Eintrittskonus für ein Strahltriebwerk

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Eintrittskonus für ein als Mantelstromtriebwerk ausgebildetes Strahltriebwerk, das einen Triebwerkskernbereich und einen diesen umgehenden Mantelbereich aufweist, wobei der Eintrittskonus konzentrisch im Lufteintrittsbereich des Strahltriebwerkes angeordnet ist und an einer drehbar gelagerten Welle angeordnet ist.

Eine gattungsgemäße Konusanordnung ist aus der Europäischen Patentschrift EP 0 294 654 Bl bekannt. Die äußere Form der Konusanordnung entspricht der eines Rotationsparaboloids. Die Wandung der Konusanordnung ist zur Bildung eines Befestigungsflansches nach innen gezogen, so dass im Fall eines Fremdkörpereinschlags auf die Konusanordnung diese aufgrund einer speziellen Ausbildung im Anflanschbereich an den Rotor unbeschädigt bleibt. Jedoch kann die Flugbahn des Fremdkörpers, welcher auf die Konusanordnung eintrifft, nicht kontrolliert werden. Insbesondere durch die Ausbildung der äußeren Form als Rotationsparaboloid ist eine Richtungsvorgabe der Flugbahn nach dem Abprallen von der Konusanordnung nicht möglich.

Aus der Patentanmeldung US 2006/0056977 Al ist eine Konusanordnung bekannt, welche entlang der Längsachse des Strahltriebwerkes verfahrbar ist. Die Konusanordnung lässt sich gemäß der hierin offenbarten Anordnung entgegen der Strömungsrichtung von der Niederdruckturbinenwelle abheben, so dass eine optimale Strömung im Eintrittsbereich des Strahltriebwerkes geschaffen werden kann und an verschiedene Flugzustände des Luftfahrzeugs anpassbar ist. Ferner soll die vorgeschlagene Beweglichkeit der Konusanordnung in Richtung der Längsachse einen effektiven Schutz gegen die Bildung von Eis und gegen auftreffende Festkörper bieten.

Damit ist zwar eine Kontrolle des Anströmwinkels des eintretenden Fluids möglich, jedoch weist die vorgeschlagene Ausführung einen erheblichen konstruktiven Aufwand auf. Ein effektiver Schutz des Strahltriebwerks, und insbesondere des Triebs werkskernbereiches vor eintretenden Festkörpern ist damit jedoch nicht sichergestellt.

Insbesondere in Hochdruckverdichtern, d.h. im Triebwerkskernbereich, führt eine Versandung zur Erosion der Bauteile, da der Sand mit hohen Relativgeschwindigkeiten auf deren Oberfläche trifft. Im Mantelbereich verursachen eintretende Festkörper wie Sand keine erheblichen Schäden, da die eintretende Luft deutlich geringeren Beschleunigungen ausgesetzt ist und keiner thermischen Veränderung aufgrund der Verdichtung und der Treibstoffverbrennung, die lediglich im Triebswerkskernbereich erfolgt, unterliegt. In Strahltriebwerken löst der Sand neben einem Verstopfen der Kühlspalte weiterhin eine erhebliche Korrosion aus, da im Sand befindliche Sulfate eine Wechselwirkung mit den Bauteilen des Strahltriebwerkes zeigen. Dieses Problem kann lediglich dadurch minimiert werden, dass der Eintritt von Festkörpern wie Sand und dergleichen in den Triebwerkskernbereich nach Möglichkeit minimiert wird.

Ein Eintrittskonus 1 gemäß des Standes der Technik ist der Darstellung in der Figur 4 zu entnehmen, welcher am vorderen Ende einer Niederdruckturbinenwelle 14 eines Strahltriebwerkes 10 angeordnet ist. Das Strahltriebwerk 10 weist einen Triebwerkskernbereich 11 sowie einen Mantelbereich 12 auf. Der Eintrittskonus 1 ist konzentrisch zur Längsachse 13 angeordnet und hat einen flachen Konuswinkel 15. Der flache bzw. kleine Konuswinkel 15 führt dazu, dass auf den Konus 1 auftreffende Festkörper 16 nach dem Abprallen von der Oberfläche des Konus 1 überwiegend in den Triebwerkskernbereich 11 gelangen. Die Festkörper 16 bewegen sich nach dem Abprallen von dem Konus 1 entlang verschiedener Bewegungsbahnen 17, wobei die Bewegungsbahnen 17a in den Triebwerkskernbereich und die Bewegungsbahnen 17b in

