DE602004000889T2

DE602004000889T2 - Gasturbinentriebwerk und Lufteinlass für ein Gasturbinentriebwerk mit einer Vorrichtung zur Verhinderung von Vereisung

Info

Publication number: DE602004000889T2
Application number: DE602004000889T
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Richard Lougborough Leicestershire Stretton; Peter Littleover Derby Beardsley
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2003-05-21
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2024-05-01
Also published as: EP1479889A2; DE602004000889D1; US20050150204A1; EP1479889B1; GB0311663D0; EP1479889A3; US7398641B2

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 bezieht sich auf ein Turboprop-Triebwerk, wo Wärme von einem Untersetzungsgetriebe durch Wärmeleitung über das Triebwerksgehäuse nach der Einlasslippe übertragen wird. Ein ringförmiger Lufteinlass weist eine Anzahl von Statorleitschaufeln auf, die hindurchgeführte Wärmerohre besitzen, die das Innere des Untersetzungsgetriebes mit einer Wärmesenke verbinden, die benachbart zur stromaufwärtigen Lippe des Einlasses angeordnet ist. Die Wärme von dem heißen Ölnebel innerhalb des Getriebes wird der Wärmesenke zugeführt und dient zur Aufheizung der Einlasslippe, um die Bildung von Eis darauf zu verhindern, während gleichzeitig der Ölnebel gekühlt wird. Da dieses System Triebwerksöl benutzt, führt eine Störung des Systems wahrscheinlich zu einer Beeinträchtigung des Triebwerks. Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Wärmesenke und die Rohrleitungen ein beträchtliches Gewicht zusätzlich zum Aufbau von Triebwerk und Gondel aufweisen.
Die GB2204361 beschreibt die Übertragung von heißem Öl von einem Untersetzungsgetriebe nach einem Wärmeaustauscher, wobei ein Luftstutzen vorgesehen ist, der Außenluft durch den Wärmeaustauscher leitet, und dann wird die erwärmte Luft benutzt, um den Einlass zu enteisen. Ein schwerwiegender Nachteil dieser Anordnung besteht jedoch darin, dass der Luftstutzen einen zusätzlichen aerodynamischen Luftwiderstand liefert und daher den Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks erniedrigt.
Die GB626,571 beschreibt einen Wärmeaustauscher, der um eine Außenwand eines ringförmigen Strömungskanals herum benachbart zu einem Lufteinlass eines Gasturbinentriebwerks angeordnet ist. Der Wärmeaustauscher steht in Strömungsverbindung mit einem Gitter, das über dem Strömungskanal angeordnet ist. Sowohl das Gitter als auch der Wärmeaustauscher empfangen proportional erhitztes Öl, um das Gitter auf einer Temperatur zu halten, die hoch genug ist, um eine Vereisung zu verhindern.
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 gemäß 1;
3 ist eine schematische Ansicht eines Teils eines Fan-Mantelstrom-Gasturbinentriebwerks gemäß der Erfindung;
4 ist eine Ansicht in Richtung des Pfeiles B gemäß 3.
In den 1 und 2 ist ein Fan-Mantelstrom-Gasturbinentriebwerk allgemein mit dem Bezugszeichen 10 versehen, das eine Hauptdrehachse 11 aufweist. Das Triebwerk 10 umfasst in axialer Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlass 12, einen Schubfan 13, einen Zwischendruckkompressor 14, einen Hochdruckkompressor 15, eine Verbrennungseinrichtung 16, eine Hochdruckturbine 17, eine Zwischendruckturbine 18, eine Niederdruckturbine 19 und eine Schubdüse 20. Eine Gondel 21 umschließt das Triebwerk 10 allgemein und definiert sowohl den Einlass 12 als auch die Schubdüse 20.
Das Gasturbinentriebwerk 10 arbeitet in der üblichen Weise, wobei die Luft, die in den Einlass 11 eintritt, durch den Fan 13 beschleunigt wird, um zwei Luftströmungen zu erzeugen: eine erste Luftströmung verläuft in den Zwischendruckkompressor 14 und eine zweite Luftströmung durchströmt einen Nebenstromkanal 22, um einen Vortriebsschub zu liefern. Der Zwischendruckkompressor 14 komprimiert die in ihn eingeführte Luftströmung, bevor diese in den Hochdruckkompressor 15 abgegeben wird, wo eine weitere Kompression stattfindet.
Die vom Hochdruckkompressor 15 gelieferte komprimierte Luft wird in die Verbrennungseinrichtung 16 eingeführt, wo sie mit Brennstoff vermischt und die Mischung verbrannt wird. Die resultierenden Heißgasprodukte expandieren dann durch die Hochdruckturbine 17, die Zwischendruckturbine 18 und die Niederdruckturbine 19 und treiben diese an, bevor sie über die Düse 20 ausgestoßen werden, um einen zusätzlichen Antriebsschub zu liefern. Die Hochdruckturbine 17, die Zwischendruckturbine 18 und die Niederdruckturbine 19 treiben den Hochdruckkompressor 15, den Zwischendruckkompressor 14 und den Fan 13 über geeignete Verbindungswellen 23, 24, 25 an.
Der Fan 13 wird in Umfangsrichtung durch ein strukturelles Bauteil in Form eines Fangehäuses 26 umschlossen, das durch einen ringförmigen Aufbau von Auslassleitschaufeln 27 abgestützt ist.
