegen.
Lediglich als ein Beispiel können die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen bei einer Höhe, die im Bereich von 10.000 m bis 15.000 m, beispielsweise im Bereich von 10.000 m bis 12.000 m, beispielsweise im Bereich von 10.400 m bis 11.600 m (etwa 38.000 Fuß) beispielsweise im Bereich von 10.500 m bis 11.500 m, beispielsweise im Bereich von 10.600 m bis 11.400 m, beispielsweise im Bereich von 10.700 m (etwa 35.000 Fuß) bis 11.300 m, beispielsweise im Bereich von 10.800 m bis 11.200 m, beispielsweise im Bereich von 10.900 m bis 11.100 m, beispielsweise in der Größenordnung von 11.000 m, liegt, entsprechen. Die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen bei einer beliebigen gegebenen Höhe in diesen Bereichen entsprechen.
Lediglich als ein Beispiel können die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen Folgendem entsprechen: einer Vorwärts-Mach-Zahl von 0,8; einem Druck von 23.000 Pa und einer Temperatur von -55 Grad C.
So wie sie hier durchweg verwendet werden, können „Konstantgeschwindigkeit“ oder „Konstantgeschwindigkeitsbedingungen“ den aerodynamischen Auslegungspunkt bedeuten. Solch ein aerodynamischer Auslegungspunkt (oder ADP - Aerodynamic Design Point) kann den Bedingungen (darunter beispielsweise die Mach-Zahl, Umgebungsbedingungen und Schubanforderung), für die der Gebläsebetrieb ausgelegt ist, entsprechen. Dies kann beispielsweise die Bedingungen, bei denen das Gebläse (oder das Gasturbinentriebwerk) konstruktionsgemäß den optimalen Wirkungsgrad aufweist, bedeuten.
Im Gebrauch kann ein Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und beansprucht wird, bei den Konstantgeschwindigkeitsbedingungen, die hier an anderer Stelle definiert werden, betrieben werden. Solche Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können von den Konstantgeschwindigkeitsbedingungen (beispielsweise den Bedingungen während des mittleren Teils des Fluges) eines Luftfahrzeugs, an dem mindestens ein (beispielsweise 2 oder 4) Gasturbinentriebwerk zur Bereitstellung von Schubkraft befestigt sein kann, bestimmt werden.
Für den Fachmann ist verständlich, dass ein Merkmal oder Parameter, das bzw. der in Bezug auf einen der obigen Aspekte beschrieben wird, bei einem beliebigen anderen Aspekt angewendet werden kann, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Des Weiteren kann ein beliebiges Merkmal oder ein beliebiger Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, bei einem beliebigen Aspekt angewendet werden und/oder mit einem beliebigen anderen Merkmal oder Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, kombiniert werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
Es zeigt:

1 eine Längsschnittansicht eines Gasturbinentriebwerks;
2 eine vergrößerte Teillängsschnittansicht eines stromaufwärtigen Abschnitts eines Gasturbinentriebwerks;
3 eine Alleindarstellung eines Getriebes für ein Gasturbinentriebwerk;
4 eine stark schematisierte Teilschnittansicht eines Planetenträgers mit zwei Wangen und mit einem mit dem Planetenträger wirkverbundenen Planetenrad, wobei eine Drehachse des Planetenrades parallel zu einer Drehachse des Planetenträgers verläuft;
5 eine weitere schematisierte Teilansicht des Planetenträgers und des Planetenrades gemäß 4 im Betrieb eines mit dem Getriebe gemäß 4 und 5 ausgeführten Gasturbinentriebwerkes;
6 einen Verlauf einer tangentialen Auslenkung der Drehachse des Planetenrades gegenüber der Drehachse des Planetenträgers über Eingriffskräften im Bereich der Verzahnung zwischen dem Planetenrad und einem damit kämmenden Sonnenrad und/oder einem damit kämmenden Hohlrad des Planetengetriebes gemäß 4;
7 eine 6 entsprechende Darstellung eines Verlaufes einer radialen Auslenkung der Drehachse des Planetenrades gegenüber der Drehachse des Planetenträgers gemäß 4 über der Drehwinkelgeschwindigkeit des Planetenträgers;
