DE602004000889T2 - Gasturbinentriebwerk und Lufteinlass für ein Gasturbinentriebwerk mit einer Vorrichtung zur Verhinderung von Vereisung - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Einlass einer Flugtriebwerksgondel, und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen beheizten Einlass zur Verhinderung einer Vereisung darauf.
- Die Vorderkante des Einlasses von Flugtriebwerken ist im besonderen Maße für eine Vereisung anfällig, während der Flug durch Wolken erfolgt, die unterkühlte Wassertropfen enthalten oder während eines Fluges in Bodennähe in einem gefrierenden Nebel. Ein Schutz gegen die Vereisung kann erforderlich sein, da eine Vereisung des Einlasses die Luftströmung durch das Triebwerk stark beeinträchtigen kann, wodurch die Leistung des Triebwerks herabgesetzt und möglicherweise eine Störung in der Funktion des Triebwerks verursacht werden kann. Außerdem kann eine Beschädigung durch abbrechendes Eis erfolgen, das in das Triebwerk eingesaugt wird oder die akustischen Auskleidungen innerhalb des Einlasskanals beaufschlagt.
- Es ist allgemein bekannt, den Einlass mit einem elektrischen Heizelementensystem auszurüsten oder den Einlass mit erhitzter Luft vom Kerntriebwerk zu versorgen oder heißes Triebwerksöl in Rohrleitungen um den Einlass herum zu führen, um eine Vereisung zu verhindern. Ausführungsbeispiele dieser Systeme sind in dem Buch "The Jet Engine", Rolls-Royce Plc, 1986, ISBN 0902121235 beschrieben.
- Elektrische Heizsysteme erfordern eine beträchtliche elektrische Eingangsleistung, die durch eine Hilfsgeneratoreinheit erzeugt wird, wie dies auf diesem Gebiet bekannt ist. Ein derartiges System ist unwirtschaftlich, da es zusätzlich eine Elektrizitätserzeugung erfordert. Die gegenwärtig benutzten Heißluft-Vereisungsschutzsysteme erfordern beträchtliche Leitungen und Steuereinrichtungen, um Luft vom Kerntriebwerk nur dann abzuziehen, wenn Vereisungsschutzmaßnahmen erforderlich sind. Diese Systeme sind insofern nachteilig, als sie Luft benutzen, die vom Kompressor abgezogen wird und dadurch die Leistung des Triebwerks vermindert wird. Da diese beiden Systeme beträchtliche Leistung erfordern, wird bei beiden Systemen entweder eine Einschaltung durch den Piloten oder ein Steuereingang vorgesehen, um die Vereisungsschutzvorrichtungen einzuschalten.
- Die
GB2136880 - Die
GB2204361 - Die
GB626,571 - Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Enteisungssystem wenigstens für den Einlass eines Gasturbinentriebwerks zu schaffen, das keinen aerodynamischen zusätzlichen Luftwiderstand bedingt und kein Triebwerksöl benutzt und auch keine Luft benötigt, die von einem Kompressor abgezapft wird, wobei das System ein geschlossenes System ist.
- Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Gasturbinentriebwerk mit einer Gondel, die folgende Teile aufweist: einen Einlass, der eine allgemein ringförmige Kammer definiert, eine TriebwerksHilfseinrichtung und einen Wärmeaustauscher zur Abkühlung eines Fluids der Hilfseinrichtung, wobei der Wärmeaustauscher innerhalb der Kammer angeordnet ist und Wärme liefert, um eine Vereisung des Einlasses im Betrieb des Triebwerks zu verhindern, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer geschlossen ist und Mittel innerhalb der Kammer vorgesehen sind, um die Luft in der Kammer umzuwälzen und die Luft durch den Wärmeaustauscher zu fördern.
- Vorzugsweise bestehen die Mittel zum Umwälzen der Luft aus wenigstens einem elektrisch angetriebenen Gebläse.
- Vorzugsweise ist die Hilfseinrichtung ein Generator, der während des Laufs des Triebwerks Elektrizität erzeugt.
- Stattdessen kann die Hilfseinrichtung ein Anlasser-Generator sein, der das Triebwerk beim Start anlässt und während des Laufs des Triebwerks Elektrizität erzeugt.
- Stattdessen kann die Hilfseinrichtung ein Getriebe sein, das den Antrieb zwischen einer Triebwerkswelle und der Hilfseinrichtung überträgt.
