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Dokumentenidentifikation DE102004018585A1 01.12.2005
Titel Triebwerkeinlaufkonus für ein Gasturbinentriebwerk
Anmelder Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG, 15827 Dahlewitz, DE
Erfinder Johann, Erik, 12103 Berlin, DE
Vertreter Hoefer & Partner, 81545 München
DE-Anmeldedatum 16.04.2004
DE-Aktenzeichen 102004018585
Offenlegungstag 01.12.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.12.2005
IPC-Hauptklasse F02C 7/05
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf einen Triebwerkeinlaufkonus für ein Gasturbinentriebwerk, mit einer rotationssymmetrischen, strömungsgünstigen Form, wobei die Oberfläche 2 des Konus 1 zur Aufbringung von radial nach außen, bezogen auf die Rotationsachse 3, gerichteten Kräften und/oder Kraftkomponenten auf anfliegende Partikel ausgebildet ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen Triebwerkeinlaufkonus für ein Gasturbinentriebwerk mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.

Im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf ein Triebwerkeinlaufkonus, wie er beispielsweise aus der US 5,182,906 vorbekannt ist. Ein Einlaufkonus oder eine Konusabdeckung ist in vorbekannter Ausgestaltung als rotationssymmetrisches Teil ausgebildet, welches aerodynamisch so angepasst ist, dass die einlaufende Strömung von dem zentrischen Bereich des Triebwerks zu den Stator- oder Rotorschaufeln gelenkt wird. Es erfolgt somit beispielsweise die Abdeckung einer Fanscheibe mittels eines derartigen Einlaufkonus oder Spinners.

Zur Optimierung der aerodynamischen Form weist der Einlaufkonus entweder eine kegelförmige Form auf oder ist als Rotationskörper mit einer halbkreisförmigen oder elliptischen Querschnittsform versehen.

Wie sich insbesondere aus der oben genannten US-Patentschrift ergibt, wurde im Stand der Technik zur Optimierung der Gestaltung des Einlaufkonus lediglich das aerodynamische Strömungsverhalten berücksichtigt, um die Einlaufverluste gering zu halten und um Bauteilübergänge und Spalten strömungstechnisch zu optimieren. Auf diese Weise werden Reibungsverluste vermieden, die zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades der Gasturbine führen können.

Um die Strömung als laminare Strömung in optimaler Weise zu führen, sind die Oberflächen der bekannten Einlaufkonusse sehr glatt ausgebildet.

Bei Triebwerken ist zusätzlich zu dem Wirkungsgrad auch zu beachten, welche Lebensdauer und welche Service-Intervalle die jeweiligen Komponenten aufweisen. Die Lebensdauer und die Service-Intervalle werden dabei insbesondere durch den Verschleiß von Stator- und Rotorschaufeln bestimmt. Diese werden durch eintretende Partikel (Sand, Staub, kleine Steine oder Ähnliches) beschädigt, wobei auch das Eintreten der Partikel in das Kerntriebwerk eine entscheidende Rolle spielt. Es versteht sich, dass abhängig von der Partikelmenge die Lebensdauer der Schaufeln, Einlaufbeläge etc. bestimmt wird. Je mehr Partikel in das Kerntriebwerk eingezogen werden, desto größer ist der Verschleiß. Zusätzlich führen die Partikel zu Blockaden in Kühlluftbohrungen der Brennkammern und beschädigen weiterhin die Turbinenschaufeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu treffen, um bei einfacher technischer Ausgestaltung und kostengünstiger Herstellbarkeit die schädigende Wirkung eintretender Partikel in ein Gasturbinentriebwerk zu minimieren.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die Oberfläche des Triebwerkeinlaufkonus so ausgebildet ist, dass auf einströmende Partikel radial nach außen gerichtete Kräfte oder Kraftkomponenten aufgebracht werden, durch welche die Partikel in ihrer Flugbahn radial weiter nach außen geleitet werden. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Partikel nicht in das Triebwerk, insbesondere das Kerntriebwerk gelangen, sondern in radial weiter außenliegenden Bereichen, wo sie weniger Schaden anrichten, abgeführt werden können.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Ausgestaltung der Oberfläche des Konus erfolgt somit eine Ableitung der Partikel, ohne dass sich das aerodynamische Verhalten des Triebwerkeinlaufkonus verschlechtert.

In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Oberfläche strukturiert ausgebildet ist. Sie kann dabei mit konkaven oder konvexen Bereichen versehen sein oder eine Kombination aus konkaven und konvexen Bereichen aufweisen. Die Übergänge zu den konkaven und konvexen Bereichen können abgerundet oder scharfkantig ausgebildet werden. Weiterhin kann es in Abhängigkeit von den Einsatzbedingungen des Triebwerks und den geometrischen Vorgaben günstig sein, die Oberfläche hart und/oder unelastisch auszubilden oder die Oberfläche elastisch auszugestalten. Bei letzterer Variante kann beispielsweise vorgesehen sein, die Oberfläche mit einem superelastischen Material zu beschichten, beispielsweise mit einer Schicht aus Gummi oder Latex. In günstiger Ausgestaltung ist ein hoher Reibungskoeffizient der Oberfläche vorgesehen.

Allen Ausführungsvarianten ist gemeinsam, dass die Partikel beim Auftreffen auf die Oberfläche zusätzliche Kräfte erfahren und dadurch stärker in die Strömung zurückreflektiert werden.