8 eine 5 entsprechende Darstellung, wobei Symmetrielinien von Bohrungen der Wangen parallel zueinander ausgerichtet und in tangentialer Richtung und/oder in radialer Richtung zueinander beabstandet sind sowie parallel zur Drehachse des Planetenträgers angeordnet sind;
9 eine 8 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Getriebes, bei welcher Symmetrielinien von Bohrungen der Wangen des Planetenträgers miteinander fluchten und einen Winkel mit der Drehachse des Planetenträgers einschließen;
10 eine 6 entsprechende Darstellung des Verlaufes der Auslenkung der Drehachse des Planetenrades gegenüber der Drehachse des Planetenträgers über der Eingriffskraft, der sich durch den in 8 oder in 9 dargestellten Achsversatz zwischen der Drehachse des Planetenrades und der Drehachse des Planetenträgers einstellt;
11 eine 7 entsprechende Darstellung des Verlaufes der Auslenkung der Drehachse des Planetenrades gegenüber der Drehachse des Planetenträgers, der sich im Vergleich zu dem Verlauf gemäß 7 beispielsweise durch den in 8 bzw. in 9 dargestellten Achsversatz zwischen der Drehachse des Planetenrades und der Drehachse des Planetenträgers einstellt.

1 stellt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einer Hauptdrehachse 9 dar. Das Triebwerk 10 umfasst einen Lufteinlass 12 und ein Schubgebläse 23, das zwei Luftströme erzeugt: einen Kernluftstrom A und einen Bypassluftstrom B. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst einen Kern 11, der den Kernluftstrom A aufnimmt. Der Triebwerkskern 11 umfasst in Axialströmungsreihenfolge einen Niederdruckverdichter 14, einen Hochdruckverdichter 15, eine Verbrennungseinrichtung 16, eine Hochdruckturbine 17, eine Niederdruckturbine 19 und eine Kernschubdüse 20. Eine Triebwerksgondel 21 umgibt das Gasturbinentriebwerk 10 und definiert einen Bypasskanal 22 und eine Bypassschubdüse 18. Der Bypassluftstrom B strömt durch den Bypasskanal 22. Das Gebläse 23 ist über eine Welle 26 und ein Epizykloidengetriebe 30 an der Niederdruckturbine 19 angebracht und wird durch diese angetrieben. Dabei wird die Welle 26 auch als Kernwelle bezeichnet.
Im Gebrauch wird der Kernluftstrom A durch den Niederdruckverdichter 14 beschleunigt und verdichtet und in den Hochdruckverdichter 15 geleitet, wo eine weitere Verdichtung erfolgt. Die aus dem Hochdruckverdichter 15 ausgestoßene verdichtete Luft wird in die Verbrennungseinrichtung 16 geleitet, wo sie mit Kraftstoff vermischt wird und das Gemisch verbrannt wird. Die resultierenden heißen Verbrennungsprodukte breiten sich dann durch die Hochdruck- und die Niederdruckturbine 17, 19 aus und treiben diese dadurch an, bevor sie zur Bereitstellung einer gewissen Schubkraft durch die Düse 20 ausgestoßen werden. Die Hochdruckturbine 17 treibt den Hochdruckverdichter 15 durch eine geeignete Verbindungswelle 27 an, die auch als Kernwelle bezeichnet wird. Das Gebläse 23 stellt allgemein den Hauptteil der Schubkraft bereit. Das Epizykloidengetriebe 30 ist ein Untersetzungsgetriebe.
Eine beispielhafte Anordnung für ein Getriebegebläse-Gasturbinentriebwerk 10 wird in 2 gezeigt. Die Niederdruckturbine 19 (siehe 1) treibt die Welle 26 an, die mit einem Sonnenrad 28 der Epizykloidengetriebeanordnung 30 gekoppelt ist. Mehrere Planetenräder 32, die durch einen Planetenträger 34 miteinander gekoppelt sind, befinden sich von dem Sonnenrad 28 radial außen und kämmen damit und sind jeweils drehbar auf drehfest mit dem Planetenträger 34 verbundenen Trägerelementen 29 angeordnet. Der Planetenträger 34 beschränkt die Planetenräder 32 darauf, synchron um das Sonnenrad 28 zu kreisen, während er ermöglicht, dass sich jedes Planetenrad 32 auf den Trägerelementen 29 um seine eigene Achse drehen kann. Der Planetenträger 34 ist über Gestänge 36 mit dem Gebläse 23 dahingehend gekoppelt, seine Drehung um die Triebwerksachse 9 anzutreiben. Ein Außenrad oder Hohlrad 38, das über Gestänge 40 mit einer stationären Stützstruktur 24 gekoppelt ist, befindet sich von den Planetenrädern 32 radial außen und kämmt damit.