den Mantelbereich fuhren. Gemäß der Darstellung in Figur 4 wird ein Großteil der Festkörper 16 in den Triebwerkskernbereich geleitet. Dadurch wird eine wesentliche Schädigung des Triebwerkskembereiches 11 verursacht, da die Festkörper im Triebwerkskernbereich eine besonders starke Erosion auslösen. Insbesondere im Sand befindliche Sulfate und die damit einhergehende Sulfidation stellt bei Niederdruckturbinen eine der limitierenden Schädigungsmechanismen dar.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Eintrittskonus für ein Strahltriebwerk zu schaffen, bei dem der Eintritt von Festkörpern in den Triebwerkskernbereich, kontrolliert minimierbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 sowie des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass der Eintrittskonus durch einen Konus winkel gekennzeichnet ist, bei dem mit dem Luftstrom auf die Konusanordnung auftreffende Festkörper in Bewegungsbahnen von der Konusanordnung abprallen, welche die Festkörper überwiegend in den Mantelbereich führen.

Die Erfindung bietet den Vorteil, dass durch einen geeignet gewählten Konuswinkel die Partikelbahnen des auftreffenden Festkörpers durch Modifizierung des Aufprallwinkels und des Luftstromes insbesondere über die gesamte Konusanordnung derart modifiziert werden, dass die auftreffenden Festkörper, wie beispielsweise Sandpartikel, überwiegend in den Mantelbereich gelangen. Mit dem verringerten Anteil an Festkörpereintritt in den Triebwerkskernbereich werden die damit verbundenen Schädigungsmechanismen minimiert. Durch einen stumpfen Eintrittskonus gelangen weniger Festkörper in den Triebwerkskernbereich als mit einem spitzen Konus. Die

meisten Partikel geraten somit in den Nebenstrom, d.h. in den Mantelbereich. Dort können sie deutlich weniger erosiv und korrosiv wirken.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Konusanordnung wird vorgeschlagen, dass der Konuswinkel der Konusanordnung einen Wert von 30° bis 45°, vorzugsweise von 35° bis 40° und besonders bevorzugt von 38° aufweist. Speziell ein Winkel von etwa 38° als Halbwinkel der kegelförmigen Konusanordnung hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, da mit diesem Winkel ein nur sehr geringer Anteil der Festkörper, welche insgesamt auf die Konusanordnung auftreffen, in den Triebwerkskernbereich eintritt. Dennoch bleibt bei einem Konuswinkel von 38° eine ideale Strömung des Luftstroms, welcher in das Strahltriebwerk eintrifft, erhalten.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist die Konusanordnung in radialer Richtung in einen inneren Anströmbereich und in einen äußeren Anströmbereich unterteilbar, und die radiale Grenze zwischen den Bereichen ist durch einen Grenzstromradius definiert. Damit gelangen die mit dem Luftstrom auf den inneren Anströmbereich auftreffenden Festkörper nach dem Abprallen von der Konusanordnung über eine innere Bewegungsbahn in den Triebwerkskernbereich und die auf den äußeren Anströmbereich auftreffenden Festkörper gelangen nach dem Abprallen über eine äußere Bewegungsbahn in den Mantelbereich. Der Grenzströmradius weist dabei einen Radiusanteil von 50% bis 70%, bevorzugt von 55% bis 65%, und besonders bevorzugt von 62% des Außenradius der Konusanordnung auf. Das bedeutet, dass innerhalb eines Radiusanteils von 62% des Gesamtradius der Konusanordnung die auftreffenden Festkörper unter einem Abprallwinkel derjenigen Bewegungsbahnen folgen, die in den Mantelbereich führen. Lediglich der restliche Radiusbereich im Außenbereich des Konus, also etwa ein Radiusanteil von 38%, bewirkt ein Eintreten der Festkörper in den Triebwerkskernbereich, was gegenüber dem

