WO2011127901A1 - Mehrwelliges triebwerk mit tandem-generator - Google Patents

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Helmut Streifinger
Uwe Vogel
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Mtu Aero Engines Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a multi-shaft engine according to the preamble of claim 1.
  • Generic jet engines generally include a compressor for sucking and compressing air, a combustion chamber for combusting fuel mixed with this air, and a turbine driven by the exhaust gases, which drives the compressor via a common shaft.
  • Two-spool turbojet engines are known in which a second shaft forms a preferably independent compressor stage with a second compressor and a second turbine to improve efficiency, preferably a propeller driven by the low-pressure turbine (“ fan ”) contributes a share of thrust generation by accelerating an air volume and bypassing the combustion process (“ twin-spool bypass turbojet engine “,” turbofan ”) to further improve efficiency and reduce noise emissions.
  • three-shaft turbofan engines are also known in particular.
  • a multi-generator arrangement for a multi-rotor, in particular two or three-shaft aircraft engine wherein a first rotor of a first generator rotatably with a first shaft and a second rotor of a second generator of the tandem generator arrangement rotatably with a second Wave of the multi-shaft aircraft engine is connected.
  • This allows the load to be split between two generators and two shafts.
  • the tandem generator arrangement can be made more compact, in particular narrower, than a single generator carrying the entire load.
  • one or more further generators may be provided in an analogous manner, the rotors rotatably connected with other or with the first or second shaft are.
  • a first compressor which is connected by a first shaft to a first turbine, may in particular be a low-pressure compressor of a two- or three-shaft engine or a medium-pressure compressor of a three-shaft engine. Accordingly, this first turbine can be a low-pressure or medium-pressure turbine.
  • a second compressor connected by a second shaft to a second turbine may, for example, be a medium or high pressure compressor.
  • the first and second shafts are arranged concentrically to one another and / or decoupled from one another or independently controllable.
  • the first shaft may be at least partially received in the second shaft.
  • the generator output of both generators can also be advantageously controlled and / or the generators can be adapted to the respective operating conditions, for example rated speeds.
  • the first and second generators are arranged in the same axial region of the engine, for example in a front, intake-side region. This can, for example, enable common wiring, air, lubricant and / or coolant supply and / or removal in a space that is preferably at least partially closed for this purpose.
  • first and second generator can be arranged in the same housing part of the engine, in particular attached to this or be supported.
  • the first and / or second generator are arranged in a front La ger housing of the engine.
  • the first generator is arranged axially in front of a bearing of the first shaft and / or the second generator axially behind this bearing of the first shaft and preferably in front of a bearing of the second shaft.
  • a stator of a generator can be jointly, in particular integrally, supported by a bearing, for instance by being fastened to the engine housing with the same strut as the bearing.
  • the slower rotating first generator in particular its rotor and / or stator, is offset radially outwards against the second generator, in particular its rotor and / or stator, in order to enable similar peripheral speeds.
  • FIG. 1 shows a part of an engine according to an embodiment of the present invention in an upper axial section.
  • Fig. 1 shows in axial section a front upper part of a twin-shaft aircraft engine according to an embodiment of the present invention.
  • a first or low-pressure shaft 10 is seen, which is mounted in a front bearing 30 and a middle bearing 31 at an intermediate part 40, which defines a front bearing housing of the engine. It connects a first or low-pressure turbine (not shown on the right in FIG. 1) to a first or low-pressure compressor and a fan (not shown in FIG. 1), which draws air into a channel 50, from which it partly flows into a bypass 52 , Partially via a channel 51 is fed to a combustion chamber.
  • This low-pressure shaft 10 is concentrically received in a second or high-pressure shaft 20 of the turbofan engine and protrudes from this.
  • the high-pressure shaft 20 is mounted in a rear bearing 32 of the front bearing housing on the housing part 40 and connects a second or high-pressure turbine (not shown on the right in Fig. 1) with a second or high-pressure compressor (not shown in Fig. 1).
  • a first rotor 12 of a first generator of a tandem generator arrangement is connected, which may for example wear one or more permanent magnets or a rotor of soft magnetic material. It rotates, driven by the low-pressure shaft 10, in a first stator 11 of the first generator, which preferably carries a plurality of windings, arranged axially in front of the bearing 31 and is integrally supported therewith on the same strut 41 or shell on the housing part 40 with which the strut 41 is screwed.
  • a second rotor 22 of a second generator of the tandem generator arrangement is non-rotatably connected to the high-pressure shaft 20, which may also carry one or more permanent magnets or a rotor made of soft magnetic material. It rotates, driven by the high-pressure shaft 20, in a second stator 21 of the second generator, which preferably carries a plurality of windings, is arranged axially behind the bearing 31 and in front of the bearing 32 and is supported therewith via the same strut 42 on the housing part 40, with which the strut 42 is screwed.
  • Splitting the load between two tandem array generators can improve performance. In addition, it can allow a more compact, in particular radially smaller, construction.
  • the arrangement in the front bearing housing directly in front of the intermediate bearing 31 or between the latter and the rear bearing 32 advantageously not only requires more favorable environmental conditions and / or improved accessibility, but can also be achieved via the integrable le support together with the bearings 31, 32 also reduce unwanted vibrations.
  • the first generator is offset radially outward against the second generator.

