DE4131713C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Fantriebwerk mit hohem Bypass-Verhältnis, welches zumindest einen Fanrotor, einen stromabwärts des Fanrotors im Primärkanal angeordneten Zusatzverdichter, ein stromabwärts des Zu­ satzverdichters angeordnetes Kerntriebwerk mit Hochdruckverdichter und -turbine und eine Arbeitsturbine, die mit dem Fanrotor über eine triebwerkskoaxiale Antriebswelle verbunden ist, aufweist.

Ein Fantriebwerk nach der vorbezeichneten Bauart ist aus der DE-38 12 027 A1 bekannt. Ein Mittel zur Erzielung einer Schubsteige­ rung eines vorhandenen Fantriebwerks besteht darin, Boosterstufen ein­ zuführen oder bei bereits vorhandenem Booster dessen Stufenzahl zu erhöhen, was zu einer Vergrößerung des Druckverhältnisses und damit zu einem vergrößerten Massenstrom durch das Kerntriebwerk führt. Die Boo­ sterstufen sind in der Regel mit dem Fan verbunden und laufen mit der Drehzahl des Niederdruckrotors um.

Parallel zur Erhöhung des Druckverhältnisses ist eine Tendenz zu immer größeren Bypaß-Verhältnissen der Fantriebwerke erkennbar, welche ins­ besondere durch die Entwicklung und Erprobung sog. Propfan-Triebwerke dokumentiert wird.

Die Anordnung und der Antrieb eines Zusatzverdichters (Boosters) in gattungsgemäßen Triebwerken stellt den Fachmann vor eine Vielzahl von Problemen, die sich durch eine ebensolche Vielzahl von Lösungsvor­ schlägen im Stand der Technik wiederspiegelt.

Die Ankoppelung des Boosters an das Rotorsystem eines Fantriebwerkes stellt hierbei eine besondere technische Herausforderung dar. Die Leistungsentnahme zum Antrieb des Boosters erfolgt im Stand der Tech­ nik, insbesondere bei Triebwerken mit nur einem Fanrotor, bisher fast ausnahmslos über das Niederdrucksystem, d. h. über die Nieder­ druckwelle.

Um den Vortriebswirkungsgrad eines Fantriebwerkes zu verbessern, ist in der Vergangenheit ein stetes Anwachsen des Bypassverhältnisses zu beachten gewesen. Diese Tendenz in der Fantriebwerk-Entwicklung hält weiterhin an, wie dies Propfantriebwerke zeigen. Diese Entwicklung führt aus aerodynamischen und akustischen Gründen zu einer deutlichen Reduzierung der Fandrehzahl, wodurch ein mit dem Fanrotor direkt ange­ triebener Booster kein zufriedenstellendes Druckverhältnis erbringt. Erschwerend kommt bei Fantriebwerken mit zwei gegenläufigen Fanrotoren die Forderung nach weitgehend gleichmäßiger Leistungsentnahme zum An­ trieb eines Boosters hinzu. Bei der Lösung nach der DE-38 12 027 A1 ist hierzu eine entsprechende aufwendige Anpassung der Niederdrucktur­ binen notwendig.