- Vorzugsweise ist ein zweiter Wärmeaustauscher in der Kammer vorgesehen und einer zweiten Hilfseinrichtung zugeordnet.
- Vorzugsweise umfasst der Einlass wenigstens eine Rippe, die sich im Wesentlichen über den Umfang der Kammer und in dieser erstreckt.
- Vorzugsweise vergrößert sich die wenigstens eine Rippe in der Kammer vom Wärmeaustauscher aus, wodurch ihr Oberflächenbereich zum Wärmeaustausch vergrößert wird, um eine bessere konstante Wärmeübertragung über den Umfang des Einlasses zu gewährleisten.
- Stattdessen können weitere Rippen über den Umfang vorgesehen werden, um den Oberflächenbereich zum Wärmeaustausch über den Einlass derart zu erhöhen, dass eine bessere Konstanz des Wärmeaustausches über den Umfang des Einlasses zustandekommt.
- Vorzugsweise bewirken die Rippen auch eine erhöhte Starrheit des Einlasses zum Schutz gegen den Aufprall von Fremdkörpern.
- Vorzugsweise und gemäß der Erfindung ist ein Einlass für ein Gasturbinentriebwerk vorgesehen, der eine allgemein ringförmige Kammer definiert und in der Lage ist, eine Triebwerks-Hilfseinrichtung und einen Wärmeaustauscher aufzunehmen, der in der Lage ist, ein Fluid der Hilfseinrichtung zu kühlen, wobei der Wärmeaustauscher in der Lage ist, Wärme an den Einlass abzugeben, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer geschlossen ist und dass Mittel innerhalb der Kammer vorgesehen sind, um Luft in der Kammer umzuwälzen und die Luft durch den Wärmeaustauscher zu fördern.
- Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
-
1 ist eine schematische Schnittansicht eines Teils eines Fan-Mantelstrom-Gasturbinentriebwerks gemäß der Erfindung; -
2 ist ein Schnitt längs der Linie A-A gemäß1 ; -
3 ist eine schematische Ansicht eines Teils eines Fan-Mantelstrom-Gasturbinentriebwerks gemäß der Erfindung; -
4 ist eine Ansicht in Richtung des Pfeiles B gemäß3 . - In den
1 und2 ist ein Fan-Mantelstrom-Gasturbinentriebwerk allgemein mit dem Bezugszeichen10 versehen, das eine Hauptdrehachse11 aufweist. Das Triebwerk10 umfasst in axialer Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlass12 , einen Schubfan13 , einen Zwischendruckkompressor14 , einen Hochdruckkompressor15 , eine Verbrennungseinrichtung16 , eine Hochdruckturbine17 , eine Zwischendruckturbine18 , eine Niederdruckturbine19 und eine Schubdüse20 . Eine Gondel21 umschließt das Triebwerk10 allgemein und definiert sowohl den Einlass12 als auch die Schubdüse20 . - Das Gasturbinentriebwerk
10 arbeitet in der üblichen Weise, wobei die Luft, die in den Einlass11 eintritt, durch den Fan13 beschleunigt wird, um zwei Luftströmungen zu erzeugen: eine erste Luftströmung verläuft in den Zwischendruckkompressor14 und eine zweite Luftströmung durchströmt einen Nebenstromkanal22 , um einen Vortriebsschub zu liefern. Der Zwischendruckkompressor14 komprimiert die in ihn eingeführte Luftströmung, bevor diese in den Hochdruckkompressor15 abgegeben wird, wo eine weitere Kompression stattfindet. - Die vom Hochdruckkompressor
15 gelieferte komprimierte Luft wird in die Verbrennungseinrichtung16 eingeführt, wo sie mit Brennstoff vermischt und die Mischung verbrannt wird. Die resultierenden Heißgasprodukte expandieren dann durch die Hochdruckturbine17 , die Zwischendruckturbine18 und die Niederdruckturbine19 und treiben diese an, bevor sie über die Düse20 ausgestoßen werden, um einen zusätzlichen Antriebsschub zu liefern. Die Hochdruckturbine17 , die Zwischendruckturbine18 und die Niederdruckturbine19 treiben den Hochdruckkompressor15 , den Zwischendruckkompressor14 und den Fan13 über geeignete Verbindungswellen23 ,24 ,25 an. - Der Fan
13 wird in Umfangsrichtung durch ein strukturelles Bauteil in Form eines Fangehäuses26 umschlossen, das durch einen ringförmigen Aufbau von Auslassleitschaufeln27 abgestützt ist. - Das Triebwerk