Es wird angemerkt, dass die Begriffe „Niederdruckturbine“ und „Niederdruckverdichter“, so wie sie hier verwendet werden, so aufgefasst werden können, dass sie die Turbinenstufe mit dem niedrigsten Druck bzw. die Verdichterstufe mit dem niedrigsten Druck (d. h. dass sie nicht das Gebläse 23 umfassen) und/oder die Turbinen- und Verdichterstufe, die durch die Verbindungswelle 26 mit der niedrigsten Drehzahl in dem Triebwerk (d. h. dass sie nicht die Getriebeausgangswelle, die das Gebläse 23 antreibt, umfasst) miteinander verbunden sind, bedeuten. In einigen Schriften können die „Niederdruckturbine“ und der „Niederdruckverdichter“, auf die hier Bezug genommen wird, alternativ dazu als die „Mitteldruckturbine“ und „Mitteldruckverdichter“ bekannt sein. Bei der Verwendung derartiger alternativer Nomenklatur kann das Gebläse 23 als eine erste Verdichtungsstufe oder Verdichtungsstufe mit dem niedrigsten Druck bezeichnet werden.
Das Epizykloidengetriebe 30 wird in 3 beispielhaft genauer gezeigt. Das Sonnenrad 28, die Planetenräder 32 und das Hohlrad 38 umfassen jeweils Zähne um ihre Peripherie zum Kämmen mit den anderen Zahnrädern. Jedoch werden der Übersichtlichkeit halber lediglich beispielhafte Abschnitte der Zähne in 3 dargestellt. Obgleich vier Planetenräder 32 dargestellt werden, liegt für den Fachmann auf der Hand, dass innerhalb des Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung mehr oder weniger Planetenräder 32 vorgesehen sein können. Praktische Anwendungen eines Epizykloidengetriebes 30 umfassen allgemein mindestens drei Planetenräder 32.
Das in 2 und 3 beispielhaft dargestellte Epizykloidengetriebe 30 ist ein Planetengetriebe, bei dem der Planetenträger 34 über Gestänge 36 mit einer Ausgangswelle gekoppelt ist, wobei das Hohlrad 38 festgelegt ist. Jedoch kann eine beliebige andere geeignete Art von Epizykloidengetriebe 30 verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel kann das Epizykloidengetriebe 30 eine Sternanordnung sein, bei der der Planetenträger 34 festgelegt gehalten wird, wobei gestattet wird, dass sich das Hohlrad (oder Außenrad) 38 dreht. Bei solch einer Anordnung wird das Gebläse 23 von dem Hohlrad 38 angetrieben. Als ein weiteres alternatives Beispiel kann das Getriebe 30 ein Differenzialgetriebe sein, bei dem gestattet wird, dass sich sowohl das Hohlrad 38 als auch der Planetenträger 34 drehen.