Obgleich bei dieser Lösung nicht mehr die gesamte Nutzleistung der Niederdruckturbine in einem Getriebe umgesetzt werden muß, bleibt das hier vorgesehene Getriebe stets gewichtsintensiv. Eine Ausführung, bei welcher auf ein Getriebe verzichtet wird, ist aus der DE 37 28 436 A1 bekannt geworden. Hier ist ein gegenläufiger Booster zwischen zwei Fanrotoren angeordnet und mit diesen gekoppelt. Infolge der hohen Re­ lativgeschwindigkeit der gegenläufigen Boosterstufen kann der Rotor ohne Getriebe betrieben werden. Als nachteilig erweist sich jedoch das ungünstige Nabenverhältnis der stromabwärtigen Fanstufe, da der Boo­ ster radial innerhalb des Fans angeordnet ist. Zudem wird auf den er­ höhten Schutz des Kerntriebwerks vor Fremdkörpereinwirkung verzichtet, welcher durch den zweiten Fanrotor gegeben wäre.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, bei einem gattungsgemäßen Fan­ triebwerk das Druckverhältnis des Kerntriebwerks zu erhöhen, wobei ein möglichst flexibler Variationsbereich vorzusehen ist, um einer Nach­ frage nach erhöhter Schubkraft gerecht zu werden. Eine leichte und kompakte Bauweise ist zu berücksichtigen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Zusatzver­ dichter als Verdichtervorstufe des Hochdruckverdichters ausgeführt ist und mit diesem lösbar verbunden ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, aufgrund der direkten und lösbaren Ankoppelung des Boosters an den Hochdruckrotor mit we­ niger Stufen eine gewünschte Erhöhung des Gesamtdruckverhältnisses zu erzielen, als dies mit am Niederdruckrotor gekoppelten Boostern ohne Übersetzungsgetriebe möglich ist.

Die hierdurch erzielten erheblichen technischen Vorteile liegen im Wegfall der Rücksichtnahme auf gleichmäßige Wellenbelastung, im Ver­ zicht auf ein Getriebe und im weiten Variationsbereich ausführbarer Booster-Druckverhältnisse. Die lösbare Verbindung zwischen Zusatzver­ dichter und Hochdruckverdichter erlaubt eine flexible Anpassung an die gewünschte Schubstärke eines Triebwerkes. So können beispielsweise Triebwerke einer gewissen Schubklasse innerhalb einer Flotte unter­ schiedlicher Flugzeuge durch relativ geringe Modifikationen unterein­ ander ausgetauscht werden.

Bei Fantriebwerken mit zwei gegenläufigen Fanrotoren, welche über zwei koaxiale Wellen angetrieben werden erfordert die Verwendung eines Boosters einen hohen konstruktiven Aufwand, um beide Wellen gleichmäßig zu belasten, so daß bei diesen Fantriebwerken die Anwen­ dung der Erfindung eine besondere konstruktive Vereinfachung mit sich bringt.

In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung, ist stromaufwärts der Verdichtervorstufe ein Leitgitter mit einstellbaren Leitschaufeln im Primärkanal angeordnet, wodurch der Zuströmwinkel zu den Lauf­ schaufeln der Verdichtervorstufe den Massenstrom angepaßt wird, wel­ cher sich nicht nur beim Drosseln des Triebwerkes ändert, sondern auch durch das installierte Druckverhältnis der Verdichtervorstufe.

Bei einer weiteren Ausbildung der Erfindung, wonach die Betriebs­ kennlinie der Turbine des Kerntriebwerkes auf einen größeren Varia­ tionsbereich des Gesamtdruckverhältnisses, welcher durch die flexibel installierbare Stufenbelastung der Verdichtervorstufe möglich ist, abgestimmt ist, kann das Kerntriebwerk auch bei weiterer Variation der Stufenbelastung weitgehend unverändert bleiben. Hierdurch wird eine wirtschaftliche Bauteilstandardisierung der Triebwerke unter­ schiedlicher Leistung erzielt.

Weitere vorteilhafte Ausführungen insbesondere bezüglich der einfa­ chen Demontierbarkeit des Kerntriebwerks von der Niederdruck- und Boosterbaugruppe zu Wartungs- und Instandsetzungszwecken ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 5 bis 10.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen bei­ spielhaft weiter erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine teilgeschnittene Ansicht eines Propfantriebwerkes und

Fig. 2 einen Ausschnitt des Propfantriebwerkes mit zwei alternativen Ausführungsformen.