10 umfasst weiter einen Getriebe-Generator-Aufbau28 , der benutzt wird, um das Triebwerk anzulassen und um Elektrizität zu erzeugen, nachdem das Triebwerk gestartet ist und in der üblichen Weise arbeitet. Die erzeugte Elektrizität wird für das Triebwerk und die zugeordneten elektrischen Flugzeug-Hilfseinrichtungen benutzt, wie dies auf diesem Gebiet der Technik üblich ist. Der Getriebe-Generator-Aufbau28 ist antriebsmäßig mit der Hochdruckwelle24 verbunden, jedoch kann der Aufbau bei anderen Ausführungsbeispielen auch durch eine oder mehrere der Wellen24 ,25 angetrieben werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Getriebe-Generator-Aufbau28 ein inneres Getriebe29 mit einer ersten Antriebswelle30 , die mit der Hochdruckwelle23 gekuppelt ist, außerdem ein Zwischengetriebe31 , das die erste Antriebswelle30 mit einer zweiten Antriebswelle32 verbindet und ein äußeres Getriebe33 , das antriebsmäßig mit der zweiten Antriebswelle32 verbunden ist. Das äußere Getriebe33 ist antriebsmäßig an einen Generator34 angeschlossen, der in der Lage ist, den erwähnten Betrieb des Triebwerks durchzuführen. Der Generator34 und das äußere Getriebe33 sind innerhalb der Gondel21 untergebracht. Die erste Antriebswelle30 , das Zwischengetriebe31 und die zweite Antriebswelle32 sind innerhalb einer Nebenstromkanal-Verkleidung40 untergebracht. - Die Gondel
21 weist an ihrem Vorderende den Einlass12 auf, und der Einlass12 definiert eine allgemein D-förmig gestaltete, ringförmige Kammer35 . Ein Öl-Wärmeaustauscher36 , der zur Abkühlung des im Generator34 und im Getriebe33 benutzten Öls dient, befindet sich in der Kammer35 . Ein Rohr39 verbindet strömungsmäßig den Wärmeaustauscher36 mit dem Generator34 . Es ist für den Fachmann klar, dass irgendwelche Wärmeaustauscher36 benutzbar sind. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Positionierung des Wärmeaustauschers36 in der D-förmig gestalteten Kammer35 , wobei die Kammer35 geschlossen ist. Die Luft innerhalb der Kammer35 wird umgewälzt, wodurch Wärme aus dem Öl im Wärmeaustauscher36 abgezogen wird, und die Wärme wird über die Kammer35 verteilt, um den Einlass12 zu erwärmen und dadurch eine Eisbildung am Einlass12 zu vermeiden. Es sind Mittel37 vorgesehen, um die Luft umzuwälzen und die Luft durch den Wärmeaustauscher36 zu leiten, und diese Mittel sind in Form eines elektrisch angetriebenen Gebläses37 ausgebildet. Es können jedoch auch mehrere Gebläse37 in der Kammer35 angeordnet werden. Es können andere Mittel zum Antrieb des Gebläses37 benutzt werden, beispielsweise Drucköl oder Druckluft. - Die vorliegende Erfindung ist insbesondere vorteilhaft insofern, als der Wärmeaustauscher
36 innerhalb des Einlasses12 liegt, und dies bedeutet, dass keine zusätzlichen Leitungen oder Leitungsführungen erforderlich sind, um die erhitzte Luft nach dem Einlass12 zu überführen. Ein zweiter Vorteil besteht darin, dass die Anordnung ein geschlossenes System bildet, d.h. es sind keine äußeren Luftstutzen vorhanden, die Luft in den Wärmeaustauscher führen, und daher ergeben sich keine zusätzlichen Luftwiderstands-Nachteile. Außerdem wird die Kammer35 mit der umgewälzten Luft nicht über Bord entlüftet, was sonst einen aerodynamischen zusätzlichen Luftwiderstand ergeben würde. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Generatoröl als Wärmequelle benutzt wird und nicht das Triebwerksöl. Daher würde ein Aufprall und eine daraus folgende Beschädigung aus einem Fremdkörper, beispielsweise beim Auftreffen eines Vogels, nicht kritisch für die weitere Arbeitsweise des Triebwerks10 sein. - Es ist von Wichtigkeit, dass die vorliegende Erfindung ein Vereisungsschutzsystem bildet, das immer aktiv ist, so dass keine Notwendigkeit besteht, dass der Pilot eine Steuerung vornimmt oder eine elektronische Steuerung vorgesehen werden muss.