Es versteht sich, dass die in 2 und 3 gezeigte Anordnung lediglich beispielhaft ist und verschiedene Alternativen in dem Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung liegen. Lediglich beispielhaft kann eine beliebige geeignete Anordnung zur Positionierung des Getriebes 30 in dem Triebwerk 10 und/oder zur Verbindung des Getriebes 30 mit dem Triebwerk 10 verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel können die Verbindungen (z. B. die Gestänge 36, 40 in dem Beispiel von 2) zwischen dem Getriebe 30 und anderen Teilen des Triebwerks 10 (wie z. B. der Eingangswelle 26, der Ausgangswelle und der festgelegten Struktur 24) einen gewissen Grad an Steifigkeit oder Flexibilität aufweisen. Als ein weiteres Beispiel kann eine beliebige geeignete Anordnung der Lager zwischen rotierenden und stationären Teilen des Triebwerks (beispielsweise zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle des Getriebes und den festgelegten Strukturen, wie z. B. dem Getriebegehäuse) verwendet werden, und die Offenbarung ist nicht auf die beispielhafte Anordnung von 2 beschränkt. Beispielsweise ist für den Fachmann ohne weiteres erkenntlich, dass sich die Anordnung von Ausgang und Stützgestängen und Lagerpositionierungen bei einer Sternanordnung (oben beschrieben) des Getriebes 30 in der Regel von jenen, die beispielhaft in 2 gezeigt werden, unterscheiden würden.
Entsprechend dehnt sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk mit einer beliebigen Anordnung der Getriebearten (beispielsweise sternförmig oder planetenartig), Stützstrukturen, Eingangs- und Ausgangswellenanordnung und Lagerpositionierungen aus.
Optional kann das Getriebe Neben- und/oder alternative Komponenten (z. B. den Mitteldruckverdichter und/oder einen Nachverdichter) antreiben.
Andere Gasturbinentriebwerke, bei denen die vorliegende Offenbarung Anwendung finden kann, können alternative Konfigurationen aufweisen. Beispielsweise können derartige Triebwerke eine alternative Anzahl an Verdichtern und/oder Turbinen und/oder eine alternative Anzahl an Verbindungswellen aufweisen. Als ein weiteres Beispiel weist das in 1 gezeigte Gasturbinentriebwerk eine Teilungsstromdüse 20, 22 auf, was bedeutet, dass der Strom durch den Bypasskanal 22 seine eigene Düse aufweist, die von der Triebwerkskerndüse 20 separat und davon radial außen ist. Jedoch ist dies nicht einschränkend und ein beliebiger Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann auch auf Triebwerke zutreffen, bei denen der Strom durch den Bypasskanal 22 und der Strom durch den Kern 11 vor (oder stromaufwärts) einer einzigen Düse, die als eine Mischstromdüse bezeichnet werden kann, vermischt oder kombiniert werden. Eine oder beide Düsen (ob Misch- oder Teilungsstrom) kann oder können einen festgelegten oder variablen Bereich aufweisen. Obgleich sich das beschriebene Beispiel auf ein Turbogebläsetriebwerk bezieht, kann die Offenbarung beispielsweise bei einer beliebigen Art von Gasturbinentriebwerk, wie z. B. bei einem Open-Rotor- (bei dem die Gebläsestufe nicht von einer Triebwerksgondel umgeben wird) oder einem Turboprop-Triebwerk, angewendet werden.
Die Geometrie des Gasturbinentriebwerks 10 und Komponenten davon wird bzw. werden durch ein herkömmliches Achsensystem definiert, das eine axiale Richtung (die auf die Drehachse 9 ausgerichtet ist), eine radiale Richtung (in der Richtung von unten nach oben in 1) und eine Umfangsrichtung (senkrecht zu der Ansicht in 1) umfasst. Die axiale, die radiale und die Umfangsrichtung verlaufen senkrecht zueinander.
4 zeigt einen Bereich des Getriebes 30 in herkömmlicher Bauart. Dabei umfasst der in 4 gezeigte Bereich des Getriebes 30 den Planetenträger 34, der vorliegend mit zwei Wangen 41 und 42 ausgeführt ist. Zwischen den Wangen 41 und 42 des Planetenträgers 34 ist eines der Planetenräder 32 angeordnet bzw. dargestellt. Das Planetenrad 32 ist über Lager 43, 44 drehbar im ebenfalls drehbar ausgeführten Planetenträger 34 gelagert. Die Lager 43 und 44 sind vorliegend in Bohrungen 45, 46 der Wangen 41, 42 angeordnet. Ein am Planetenträger 34 im Betrieb anliegendes Drehmoment wird im Bereich der Wange 41 abgestützt, womit bei dem vorliegend betrachteten Ausführungsbeispiel eine asymmetrische Drehmomentausleitung aus dem Getriebe 30 vorliegt.