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Abstract

Erfindungsgemäß wird ein mehrwelliges Flugzeugtriebwerk mit einer ersten Welle (10), die einen ersten Kompressor mit einer ersten Turbine verbindet, einer zweiten Welle (20), die einen zweiten Kompressor mit einer zweiten Turbine verbindet, einem ersten Generator mit einem ersten Stator (11) und einem ersten Rotor (12), der mit der ersten Welle drehfest verbunden ist, und einem zweiten Generator mit einem zweiten Stator (21) und einem zweiten Rotor (22), der mit der zweiten Welle drehfest verbunden ist, vorgeschlagen.

Description

Mehrwelliges Triebwerk mit Tandem-Generator
Die Erfindung betrifft ein mehrwelliges Triebwerk nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Gattungsgemäße Strahltriebwerke umfassen allgemein einen Kompressor zum Ansaugen und Verdichten von Luft, eine Brennkammer zum Verbrennen von mit dieser Luft gemischtem Treibstoff, sowie eine durch die Abgase angetriebene Turbine, die über eine gemeinsame Welle den Kompressor antreibt.
Dabei sind zweiwellige Triebwerke („twin-spool turbojet engines") bekannt, bei denen eine zweite Welle eine, vorzugsweise unabhängige, Verdichterstufe mit zweitem Kompressor und zweiter Turbine bildet, um die Effizienz zu verbessern. Vorzugsweise übernimmt ein von der Niederdruckturbine angetriebener Propeller („fan") einen Anteil der Schuberzeugung, indem er eine Luftmenge beschleunigt und an dem Verbrennungs- prozess vorbeileitet („twin-spool bypass turbojet engine",„Turbofan"), um die Effizienz weiter zu verbessern und die Lärmemission zu reduzieren.
Neben diesen zweiwelligen Triebwerken sind insbesondere auch dreiwellige Triebwerke („triple- spool turbofan engines") bekannt.
In Flugzeugen wird für diverse Verbraucher elektrische Energie benötigt. Gleichzeitig steht für Triebwerke und Hilfsaggregate, insbesondere Generatoren zur Erzeugung dieser elektrischen Energie, zunehmend weniger Bauraum zur Verfügung.
Daher ist es, beispielsweise aus der US 2009/0039653 AI, bekannt, einen Generator in das Triebwerk zu integrieren und drehfest mit der Niederdruckwelle zu verbinden. Auf der anderen Seite ist es, beispielsweise aus der US 7,224,082 B2, bekannt, den in das Triebwerk integrierten Generator drehfest mit der Hochdruckwelle zu verbinden. Beide Konzepte sind bezüglich der Bauraumnutzung bereits vorteilhaft, weisen jedoch betriebsbedingte Nachteile auf. So kann beispielsweise die Kopplung eines einzigen, die volle Energielast tragenden Generators, mit der Hochdruckwelle, insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten, das Betriebsverhalten des Triebwerks verschlechtern. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Flugzeugtriebwerk zur Verfügung zu stellen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein mehrwelliges Flugzeugtriebwerk nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale weitergebildet. Vorteilhafte Weiterbildun- gen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird ein Mehr-Generatoren-Anordnung für ein mehr-, insbesondere zwei- oder dreiwelliges Flugzeugtriebwerk vorgeschlagen, wobei ein erster Rotor eines ersten Generators drehfest mit einer ersten Welle und ein zweiter Rotor eines zweiten Generators der Tandem- Generator-Anordnung drehfest mit einer zweiten Welle des mehrwelligen Flugzeugtriebwerk verbunden ist. Hierdurch kann die Belastung auf zwei Generatoren und zwei Wellen aufgeteilt werden. Zudem kann die Tandem-Generator-Anordnung kompakter, insbesondere schmäler, ausgestaltet werden als ein einziger, die gesamte Last tragender Generator. Neben einer bevorzugten Tandem-Generator- Anordnung mit erstem und zweitem Generator können, insbesondere bei Triebwerken mit drei oder noch mehr Wellen, in analoger Weise ein oder mehrere weitere Generatoren vorgesehen sein, deren Rotoren mit weiteren oder auch mit der ersten oder zweiten Welle drehfest verbunden sind.
Ein erster Kompressor, der durch erste Welle mit einer ersten Turbine verbunden ist, kann insbesondere ein Niederdruckkompressor eines zwei- oder dreiwelligen Triebwerks oder ein Mittel- druckkompressor eines dreiwelligen Triebwerks sein. Entsprechend kann diese erste Turbine ei- ne Nieder- oder Mitteldruckturbine sein. Ein zweiter Kompressor, der durch eine zweite Welle mit einer zweiten Turbine verbunden ist, kann entsprechend zum Beispiel ein Mittel- oder Hochdruckkompressor sein. Die erste und zweite Welle sind in einer bevorzugten Ausführung konzentrisch zueinander angeordnet und/oder voneinander entkoppelt bzw. unabhängig steuerbar. Insbesondere kann die erste Welle wenigstens teilweise in der zweiten Welle aufgenommen sein. Werden die Wellen unabhängig voneinander, beispielsweise in an sich bekannter Weise als Nl- und N2-Rotor, gesteuert, kann so vorteilhafterweise auch die Generatorleistung beider Generatoren gesteuert und/oder die Generatoren an die jeweiligen Betriebsbedingungen, beispielsweise Nenndrehzahlen, angepasst werden.