Das in Fig. 1 gezeigte Propfantriebwerk 1 besteht aus einem Kern­ triebwerk 2 und zwei stromauf angeordneten gegenläufigen Fanrotoren 3, 4, an denen über dem Umfang verteilte Propfanschaufeln 5 ange­ bracht sind. Die Propfanschaufeln 5 sind über nicht näher darge­ stellte Verstellvorrichtungen verschwenkbar gelagert. Radial außer­ halb der Propfanschaufeln 5 ist ein Mantel 6 vorgesehen, der sich in triebwerksaxialer Richtung beidseitig der Propfanschaufeln 5 er­ streckt. Über eine Anzahl regelmäßig beabstandeter Streben 7 ist der Mantel 6 am Eintrittsgehäuse 8a angebracht. Das Eintrittsgehäuse 8a ist wiederum über ein Zwischengehäuse 8c mit dem Kerntriebwerksge­ häuse 8b verbunden.

Das Kerntriebwerk 2 besteht im wesentlichen aus einem Hochdruck­ verdichter 9 einer Brennkammer 10 und einer als Hochdruckturbine 11 ausgebildeten Turbine, die mit dem Hochdruckverdichter 9 über eine Hochdruckturbinenwelle 12 verbunden ist.

Stromab der Hochdruckturbine 11 ist die aus zwei konzentrischen Turbinenrotoren 13a, 13b bestehende Arbeitsturbine 13 angeordnet. Der innenliegende Turbinenrotor 13a ist an seinem Außenumfang mit drei Turbinenschaufelreihen 14a versehen, während der trommelartig ausgebildete äußere Turbinenrotor 13b an seinem Innenumfang ebenfalls mit drei Turbinenschaufelreihen 14b versehen ist. Dabei sind die Turbinenschaufelreihen 14a und 14b abwechselnd axial hintereinander angeordnet. Die beiden Turbinenrotoren 13a, 13b sind mit je einer Antriebswelle 15a, 15b verbunden, wobei diese konzentrisch zueinander und konzentrisch innerhalb der Hochdruckturbinenwelle 12 durch das Kerntriebwerk 2 nach vorn geführt werden. Die im Vorderteil des Propfantriebwerkes 1′ angeordneten Fanrotoren 3, 4 sind mit je einer der Antriebswellen 15a, 15b verbunden.

Der von den Fanrotoren 3 und 4 geförderte Luftstrom wird stromab der Fanrotoren 3 und 4 in den Sekundärkanal S und Primärkanal P dem By­ passverhältnis des Propfantriebwerks 1 entsprechend aufgeteilt.

Eine im Primärkanal P wirkende Verdichtervorstufe 16 ist mit dem stromaufwärtigen Ende des Hochdruckverdichters 9 über eine gesteckte Zwischenwelle 17 wie in Fig. 2 gezeigt drehmomentübertragend ver­ bunden. Hierzu ist die Verdichtervorstufe 16 mit der Zwischenwelle 17 verschraubt. Die Lagerung der Zwischenwelle mit der Verdichter­ vorstufe 16 erfolgt eintrittsseitig über ein Kugellager 18 am Eintrittsgehäuse 8a. Die Zwischenwelle ist dort axial und radial festgelegt. Am Hochdruckverdichter 9 ist die Zwischenwelle 17 über die gesteckte Wellenverbindung 18 axial verschieblich geführt.

Im Primärkanal P ist stromauf der Verdichtervorstufe 16 ein Leit­ gitter mit einstellbaren Leitschaufeln 19 angeordnet.

Eine lastübertragende Verbindung zwischen dem Kerntriebwerksgehäuse 8b und dem Eintrittsgehäuse 8a erfolgt über das mit diesen ver­ schaubte Zwischengehäuse 8c welches den Primärkanal P über Stege 20 zwischen Verdichtervorstufe 16 und Hochdruckverdichter 9 durch­ dringt und die Lagerstelle 21 für den einlaßseitigen Wellenstumpf 22 des Hochdruckverdichters 9 bildet.