Der Darstellung gemäß 4 liegt im Wesentlichen ein lastfreier Betriebszustand des Getriebes 30 zugrunde, bei dem eine Drehachse 47 des Planetenrades 32 parallel zur Drehachse 48 des Planetenträgers ausgerichtet ist.
Im Betrieb des Getriebes 30 bewirkt die einseitige Entnahme des am Planetenträger 34 anliegenden Drehmomentes, dass der Planetenträger 34 in Umfangsrichtung verformt bzw. verdrillt wird. Diese lastspezifische Verformung des Planetenträgers 34 führt dazu, dass die in lastfreiem Betriebszustand des Getriebes 30 parallel zur Drehachse 48 des Planetenträgers 34 verlaufende Drehachse 47 des Planetenrades 32 den in 5 dargestellten Verlauf 475 aufweist, was jedoch unerwünscht ist. Der Verlauf 475 der Drehachse 47 des Planetenrades 32 verschlechtert jeweils ein Tragbild der Verzahnung zwischen dem Planetenrad 32 und dem Sonnenrad 28 und der Verzahnung zwischen dem Planetenrad 32 und dem Hohlrad 38 derart, dass im Betrieb des Getriebes 30 die Planetenräder 32, das Sonnenrad 28 und das Hohlrad 38 gegebenenfalls in unzulässig hohem Umfang belastet werden und eine Lebensdauer des Planetengetriebes 30 beeinträchtigt wird.
Wie in 6 näher gezeigt ist, steigt eine in 5 näher angegebene tangentiale Auslenkung et der Drehachse 47 des Planetenrades 32 gegenüber der Drehachse 48 des Planetenträgers mit zunehmender Eingriffskraft Fmesh linear an. Dabei entspricht die tangentiale Auslenkung et in einem Wert Fmesh1 der Eingriffskraft Fmesh einem Betriebspunkt des Gasturbinentriebwerkes 10, der typisch für einen Flugbetrieb eines mit dem Gasturbinentriebwerk 10 ausgeführten Flugzeuges im Teillastbetrieb ist. Im Unterschied wirkt in einem weiteren Betriebspunkt des Gasturbinentriebswerkes 30 ein höherer Wert Fmesh2 der Eingriffskraft Fmesh im Bereich der Verzahnungen des Planetengetriebes 30. In diesem Betriebszustand liegt das Gasturbinentriebwerkes 10 beispielsweise während eines Startbetriebes eines Flugzeuges vor, weshalb die Verweilzeit in diesem Betriebszustand gering ist.
In 7 ist der Verlauf einer radialen Auslenkung erad der Drehachse 47 des Planetenrades 32 gegenüber der Drehachse 48 des Planetenträgers 34 über der Drehwinkelgeschwindigkeit ω des Planetenträgers 34 dargestellt. Der Verlauf der radialen Auslenkung erad ist parabelförmig, da die Drehwinkelgeschwindigkeit ω des Planetenträgers 34 in die Bestimmung der jeweils angreifenden Zentrifugalkraft quadratisch einfließt. Aus der Darstellung gemäß 7 geht hervor, dass die radiale Auslenkung erad der Drehachse 47 des Planetenrades 32 gegenüber der Drehachse 48 des Planetenträgers 34 mit steigender Drehwinkelgeschwindigkeit ω des Planetenträgers 34 zunimmt.
8 zeigt wiederum eine schematisierte Darstellung des Planetenträgers 34 und der beiden Wangen 41 und 42 sowie die beiden Bohrungen 45 und 46 der Wangen 41 und 42. Aus der Darstellung gemäß 8 geht hervor, dass Symmetrielinien 45A und 46A der Bohrungen 45 und 46 parallel zueinander verlaufend angeordnet sind und vorliegend in Umfangsrichtung und in radialer Richtung einen fertigungstechnisch hergestellten Abstand eM/C zueinander aufweisen. Dies führt dazu, dass die Drehachse 47 im lastfreien Betriebszustand des Getriebes 30 vorliegend in der Zeichenebene in Umfangsrichtung einen Winkel α mit der Drehachse 48 des Planetenträgers einschließt. Im Betrieb des Getriebes 30 ist der Verlauf 475 der Drehachse 47 des Planetenrades 32 in einem vordefinierten Betriebsbereich des Getriebes 30 parallel zur Drehachse 48 des Planetenträgers 34.