Das Triebwerk 10 umfasst weiter einen Getriebe-Generator-Aufbau 28, 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-Aufbau 28 ist antriebsmäßig mit der Hochdruckwelle 24 verbunden, jedoch kann der Aufbau bei anderen Ausführungsbeispielen auch durch eine oder mehrere der Wellen 24, 25 angetrieben werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Getriebe-Generator-Aufbau 28 ein inneres Getriebe 29 mit einer ersten Antriebswelle 30, die mit der Hochdruckwelle 23 gekuppelt ist, außerdem ein Zwischengetriebe 31, das die erste Antriebswelle 30 mit einer zweiten Antriebswelle 32 verbindet und ein äußeres Getriebe 33, das antriebsmäßig mit der zweiten Antriebswelle 32 verbunden ist. Das äußere Getriebe 33 ist antriebsmäßig an einen Generator 34 angeschlossen, der in der Lage ist, den erwähnten Betrieb des Triebwerks durchzuführen. Der Generator 34 und das äußere Getriebe 33 sind innerhalb der Gondel 21 untergebracht. Die erste Antriebswelle 30, das Zwischengetriebe 31 und die zweite Antriebswelle 32 sind innerhalb einer Nebenstromkanal-Verkleidung 40 untergebracht.
Die Gondel 21 weist an ihrem Vorderende den Einlass 12 auf, und der Einlass 12 definiert eine allgemein D-förmig gestaltete, ringförmige Kammer 35. Ein Öl-Wärmeaustauscher 36, der zur Abkühlung des im Generator 34 und im Getriebe 33 benutzten Öls dient, befindet sich in der Kammer 35. Ein Rohr 39 verbindet strömungsmäßig den Wärmeaustauscher 36 mit dem Generator 34. Es ist für den Fachmann klar, dass irgendwelche Wärmeaustauscher 36 benutzbar sind. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Positionierung des Wärmeaustauschers 36 in der D-förmig gestalteten Kammer 35, wobei die Kammer 35 geschlossen ist. Die Luft innerhalb der Kammer 35 wird umgewälzt, wodurch Wärme aus dem Öl im Wärmeaustauscher 36 abgezogen wird, und die Wärme wird über die Kammer 35 verteilt, um den Einlass 12 zu erwärmen und dadurch eine Eisbildung am Einlass 12 zu vermeiden. Es sind Mittel 37 vorgesehen, um die Luft umzuwälzen und die Luft durch den Wärmeaustauscher 36 zu leiten, und diese Mittel sind in Form eines elektrisch angetriebenen Gebläses 37 ausgebildet. Es können jedoch auch mehrere Gebläse 37 in der Kammer 35 angeordnet werden. Es können andere Mittel zum Antrieb des Gebläses 37 benutzt werden, beispielsweise Drucköl oder Druckluft.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere vorteilhaft insofern, als der Wärmeaustauscher 36 innerhalb des Einlasses 12 liegt, und dies bedeutet, dass keine zusätzlichen Leitungen oder Leitungsführungen erforderlich sind, um die erhitzte Luft nach dem Einlass 12 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 Kammer 35 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 Triebwerks 10 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 Einlasses 12 Mittel auf, um einen Wärmeaustausch 38 zwischen der in der Kammer 35 umgewälzten Luft und den Wänden des Einlasses 12 zu bewirken. Bei diesem Ausführungsbeispiel bestehen die Mittel 38 zum Wärmeaustausch aus mehreren, allgemein in Umfangsrichtung verlaufenden Rippen 38, die sich auch von den inneren Wänden des Einlasses 12 in die Kammer 35 hinein erstrecken. Es ist klar, dass die Rippen 38 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 Einlass 12 bewirken, um den Eisaufbau zu verhindern und um eine relativ kühle Luftzufuhr nach dem Wärmeaustauscher 36 zu bewirken. Wenn die erhitzte Luft in der Kammer 35 umgewälzt wird, vermindert sich ihre Temperatur, so dass eine gleichmäßigere Verteilung der Wärme um den Einlass herum bewirkt wird. Die Zahl der Rippen 38 steigt allgemein vom Auslass des Wärmeaustauschers nach seinem Einlass an. Stattdessen, wie in 4 dargestellt, nimmt jede Rippe 38A in der Höhe zu, wodurch der Oberflächenbereich vergrößert wird, um die Wärmeübertragung der Verminderung in der Lufttemperatur um den Einlass 12 herum vom Auslass des Wärmeaustauschers nach seinem Einlass anzupassen und zu vergrößern. Die Ausbildung der Rippen 38 verbessert außerdem die Festigkeit des Einlasses 12 und vermindert die Beschädigung, die durch Fremdkörper verursacht wird, welche auf den Einlass 12 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-Generator 36, der das Triebwerk 10 beim Start anlässt und während des Laufs des Triebwerks 10 Elektrizität liefert.
Die 3 und 4 zeigen den Wärmeaustauscher 36 und den Fan 37 weiter hinten in der Kammer 35. Dies ist eine bevorzugte Ausbildung, bei der der Wärmeaustauscher 36 sehr schwer ist und nach hinten versetzt werden muss, damit das Biegemoment über die Auslassleitschaufeln 27 vermindert wird. Wie ersichtlich, ist die Kammer 35 axial und örtlich gekrümmt, um Kühlluft aufzufangen und diese durch den Wärmeaustauscher 36 zu leiten.

Claims

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.