- Um die Übertragung von Wärme nach dem Einlass
12 zu unterstützen, weist die innere Oberfläche des Einlasses12 Mittel auf, um einen Wärmeaustausch38 zwischen der in der Kammer35 umgewälzten Luft und den Wänden des Einlasses12 zu bewirken. Bei diesem Ausführungsbeispiel bestehen die Mittel38 zum Wärmeaustausch aus mehreren, allgemein in Umfangsrichtung verlaufenden Rippen38 , die sich auch von den inneren Wänden des Einlasses12 in die Kammer35 hinein erstrecken. Es ist klar, dass die Rippen38 irgendeine Form einnehmen können, um einen Wärmeaustausch zu bewerkstelligen, und sie müssen so ausgebildet sein, dass sie die wesentliche Funktion der Wärmeübertragung von der umgewälzten Luft nach dem Einlass12 bewirken, um den Eisaufbau zu verhindern und um eine relativ kühle Luftzufuhr nach dem Wärmeaustauscher36 zu bewirken. Wenn die erhitzte Luft in der Kammer35 umgewälzt wird, vermindert sich ihre Temperatur, so dass eine gleichmäßigere Verteilung der Wärme um den Einlass herum bewirkt wird. Die Zahl der Rippen38 steigt allgemein vom Auslass des Wärmeaustauschers nach seinem Einlass an. Stattdessen, wie in4 dargestellt, nimmt jede Rippe38A in der Höhe zu, wodurch der Oberflächenbereich vergrößert wird, um die Wärmeübertragung der Verminderung in der Lufttemperatur um den Einlass12 herum vom Auslass des Wärmeaustauschers nach seinem Einlass anzupassen und zu vergrößern. Die Ausbildung der Rippen38 verbessert außerdem die Festigkeit des Einlasses12 und vermindert die Beschädigung, die durch Fremdkörper verursacht wird, welche auf den Einlass12 auftreffen. - Die vorliegende Erfindung ergibt weitere Vorteile gegenüber dem Stande der Technik insofern, als bekannte Triebwerke ein thermisches Enteisungsrohr und einen Auslasskanal besitzen, was bei der Anordnung nach der vorliegenden Erfindung wegfällt, wodurch sich eine verbesserte Gewichtsersparnis und eine verbesserte Anordnung der übrigen Leitungen des Triebwerks und anderer Hilfseinrichtungen ergibt. Bei bekannten Systemen wird heiße Luft vom Kerntriebwerk nach einer D-förmigen Kammer an der Vorderseite des Einlasses über einen großen Druckluftkanal geleitet. Im Falle eines Bruchs des Kanals werden die Fan-Verkleidungstüren der Gondel gegen Beschädigungen geschützt, und zwar entweder durch eine Druckverminderungstür oder ein doppelwandiges Druckrohr. Bei der vorliegenden Erfindung sind derartige Maßnahmen überflüssig. Der von dem herkömmlichen Kühler eingenommene Raum, der in dem hinteren Fangehäuse angeordnet ist, kann eine zusätzliche akustische Auskleidung bewirken. Dies ergibt einen weiteren Vorteil, da die Mantelstromluft nicht über Bord verlustig geht und die Kernluft nicht für Enteisungsmaßnahmen verloren geht.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Hilfseinrichtung
33 ,34 ein Starter-Generator36 , der das Triebwerk10 beim Start anlässt und während des Laufs des Triebwerks10 Elektrizität liefert. - Die
3 und4 zeigen den Wärmeaustauscher36 und den Fan37 weiter hinten in der Kammer35 . Dies ist eine bevorzugte Ausbildung, bei der der Wärmeaustauscher36 sehr schwer ist und nach hinten versetzt werden muss, damit das Biegemoment über die Auslassleitschaufeln27 vermindert wird. Wie ersichtlich, ist die Kammer35 axial und örtlich gekrümmt, um Kühlluft aufzufangen und diese durch den Wärmeaustauscher36 zu leiten.