9 zeigt eine weitere Ausführungsform des Getriebes 30, bei der die Symmetrielinien 45A und 46A der Bohrungen 45 und 46 der Wangen 41 und 42 fluchtend zueinander angeordnet sind und im lastfreien Betriebszustand des Getriebes 30 in der Zeichenebene in Umfangsrichtung einen Winkel β mit der Drehachse 48 des Planetenträgers 34 einschließen. Dabei fluchten die Symmetrielinien 45A und 46A vorliegend auch mit der Drehachse 47 des Planetenrades 32, wenn sich das Getriebe 30 in lastfreiem Betriebszustand befindet. Dadurch ergibt sich wiederum eine tangentiale Auslenkung et der Drehachse 47 des Planetenrades 32 im Bereich der Wange 42, die gegenüber der Wange 41 unter Last in dem in 5 dargestellten Umfang gegenüber der Wange 41 verdrillt wird. Im Betrieb des Getriebes 30 ist der Verlauf 475 der Drehachse 47 des Planetenrades 32 in einem vordefinierten Betriebsbereich des Getriebes 30 parallel zur Drehachse 48 des Planetenträgers 34.
Die in 8 und die in 9 dargestellte konstruktive Ausführung des Getriebes 30 und die jeweils daraus resultierenden Achsversätze et und erad zwischen der Drehachse 47 des Planetenrades 32 und der Drehachse 48 des Planetenträgers 34 im lastfreien Betriebszustand des Getriebes 30 bewirken je nach betriebspunktabhängiger Auslegung der Auslenkungen et und erad, dass in dem jeweils betreffenden Betriebspunkt die Drehachse 47 des Planetenrades 32 in gewünschtem Umfang parallel zur Drehachse 48 des Planetenträgers 34 verläuft. Die sich auf die tangentiale Auslenkung et bzw. auf den tangentialen Achsversatz zwischen den Drehachsen 47 und 48 des Planetenrades 32 und des Planetenträgers 34 auswirkende Gestaltung gemäß 8 und 9 zeigt 10.
Dabei ist die tangentiale Auslenkung et nun beispielsweise im ersten Wert Fmesh1 der Eingriffskraft Fmesh im Vergleich zu der Darstellung gemäß 6 kleiner bzw. gleich null. Damit werden in diesem Betriebspunkt des Gasturbinentriebwerkes 10 bzw. des Getriebes 30 die Lebensdauer des Getriebes 30 beeinträchtigende Schrägstellungen der Verzahnungen zwischen dem Planetenrad 32 und dem Sonnenrad 28 und/oder dem Hohlrad 38 auf ein Minimum reduziert und unerwünschte Belastungen in diesem Bereich vermieden.
Die gleiche Wirkung ist auch durch eine entsprechend konstruktiv eingestellte radiale Auslenkung erad zwischen der Drehachse 47 des Planetenrades 32 und der Drehachse 48 des Planetenträgers 34 erzielbar. Dies zeigt ein Vergleich der Darstellungen gemäß 7 und 11. Der in 11 gezeigte Verlauf der radialen Auslenkung erad zwischen der Drehachse 47 des Planetenrades 32 und der Drehachse 48 des Planetenträgers 34 stellt sich im Betrieb eines Getriebes 30 ein, das in der in 8 oder 9 gezeigten Art und Weise ausgeführt ist. Dabei ist ein radialer Achsversatz erad zwischen den beiden Drehachsen 47 und 48 im Wert ω1 der Drehwinkelgeschwindigkeit ω des Planetenträgers 34 gemäß dem in 11 gezeigten Verlauf im Vergleich zum Verlauf erad gemäß 7, der sich im Betrieb eines Getriebes 30 gemäß 4 einstellt, wesentlich geringer bzw. im Wesentlichen gleich null.