Die obere Hälfte der Fig. 2 zeigt eine Anordnung des Geräteabtriebes stromauf der Verdichtervorstufe 16. Hierzu durchdringt eine erste im Eintrittsgehäuse 8a angeordnete Geräteabtriebswelle 23a vor der Ver­ dichtervorstufe 16 den Primärkanal P, welche über ein mit der Zwi­ schenwelle 17 verbundenes Kegelradgetriebe 24 angetrieben wird. Zur Abführung der Wellenleistung an Nebenaggregate des Propfantriebwerks 1 treibt die erste Geräteabtriebswelle 23a eine zweite Geräteab­ triebswelle 23b, welche ebenfalls im Eintrittsgehäuse 8a angeordnet ist.

Eine alternative Anordnung des Geräteabtriebes ist in der unteren Hälfte der Fig. 2 gezeigt. Dort sind beide Geräteabtriebswellen 23a, 23b im Zwischengehäuse 8c angeordnet, wobei die erste Geräteabtriebs­ welle 8a den Primärkanal P in einem Steg 20 des Zwischengehäuses 8c durchdringt und vom Wellenstumpf 22 über ein Kegelradgetriebe 24 angetrieben wird.

Claims (10)

1. Fantriebwerk mit hohem Bypass-Verhältnis, welches zumindest einen Fanrotor, einen stromabwärts des Fanrotors im Primärkanal angeordneten Zusatzverdichter, ein stromabwärts des Zusatzverdichters angeordnetes Kerntriebwerk mit Hochdruckver­ dichter und -turbine und eine Arbeitsturbine, die mit dem Fan­ rotor über eine triebwerkskoaxiale Antriebswelle verbunden ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzverdichter als Verdichtervorstufe (16) des Hochdruckverdichters (9) ausgeführt ist und mit diesem lösbar verbunden ist.

2. Fantriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Fanrotoren (3, 4) vorgesehen sind, welche über zwei zueinander koaxiale Antriebswellen (15a, b) von einer gegenläufigen Arbeits­ turbine (13) angetrieben werden.

3. Fantriebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß stromaufwärts der Verdichtervorstufe (16) ein Leitgitter mit ein­ stellbaren Leitschaufeln (19) im Primärkanal (P) angeordnet ist.

4. Fantriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Turbine (11) eine auf den Variationsbereich von Druckverhältnissen der Verdichterstufe (16) abgestimmte Be­ triebskennlinie aufweist.

5. Fantriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verbindung zwischen Verdichtervorstufe (16) und Hochdruckverdichter (9) mittels einer aufgesteckten Wellenverbin­ dung (18) erfolgt.

6. Fantriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verdichtervorstufe (16) über eine Zwischen­ welle (17) mit dem Hochdruckverdichter (9) verbunden ist.

7. Fantriebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwelle (17) fanrotorseitig radial und axial am Eintrittsge­ häuse (8a) gelagert ist und hochdruckverdichterseitig axial ver­ schieblich am Hochdruckverdichter (9) geführt ist.

8. Fantriebwerk nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Geräteabtriebswelle (23a) stromaufwärts der Verdichtervor­ stufe (16) mit der Zwischenwelle (17) über ein Kegelradgetriebe (24) in Verbindung steht und die Geräteabtriebswelle (23a) im Eintrittsgehäuse (8a) gelagert ist.

9. Fantriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Hochdruckverdichter (9) stromab der Verdichter­ vorstufe (16) über ein den Primärkanal (P) durchdringendes Zwi­ schengehäuse (8c) am Eintrittsgehäuse (8a) gelagert ist, wobei das Zwischengehäuse (8c) lösbar mit dem Eintrittsgehäuse (8a) ver­ bunden ist.

10. Fantriebwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Geräteabtriebswelle (23a) zwischen Verdichtervorstufe (16) und Hochdruckverdichter (9) von einem Wellenstumpf (22) des Hoch­ druckverdichters (9) über ein Kegelradgetriebe (24) angetrieben wird und die Geräteabtriebswelle (23a) im Zwischengehäuse (8c) ge­ lagert ist.