Claims (11)
- Gasturbinentriebwerk (
10 ) mit einer Gondel (21 ), die folgende Teile aufweist: einen Einlass (12 ), der eine allgemein ringförmige Kammer (35 ) definiert, eine Triebwerks-Hilfseinrichtung (33 ,34 ) und einen Wärmeaustauscher (36 ) zur Abkühlung eines Fluids der Hilfseinrichtung (33 ,34 ), wobei der Wärmeaustauscher (36 ) innerhalb der Kammer (35 ) angeordnet ist und Wärme liefert, um eine Vereisung des Einlasses (12 ) im Betrieb des Triebwerks (10 ) verhindern, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (35 ) geschlossen ist und Mittel (37 ) innerhalb der Kammer (35 ) vorgesehen sind, um die Luft in der Kammer (35 ) umzuwälzen und die Luft durch den Wärmeaustauscher (36 ) zu fördern. - Gasturbinentriebwerk (
10 ) nach Anspruch 1, bei welchem die Mittel (37 ) zum Umwälzen der Luft wenigstens ein elektrisch angetriebenes Gebläse (37 ) aufweisen. - Gasturbinentriebwerk (
10 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem die Hilfseinrichtung (33 ,34 ) ein Generator (36 ) ist, der während des Laufs des Triebwerks (10 ) Elektrizität erzeugt. - Gasturbinentriebwerk (
10 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem die Hilfseinrichtung (33 ,34 ) ein Starter/Generator (36 ) ist, der das Triebwerk (10 ) beim Anlassen antreibt und während des Laufs des Triebwerks (10 ) Elektrizität erzeugt. - Gasturbinentriebwerk (
10 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem die Hilfseinrichtung (33 ,34 ) ein Getriebe (34 ) ist, das den Antrieb zwischen einer Triebwerkswelle (23 ,24 ,25 ) und der Hilfseinrichtung (33 ,34 ) überträgt. - Gasturbinentriebwerk (
10 ) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei welchem ein zweiter Wärmeaustauscher (36 ) in der Kammer (35 ) angeordnet und der zweiten Hilfseinrichtung (33 ,34 ) zugeordnet ist. - Gasturbinentriebwerk (
10 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem der Einlass (12 ) wenigstens eine Rippe (38 ,38A ) aufweist, die sich im Wesentlichen über den Umfang der Kammer und in dieser Kammer (35 ) erstreckt. - Gasturbinentriebwerk (
10 ) nach Anspruch 7, bei welchem die wenigstens eine Rippe (38 ,38A ) sich in ihrer Ausdehnung innerhalb der Kammer (35 ) allgemein vom Wärmeaustauscher (36 ) vergrößert, wodurch ihr Oberflächenbereich zum Wärmeaustausch vergrößert wird und ein konstanterer Wärmeaustausch über den Umfang des Einlasses (12 ) bewirkt wird. - Gasturbinentriebwerk (
10 ) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei welchem weitere Rippen (38 ) über den Umfang vorgesehen sind, um den Oberflächenbereich zum Wärmeaustausch über dem Einlass (12 ) zu vergrößern und um einen konstanteren Wärmeaustausch über den Umfang des Einlasses (12 ) zu bewirken. - Gasturbinentriebwerk (
10 ) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei welchem die Rippen (38 ) vorgesehen sind, um die Steifheit des Einlasses (12 ) zu vergrößern und einen Schutz gegen den Aufprall von Fremdkörpern zu bewirken. - Einlass (
12 ) für ein Gasturbinentriebwerk (10 ), wobei der Einlass (12 ) eine im Wesentlichen ringförmige Kammer (35 ) definiert und eine Triebwerks-Hilfseinrichtung (33 ,34 ) und einen Wärmeaustauscher (36 ) aufnimmt, der in der Lage ist, ein Fluid der Hilfseinrichtung (33 ,34 ) abzukühlen, wobei der Wärmeaustauscher (36 ) die Wärme an den Einlass (12 ) abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (35 ) geschlossen ist und Mittel (37 ) innerhalb der Kammer (35 ) vorgesehen sind, um die Luft (37 ) innerhalb der Kammer (35 ) umzuwälzen und die Luft durch den Wärmeaustauscher (36 ) zu fördern.
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