Damit werden in diesem Betriebspunkt des Gasturbinentriebwerkes 10 bzw. des Getriebes 30 gemäß 8 bzw. gemäß 9 die Lebensdauer des Getriebes 30 beeinträchtigende Schrägstellungen der Verzahnungen zwischen dem Planetenrad 32 und dem Sonnenrad 28 und/oder dem Hohlrad 38 ebenfalls auf ein Minimum reduziert und unerwünschte Belastungen in diesem Bereich vermieden.
Bezugszeichenliste

9: Hauptdrehachse
10: Gasturbinentriebwerk
11: Kern
12: Lufteinlass
14: Niederdruckverdichter
15: Hochdruckverdichter
16: Verbrennungseinrichtung
17: Hochdruckturbine
18: Bypassschubdüse
19: Niederdruckturbine
20: Kernschubdüse
21: Triebwerksgondel
22: Bypasskanal
23: Schubgebläse
24: Stützstruktur
26: Welle, Verbindungswelle
27: Verbindungswelle
28: Sonnenrad
30: Getriebe, Planetengetriebe
32: Planetenrad
34: Planetenträger
36: Gestänge
38: Hohlrad
40: Gestänge
41: Wange
42: Wange
43: Lager des Planetenrades
44: Lager des Planetenrades
45: Bohrung der Wange 41
46: Bohrung der Wange 42
45A: Symmetrielinie der Bohrung 45
46A: Symmetrielinie der Bohrung 46
47: Drehachse des Planetenrades
48: Drehachse des Planetenträgers
475: weiterer Verlauf der Drehachse des Planetenrades
eM/C: Auslenkung
erad: radiale Auslenkung
et: tangentiale Auslenkung
Fmesh: Eingriffskraft
Fmesh1: diskreter Wert der Eingriffskraft
Fmesh2: diskreter Wert der Eingriffskraft
α, β: Winkel
ω: Drehwinkelgeschwindigkeit des Planetenträgers
ω1: diskreter Wert der Drehwinkelgeschwindigkeit

Claims

Getriebe (30) mit wenigstens einem Planetenträger (34), der zwei zueinander in axialer Richtung beabstandete Wangen (41, 42) umfasst, in den wenigstens ein drehbar gegenüber dem Planetenträger (34) ausgeführtes Planetenrad (32) mit dem Planetenträger (43) in Wirkverbindung steht, wobei das Planetenrad (32) mit wenigstens einem Hohlrad (38) und/oder mit wenigstens einem Sonnenrad (28) in Eingriff steht, eine Drehachse (47) des Planetenrades (32) unterhalb oder gleich einer definierten lastabhängigen Verformung des Planetenträgers (34) von einem parallelen Verlauf einer Symmetrieachse (48) des Planetenträgers (34) abweicht, und die Drehachse (47) des Planentenrades (32) bei einer weiteren definierten lastabhängigen Verformung des Planetenträgers (34), die größer ist als die definierte lastabhängige Verformung des Planetenträgers (34), wenigstens annähernd parallel zur Symmetrieachse (48) des Planetenträgers (34) verläuft.
Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein äußeres Lagerteil eines Lagers (43, 44) des Planetenrades (32), über das das Planetenrad (32) drehbar gegenüber dem Planetenträger (34) ausgeführt ist, oder jeweils ein Endbereich eines Planetenbolzens, auf dem das Planetenrad (32) drehbar gelagert, drehfest in einer Ausnehmung (45, 46) einer Wange (41, 42) angeordnet sind.
Getriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (45, 46) der Wangen (41, 42) als Bohrungen ausgebildet sind.
Getriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Symmetrielinien (45A, 46A) der Bohrungen (45, 46) parallel zueinander und in radialer und/oder in tangentialer Richtung der Wangen (41, 42) versetzt zueinander verlaufen und parallel zur Symmetrielinie (48) des Planetenträgers (34) angeordnet sind oder mit der Symmetrielinie (48) des Planetenträgers (34) einen spitzen Winkel (a; β) einschließen.
Getriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Symmetrielinien (45A, 46A) der Bohrungen (45, 46) wenigstens annähernd miteinander fluchten und mit der Symmetrielinie (48) des Planetenträgers (34) einen spitzen Winkel (a; β) einschließen.