Anteil gemäß dem Stand der Technik einer Verbesserung von etwa 40% entspricht. Das heißt, dass 40% weniger Sand in den Triebwerkskernbereich eintreten.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform einer Konusanordnung erstreckt sich diese über der gesamten Länge der Konusanordnung in Erstreckungsrichtung der Längsachse mit einem gleichförmigen Konuswinkel. Die Außenseite der Konusanordnung kann dabei ohne Stufe in den Bereich der Fan-Schaufeln übergehen, so dass eine ununterbrochene Strömungskontur gebildet wird.

Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels ist vorgesehen, dass die Konusanordnung im inneren Anströmbereich einen größeren Konuswinkel aufweist als im äußeren Anströmbereich, so dass der gebildete Winkelknick der unterschiedlichen Konuswinkel mit dem Grenzströmradius zusammenfallt. Mittels der unterschiedlichen Steigungen des Konus kann dieser verlängert werden, was einer weiteren Optimierung bzw. Reduktion der in den Triebwerkskernbereich eintretenden Festkörper ermöglicht. Die Konusanordnung ist gemäß dieses Ausführungsbeispiels derart ausgebildet, dass diese stromaufwärts einen steilen Winkel aufweist, woraufhin in Strömungsrichtung ein flacher Konuswinkel folgt, der in die Schaufelanordnung übergeht.

Der Bereich, in dem der Konuswinkel sich ändert, kann vorteilhafterweise in den Grenzströmradius fallen, so dass die Festkörper, welche auf dem vorderen steileren Konusbereich auftreffen, vollständig in den Mantelbereich geführt werden, woraufhin lediglich ein kleiner Anteil im äußeren Konusbereich angrenzend an die Schaufelanordnung dazu führt, dass die Festkörper in den Triebwerkskernbereich eintreten. Damit wird vorteilhafterweise erreicht, dass der Anteil der in den Mantelbereich eintretenden Sandpartikel einen Wert von 50% bis 70%, bevorzugt von 55% bis 65% und besonders bevorzugt von 62% der insgesamt auf die Konusanordnung auftreffenden Sandpartikel aufweist. Mit einer entsprechenden Veränderung der

Konusanordnung kann jedoch auch ein höherer Anteil an in den Mantelbereich eintretenden Sandpartikel erreicht werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer Konusanordnung für ein als Mantelstromtriebwerk ausgebildetes Strahltriebwerk, das einen Triebwerkskernbereich und einen diesen radial umhüllenden Mantelbereich aufweist, wobei die Konusanordnung zentrisch im Lufteintrittsbereich des Strahltriebwerkes angeordnet ist und vorne an der um eine Längsachse drehbar gelagerten Niederdruckturbinenwelle angeordnet ist, und wobei die Konusanordnung einen Konuswinkel mit einem Wert von 30° bis 45°, vorzugsweise von 35° bis 40° und besonders bevorzugt von 38° aufweist, bei dem mit dem Luftstrom auf die Konusanordnung auftreffende Festkörper in Bewegungsbahnen von der Konusanordnung abprallen, welche die Festkörper überwiegend in den Mantelbereich führen.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben oder werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Eintrittskonus eines Strahltriebwerkes mit einem Konuswinkel gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Konus sowie des

Triebwerkskernbereiches und des Mantelbereiches;

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf den Eintrittskonus, welche in einen inneren Anströmbereich und einen äußeren Anströmbereich unterteilbar ist;

Fig. 4 ein Eintrittskonus eines Strahltriebwerkes gemäß des Standes der

Technik.

Der in der Figur 1 dargestellte Eintrittskonus ist mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Dieser befindet sich in Strömungsrichtung vorne an einem Strahltriebwerk 10 und ist konzentrisch mit einer Längsachse 13 angeordnet. Der Eintrittskonus 1 ist auf einer Niederdruckturbinenwelle 14 montiert, so dass der Eintrittskonus 1 mit der Turbinenwelle mitrotiert. Das Strahltriebwerk 10 lässt sich in einen inneren Triebwerkskernbereich 11 und einen äußeren Mantelbereich 12 unterteilen.

