Aufbau und Evaluierung des Getriebes eines Geared-Turbofan-Triebwerkes durch Simulationstools

Abstract

Der Schwerpunkt der vorliegenden Diplomarbeit liegt darin ein Grundkonzept für die Auslegung jener Planetenradstufe zu erarbeiten, welche bei sogenannten Geared-Turbofan-Triebwerken als Reduktionsstufe zwischen Niederdruckwelle und Fan eingesetzt wird. Als Eingangsdaten für die Grundauslegung wird der Triebwerksschub sowie die Übersetzung der Planetenradstufe benötigt, welche den Herstellerangaben und den Triebwerkspezifischen Type-Certificates entnommen werden können. Ein weiteres Augenmerk dieser Arbeit liegt auf der Darstellung von Vorteilen und den technischen Herausforderungen, welche die nun vorhandene Planetenradstufe im Triebwerkstrang mit sich bringt. In diesem Rahmen wird auch die historische Entwicklung von Geared-Turbofan-Triebwerken aufgezeigt. Diese Diplomarbeit ist von der Motivation getrieben, dass durch die Verwendung einer Planetenradstufe im Triebwerksstrang eine Reihe von Vorteilen, wie beispielsweise ein höherer Gesamtvortriebswirkungsgrad realisierbar ist, wodurch eine deutliche Treibstoffreduzierung erreicht werden kann. Im ersten Teilbereich wird der aktuelle Stand der Technik von Planetenradgetrieben detailliert beschrieben und auf die Anwendungen von Planetenradgetrieben im allgemeinen Maschinenbau eingegangen. Der zweite Teilbereich beschäftigt sich zum einen mit der Entwicklung von Gasturbinen für die Luftfahrt sowie der Unterteilung und Spezifikation der am häufigsten verwendeten Triebwerksarten. Zum anderen behandelt dieser Abschnitt die Eingliederung von Geared-Turbofan-Triebwerken in die Luftfahrt, deren Funktionsweise und die damit einhergehenden Vorteile und Herausforderungen aus technischer Sicht. Als Abschluss des Theorieteils werden die Leistungsdaten sämtlicher verfügbarer bzw. historischer Geared-Turbofan-Triebwerke mit den dazugehörigen Trägerflugzeugen tabellarisch aufgelistet.Im dritten Teil, welcher als Praxisteil angeführt ist, wird ausgehend von derAnforderungsdefinition die Berechnung der Planetenradstufe in Mathcad mit den dafür notwendigen normativen Grundlagen durchgeführt. Zur Evaluierung der normativen Berechnung wurde die FVA-Workbench verwendet. Anschließend werden die berechneten Sicherheiten der Grübchentragfähigkeit und der Zahnfußtragfähigkeitbeider Berechnungsmethoden gegenübergestellt und diskutiert. Hierbei sollte angemerkt sein, dass keine Optimierungen hinsichtlich der vorhandenen Sicherheiten vorgenommen wurden und die dargestellten Ergebnisse lediglich im Rahmen einer Vorstudie zu interpretieren sind.

The focus of this thesis is to develop a basic concept for the design of the planetary gear set, which is used in so-called geared-turbofan-engines to reduce the rotational speed between the low-pressure-shaft and the fan.For the basic design, the engine thrust and the transmission ratio of the planetary gear set are required as input date. These can be looked up in the manufacturer ́s specifications and can also be taken from the engine specification type-certificates.A further focus of this thesis is the presentation of the advantages and the technical challenges that the planetary gear stage within the powertrains brings with it. Additionally, the historical development of geared-turbofan-engines is shown in this context.This thesis is driven by the motivation that the implementation of a planetary gear stage in the engines powertrain allows a number of advantages to be realized, such as a higher overall propulsion efficiency which can lead to a significant reduction in fuel consumption.In the first section, the current state of the art from planetary gearboxes is described in detail and the typical applications of planetary gearboxes are discussed. The second section deals on the one hand with the development of gas turbines for aviation and the categorization and specification of the most commonly used engine types. On the other hand, this section covers the integration of geared-turbofanengines in aviation, their mode of operation and the associated advantages and challenges from a technical perspective. To conclude the theoretical section, the performance date of several available and historical geared-turbofan-engines as well as the corresponding carrier aircraft are listed.In the third part, which is listed as the practical part, the pre-design of the planetary gear stage in Mathcad with the necessary normative principals is carried out on the requirements definition. The FVA-Workbench was used to evaluate the normative predesign.The calculated safeties of the pitting load capacity and the tooth root loadcapacity of booth calculation methods are then compared and discussed. It is important to note, that no optimisations were made with regard to the existing safety-factors and the results presented should only be interpreted in the context of a preliminary design.