In einer bevorzugten Ausführung sind der erste und zweite Generator in demselben axialen Be- reich des Triebwerks angeordnet, beispielsweise in einem vorderen, einsaugseitigen Bereich. Dies kann beispielsweise eine gemeinsame Verkabelung, Luft-, Schmier- und/oder Kühlmittel- zu- und/oder -abfuhr in einem hierzu vorzugsweise wenigstens teilweise abgeschlossenen Bauraum ermöglichen.
Insbesondere zur Gewichtsreduktion durch eine möglichst integrale Bauweise können der erste und zweite Generator in demselben Gehäuseteil des Triebwerks angeordnet, insbesondere an diesem befestigt bzw. abgestützt sein.
Vorzugsweise sind der erste und/oder zweite Generator in einem vorderen La-gergehäuse des Triebwerks angeordnet. Dies setzt die Generatoren weniger anspruchsvollen Umwelteinflüssen aus als beispielsweise eine Anordnung im Triebwerksheck und kann zudem die Zugänglichkeit, beispielsweise zu Inspektions- und Wartungszwecken, insbesondere für einen Generatorentausch, verbessern, zu dem dann im Wesentlichen nur der Fan demontiert werden muss.
In einer bevorzugten Ausführung ist der erste Generator axial vor einem Lager der ersten Welle und/oder der zweite Generator axial hinter diesem Lager der ersten Welle sowie vorzugsweise vor einem Lager der zweiten Welle angeordnet. Dies ermöglicht eine besonders stabile und vib- rationsarme Abstützung der Generatoren in der Nähe der Lager am Gehäuse des Triebwerks. Um diese zu verbessern, kann zusätzlich oder alternativ ein Stator eines Generators gemeinsam, insbesondere integral, mit einem Lager abgestützt sein, etwa, indem er mit derselben Strebe wie das Lager an dem Triebwerksgehäuse befestigt ist.
In einer bevorzugten Ausführung ist der langsamer drehende erste Generator, insbesondere sein Rotor und/oder Stator, radial nach außen gegen den zweiten Generator, insbesondere dessen Rotor und/oder Stator, versetzt, um ähnliche Umfangsgeschwindigkeiten zu ermöglichen.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert, die einzige:
Fig. 1 einen Teil eines Triebwerks gemäß einer Ausfuhrung der vorliegenden Erfin- dung in einem oberen Axialschnitt.
Fig. 1 zeigt in einem axialen Schnitt einen vorderen oberen Teil eines zweiwelligen Flugzeugtriebwerks gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Man erkennt insbesondere eine erste bzw. Niederdruckwelle 10, die in einem vorderen Lager 30 und einem mittleren Lager 31 an einem Zwischen- bzw. Übergangsteil 40, das ein vorderes Lagergehäuse des Triebwerks definiert, gelagert ist. Sie verbindet eine erste bzw. Niederdruckturbine (rechts in Fig. 1 nicht dargestellt) mit einem ersten bzw. Niederdruckkompressor und einem Fan (in Fig. 1 nicht dargestellt), der Luft in einen Kanal 50 ansaugt, aus dem diese teilweise in einen Bypass 52, teilweise über einen Kanal 51 einer Brennkammer zugeleitet wird.
Diese Niederdruckwelle 10 ist konzentrisch in einer zweiten bzw. Hochdruckwelle 20 des Turbofan-Triebwerks aufgenommen und ragt aus dieser hervor. Die Hochdruckwelle 20 ist in einem hinteren Lager 32 des vorderen Lagergehäuses an dem Gehäuseteil 40 gelagert und verbindet eine zweite bzw. Hochdruckturbine (rechts in Fig. 1 nicht dargestellt) mit einem zweiten bzw. Hochdruckkompressor (in Fig. 1 nicht dargestellt).
Drehfest mit der Niederdruckwelle 10 ist ein erster Rotor 12 eines ersten Generators einer Tandem-Generator-Anordnung verbunden, der beispielsweise einen oder mehrere Permanentmagnete oder einen Rotor aus weichmagnetischem Material tragen kann. Er dreht sich, angetrieben durch die Niederdruckwelle 10, in einem ersten Stator 11 des ersten Generators, der vorzugsweise mehrere Wicklungen trägt, axial vor dem Lager 31 angeordnet und integral mit diesem über dieselbe Strebe 41 bzw. Schale an dem Gehäuseteil 40 abgestützt ist, mit welchem die Strebe 41 verschraubt ist.
In ähnlicher Weise ist ein zweiter Rotor 22 eines zweiten Generators der Tandem-Generator- Anordnung drehfest mit der Hochdruckwelle 20 verbunden, der ebenfalls einen oder mehrere Permanentmagnete oder einen Rotor aus weichmagnetischem Material tragen kann. Er dreht sich, angetrieben durch die Hochdruckwelle 20, in einem zweiten Stator 21 des zweiten Generators, der vorzugsweise mehrere Wicklungen trägt, axial hinter dem Lager 31 und vor dem Lager 32 angeordnet und mit diesem über dieselbe Strebe 42 an dem Gehäuseteil 40 abgestützt ist, mit welchem die Strebe 42 verschraubt ist.
Die Aufteilung der Last auf zwei Generatoren einer Tandem- Anordnung kann das Betriebsverhalten verbessern. Zudem kann sie eine kompaktere, insbesondere radial kleinere, Bauweise ermöglichen. Die Anordnung im vorderen Lagergehäuse unmittelbar vor dem Zwischenlager 31 bzw. zwischen diesem und dem hinteren Lager 32 bedingt vorteilhafterweise nicht nur günstige- re Umweltbedingungen und/oder eine verbesserte Zugänglichkeit, sondern kann über die integra- le Abstützung zusammen mit den Lagern 31, 32 auch unerwünschte Vibrationen reduzieren. Um ähnliche Umfangsgeschwindigkeiten zu ermöglichen und/oder unterschiedlichen Zentrifugalkräften und/oder einem durch die Strömungsführung in den Kanälen 50, 51 bedingten Bauraum im vorderen Lagergehäuse optimal Rechnung zu tragen, ist der erste Generator radial nach außen gegen den zweiten Generator versetzt.