Als besonders vorteilhaft erweist es sich, dass durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung die Lebensdauer des Triebwerks bzw. der Triebwerkskomponenten erheblich gesteigert werden kann. Insbesondere ist es möglich, die Lebensdauer der IPC-, der Booster- und der HPC-Schaufeln des Triebwerks zu erhöhen, da eine wesentlich geringere Erosion auftritt und da die Beschädigung durch fremde Objekte (FOD) ganz erheblich reduziert werden kann. Die oben beschriebenen nachteiligen Wirkungen der eintretenden Partikel werden somit vermieden, wodurch sich die damit verbundenen Nachteile und Schädigungen vermeiden lassen. Somit erhöht sich die Lebensdauer der Schaufeln und Einlaufbeläge sowie des Fan-Naben-Eintrittsleitrads. Auch die Blockade von Kühlluftbohrungen in der Brennkammer sowie die Beschädigung von Turbinenschaufeln wird verringert.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

1 eine schematische Teil-Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Triebwerkeinlaufkonus,

2 eine Teil-Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Oberfläche,

3 eine vereinfachte Schnittansicht längs der Linie III-III von 2,

4 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Oberfläche, und

5 eine Schnittansicht längs der Linie V-V von 4.

In 1 ist ein im Wesentlichen konusförmiger Triebwerkeinlaufkonus 1 dargestellt, welcher rotationssymmetrisch zu einer Rotationsachse 3 der Gasturbine angeordnet und ausgestaltet ist. Es versteht sich, dass auch elliptische, ballige oder sonstige Formen von Triebwerkeinlaufkonussen möglich sind. An den Triebwerkeinlaufkonus schließt sich in bekannter Weise eine Einlaufkonus-Abdeckung an.

In 1 ist die erfindungsgemäß ausgestaltete Oberfläche mit dem Bezugszeichen 2 versehen. Die Oberfläche kann, wie in 1 dargestellt, mit einer zusätzlichen Beschichtung, beispielsweise aus einem superelastischen Material versehen sein. Es ist jedoch auch möglich, die Oberfläche hart auszubilden und mit einer Strukturierung zu versehen. Es versteht sich, dass erfindungsgemäß auch Kombinationen dieser Ausgestaltungen möglich sind, um beispielsweise eine elastische Oberflächenbeschichtung zusätzlich zu strukturieren.

Mit dem Bezugszeichen C ist die anströmende Flugbahn eines Partikels dargestellt. Dieser trifft in dem Punkt D auf die Oberfläche 2 auf. Von dieser prallt er ab, wobei die Partikelbahn gemäß dem Stand der Technik mit A gekennzeichnet ist, während die erfindungsgemäße Partikelbahn mit B beschrieben ist. Aus der Darstellung der 1 ergibt sich, dass bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Oberfläche die auftretenden Partikel wesentlich weiter nach außen abprallen, da sie zusätzliche Kraftkomponenten in radialer Richtung, bezogen auf die Rotationsachse 3, erfahren.

Die 2 zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Oberfläche 2. Diese ist mit konkaven Bereichen 4 und konvexen Bereichen 5 versehen, welche sich in regelmäßiger Abfolge wabenartig oder musterartig aneinander fügen. Es versteht sich, dass die Strukturierung der Oberfläche in axialer Richtung des Einlaufkonus variieren kann, um unterschiedlich große Radialkraft-Komponenten auf die auftretenden Partikel aufzubringen. Die 3 zeigt eine vereinfachte, stark schematisierte Schnittansicht, aus welcher sich ergibt, dass die konkaven und konvexen Bereiche 4, 5 zu einer wellenartigen Struktur führen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 4 gezeigt, wobei die 5 eine vereinfachte Schnittansicht darstellt. Hierbei weist die Oberfläche mehrere konkave, kallottenartige, nach innen gewölbte Bereiche auf. Die Übergänge können kantig oder abgerundet ausgebildet sein. Weiterhin können die konkaven Bereiche 4 mit einem teilkreisförmigen oder teilelliptischen Querschnitt versehen sein, welcher an die axiale Positionierung bezüglich der Rotationsachse 3 angepasst ist.

1Triebwerkeinlaufkonus 2Oberfläche 3Rotationsachse 4Konkave Bereiche 5Konvexe Bereiche 6Einlaufkonus-Abdeckung APartikelbahn gemäß Stand der Technik BPartikelbahn gemäß der Erfindung CPartikeleintrittsbahn DAuftreffpunkt

Anspruch[de]
  1. Triebwerkeinlaufkonus für ein Gasturbinentriebwerk, mit einer rotationssymmetrischen, strömungsgünstigen Form, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (2) des Konus (1) zur Aufbringung von radial nach außen, bezogen auf die Rotationsachse (3), gerichteten Kräften und/oder Kraftkomponenten auf anfliegende Partikel ausgebildet ist.
  2. Triebwerkeinlaufkonus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (2) strukturiert ausgebildet ist.
  3. Triebwerkeinlaufkonus nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (2) mit konkaven Bereichen (4) versehen ist.
  4. Triebwerkeinlaufkonus nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (2) mit konvexen Bereichen (5) versehen ist.
  5. Triebwerkeinlaufkonus nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (2) mit konkaven (4) und konvexen (5) Bereichen versehen ist.
  6. Triebwerkeinlaufkonus nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (4, 5) abgerundete Übergänge aufweisen.
  7. Triebwerkeinlaufkonus nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (4, 5) kantige Übergänge aufweisen.
  8. Triebwerkeinlaufkonus nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (2) hart und/oder unelastisch ausgebildet ist.
  9. Triebwerkeinlaufkonus nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (2) elastisch ausgebildet ist.
  10. Triebwerkeinlaufkonus nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (2) einen hohen Reibungskoeffizienten aufweist.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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