Beispielhaft sind Festkörper 16 dargestellt, welche sich entlang verschiedener Bewegungsbahnen 17 bewegen. Die Bewegungsbahnen teilen sich auf in jene, die in den Triebwerkskernbereich 11 münden, diese sind mit dem Bezugszeichen 17a versehen, wobei die Bewegungsbahnen 17, welche in den Mantelbereich 12 münden, mit dem Bezugszeichen 17b versehen sind. Die Festkörper 16 treffen mit der parallel zur Längsachse 13 verlaufenden Strömung des Luftstroms auf den Eintrittskonus 1 auf. Nach dem Auftreffen prallen die Festkörper 16 von Konus 1 wieder ab und bewegen sich entlang der dargestellten Bewegungsbahnen 17a und 17b. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Konus 1 mit einem Konuswinkel 15 ausgebildet, welcher einen Wert aufweist, der so beschaffen ist, dass mit dem Luftstrom auf dem Konus 1 auftreffende Festkörper 16 den Bewegungsbahnen 17b vom Konus 1 wegbewegend folgen, die die Festkörper 16 überwiegend in den Mantelbereich 12 führen. Hingegen bewegen sich die Festkörper 16 nur zu einem geringen Anteil entlang der Bewegungsbahnen 17a, welche in den Triebwerkskernbereich 11 führen.

In Figur 2 ist die Anordnung des Konus sowie des Triebwerkskernbereiches 11 und des Mantelbereiches 12 schematisiert dargestellt. Die Längsachse 13 ist schematisch als halbierende dargestellt, so dass sich der Konus 1 relativ zur Längsachse 13 unter dem Konuswinkel 15 erstreckt. Die Trennung zwischen dem Triebwerkskernbereich 11 und dem Mantelbereich 12 ist schematisch durch eine Trennwand dargestellt. Die Festkörper 16 treffen auf den Eintrittskonus 1. Nach dem Abprallen der Festkörper 16 bewegen sich diese entlang der inneren und äußeren Bewegungsbahnen 17a und 17b. Die Festkörper 16, welche sich entlang der inneren Bewegungsbahn 17a in den Triebwerkskernbereich 11 bewegen, treffen zuvor im äußeren Anströmbereich 19 auf den Eintrittskonus 1 auf. Die Festkörper 16, welche sich entlang der äußeren Bewegungsbahnen 17b in den Mantelbereich 12 bewegen, treffen im inneren Anströmbereich 18 auf den Konus 1 auf. Die Grenze zwischen dem inneren Anströmbereich 18 und dem äußeren Anströmbereich 19 ist durch den Grenzströmradius 20 gegeben, wobei der innere Anströmbereich 18 den größeren Radiusanteil ausmacht und lediglich ein kleinerer äußerer Anströmbereich 19 vorhanden ist.

Figur 3 stellt schematisch eine Draufsicht auf den Eintrittskonus 1 aus Richtung der Längsachse 13 dar. Der Grenzströmradius 20 begrenzt den inneren Anströmbereich 18, wohingegen der äußere Anströmbereich 19 bis zum Außenradius des Eintrittskonus 1 ragt. Deutlich erkennbar ist die große Fläche, die den inneren Anströmbereich 18 bildet, so dass auf diese Fläche auftreffende Festkörper lediglich in den Mantelbereich 12 überführt werden, wohingegen der kleinere äußere Anströmbereich 19 ein Eintreffen der Festkörper in den Triebwerkskernbereich zulässt. Der Anteil des Grenzströmradius 20 im Verhältnis zum Gesamtradius der Konusanordnung 1 beträgt etwa 62%, so dass nur 38% der auf den anteiligen Radius auftreffenden Festkörper in den Triebwerkskernbereich eintreffen.

Die vorliegende Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausruhrungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausfuhrungen Gebrauch macht. So kann der Konus 1 auch mehrere Konuswinkelabschnitte aufweisen.