Claims

Patentansprüche
1. Mehrwelliges Triebwerk mit einer ersten Welle (10), die einen ersten Kompressor mit einer ersten Turbine verbindet, einer zweiten Welle (20), die einen zweiten Kompressor mit einer zweiten Turbine verbindet, und einem ersten Generator mit einem ersten Stator (11) und einem ersten Rotor (12), der mit der ersten Welle drehfest verbunden ist, gekennzeichnet durch einen zweiten Generator mit einem zweiten Stator (21) und einem zweiten Rotor (22), der mit der zweiten Welle drehfest verbunden ist.
2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Generator in demselben axialen Bereich des Triebwerks angeordnet sind.
3. Triebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Generator in demselben Gehäuseteil (40) des Triebwerks angeordnet sind.
4. Triebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder zweite Generator in einem vorderen Lagergehäuse (40) des Triebwerks angeordnet sind.
5. Triebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Generator axial vor einem Lager (31) der ersten Welle angeordnet ist.
6. Triebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Generator axial vor einem Lager (32) der zweiten Welle und/oder hinter einem Lager (31) der ersten Welle angeordnet ist.
7. Triebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stator (11, 21) eines Generators gemeinsam, insbesondere integral, mit einem Lager (31, 32) der Welle abgestützt ist.
8. Triebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kompressor ein Niederdruckkompressor eines zwei- oder dreiwelligen Triebwerks oder ein Mitteldruckkompressor eines dreiwelligen Triebwerks ist, und/oder dass die erste Turbine eine Niederdruckturbine eines zwei- oder dreiwelligen Triebwerks oder eine Mitteldruckturbine eines dreiwelligen Triebwerks ist, und/oder dass der zweite Kompressor ein Mitteldruckkompressor eines dreiwelligen Triebwerks oder ein Hochdruckkompressor eines zwei- oder dreiwelligen Triebwerks ist, und/oder dass die zweite Turbine eine Mitteldruckturbine eines dreiwelligen Triebwerks oder eine Hochdruckturbine eines zwei- oder dreiwelligen Triebwerks ist.
9. Triebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Welle (10, 20) konzentrisch zueinander angeordnet sind.
10. Triebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet^ dass der Rotor (12) und/oder Stator (11) des einen von dem ersten und zweiten Generator radial nach außen gegen den Rotor (22) und/oder Stator (21) des anderen von dem ersten und zweiten Generator versetzt ist.
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