Getriebe nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den Bohrungen (45, 46) Hülsen angeordnet sind, die mit in Bezug auf eine Außenseite der Hülsen mit jeweils einer asymmetrischen Bohrung ausgeführt sind, wobei Symmetrielinien der Hülsen parallel zueinander und in radialer und/oder in tangentialer Richtung der Wangen (41, 42) versetzt zueinander verlaufen und parallel zur Symmetrielinie (48) des Planetenträgers (34) angeordnet sind oder mit der Symmetrielinie (48) des Planetenträgers (34) einen spitzen Winkel (α; β) einschließen.
Planetengetriebe nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den Bohrungen (45, 46) Hülsen angeordnet sind, die mit in Bezug auf eine Außenseite der Hülsen mit jeweils einer asymmetrischen Bohrung ausgeführt sind und deren Symmetrielinien wenigstens annähernd miteinander fluchten und mit der Symmetrielinie (48) des Planetenträgers (34) einen spitzen Winkel (α; β) einschließen
Getriebe nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Symmetrielinien von Außenseiten des Planetenbolzens, die mit Innenseiten der Bohrungen (45, 46) der Wangen (41, 42) oder mit Innenseiten der Hülsen in Wirkverbindung stehen, parallel zueinander und in radialer und/oder in tangentialer Richtung der Wangen (41, 42) versetzt zueinander verlaufen und parallel zur Symmetrielinie (48) des Planetenträgers (34) angeordnet sind oder mit der Symmetrielinie (48) des Planetenträgers (34) einen spitzen Winkel (α; β) einschließen.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem unbelasteten Planetenträger (34) durch das montierte Planetenrad (32) in axialer Richtung eine Verdrillung aufgeprägt ist, die einer im Betrieb auftretenden Verdrillung des Planetenträgers (34) entgegengerichtet ist.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein am Planetenträger (34) anliegendes Drehmoment über eine der Wangen (42) im Bereich einer damit verbindbaren Welle abstützbar ist.
Getriebe nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein radialer Versatz zwischen den Symmetrielinien (45A, 46A) der Bohrungen (45, 46) der Wangen (41, 42), der Hülsen oder der Außenseiten des Planetenbolzens in Abhängigkeit einer radialen Steifigkeit des Planetenträgers (34), des Planetenrades (32) und/oder des Lagers (43, 44) des Planetenrades (32) und einer im Betrieb wirkenden Zentrifugalkraft steht.
Getriebe nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der tangentialer Versatz zwischen den Symmetrielinien (45A, 46A) der Bohrungen (45, 46) der Wangen (41, 42), der Hülsen oder der Außenseiten des Planetenbolzens in Abhängigkeit einer tangentialen Steifigkeit des Planetenträgers (34), des Planetenrades (32) und/oder des Lagers (43, 44) des Planetenrades (32) und einer im Betrieb im Bereich der Verzahnung des Planetenrades (32) wirkenden Eingriffskraft (Fmesh) steht.
Gasturbinentriebwerk (10) für ein Luftfahrzeug, das Folgendes umfasst: einen Triebwerkskern (11), der eine Turbine (19), einen Verdichter (14) und eine die Turbine (19) mit dem Verdichter (14) verbindende Kernwelle (26) umfasst; ein Gebläse (23), das stromaufwärts des Triebwerkskerns (11) positioniert ist, wobei das Gebläse (23) mehrere Gebläseschaufeln umfasst; und ein Getriebe (30), das einen Eingang von der Kernwelle (26) empfängt und Antrieb für das Gebläse (23) zum Antreiben des Gebläses (23) mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle (26) abgibt, wobei das Getriebe (30) als ein Getriebe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgeführt ist.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine eine erste Turbine (19) ist, der Verdichter ein erster Verdichter (14) ist und die Kernwelle eine erste Kernwelle (26) ist; der Triebwerkskern (11) ferner eine zweite Turbine (17), einen zweiten Verdichter (15) und eine zweite Kernwelle (27), die die zweite Turbine (17) mit dem zweiten Verdichter (15) verbindet, umfasst; und die zweite Turbine (17), der zweite Verdichter (15) und die zweite Kernwelle (27) dahingehend angeordnet sind, sich mit einer höheren Drehzahl als die erste Kernwelle (26) zu drehen.