De Compressor En Gearbox Van De Rolls

Transcript

Mededeling Deze eindverhandeling was een examen. De tijdens de verdediging geformuleerde opmerkingen werden niet opgenomen. 2 Woord vooraf In dit woord vooraf wil ik iedereen bedanken die het schrijven van dit eindwerk heeft mogelijk gemaakt. In de eerste plaats mijn buitenpromotor Adjudant Majoor Eddy Dupont en de mensen van de Sectie Falcon/Embraer voor het ter beschikking stellen van alle informatie en het verschaffen van een uitgebreide uitleg bij deze informatie. Verder wil ik mijn binnenpromotor Dhr. Wim Vanparys, Ing. LuRu, bedanken voor het opvolgen van dit eindwerk. Tenslotte wil ik ook mijn familie en vrienden bedanken voor de steun die zij mij gegeven hebben tijdens deze periode. 3 Abstract Titel: De compressor en gearbox van de Rolls-Royce AE3007A turbofan Door: Bart Simoen Promotoren: Adjudant Majoor E. Dupont, 15 Wing Luchttransport Ing. LuRu W. Vanparys, KHBO De Rolls-Royce AE3007A turbofan is de motor die op de Embraer ERJ 145 familie wordt gebruikt. Alvorens in te gaan op de motor zelf werd eerst een korte voorstelling gegeven van de Embraer ERJ 145 familie. Ook de geschiedenis van Rolls-Royce, de producent van deze motor, en de AE common core familie, waarvan deze motor deel uitmaakt werden besproken. Vervolgens werd verdergegaan met een algemene bespreking van de opbouw van de motor. Zo werden achtereenvolgens de inlaatsectie, de compressorsectie, de verbrandingssectie, de turbinesectie, de bypasssectie, de uitlaatsectie en de Accessory Drive Gearbox besproken. Daarbij werd telkens een volledige beschrijving van de opbouw en functie van de sectie gegeven. Daarna werd dieper ingegaan op de compressor en de gearbox van de motor. Zo werden bij de compressor de verschillende randsystemen besproken zoals het compressor variable geometry system, het engine bleed air systeem en het compressor acceleration bleed systeem. Bij de gearbox werd een onderscheid gemaakt tussen de motorspecifieke onderdelen en de vliegtuigspecifieke onderdelen. Daarbij werd ook weer telkens een beschrijving gegeven van de opbouw en functie. Trefwoorden: Rolls-Royce, AE3007A, turbofan, compressor, gearbox, Embraer 4 Inhoudsopgave Mededeling.....................................................................................2 Woord vooraf..................................................................................3 Abstract.........................................................................................4 Inhoudsopgave................................................................................5 Lijst met illustraties..........................................................................7 Alfabetische lijst van de gebruikte afkortingen....................................11 1 Voorstelling Embraer ERJ-145 familie........................................12 2 Rolls Royce...........................................................................20 2.1 2.2 3 AE3007A...............................................................................27 3.1 3.2 3.3 4 Geschiedenis.................................................................20 Common Core...............................................................24 Inleiding.......................................................................27 Beschrijving..................................................................28 Opbouw van de motor....................................................32 De Compressor......................................................................68 4.1 Inleiding.......................................................................68 4.2 Beschrijving..................................................................68 4.3 Compressor Variable Geometry Systeem...........................69 4.3.1 Inleiding............................................................69 4.3.2 Beschrijving.......................................................69 4.3.3 Componenten.....................................................71 4.3.3.1 4.3.3.2 4.3.3.3 Inlet Guide Vanes....................................71 Compressor Variable Vanes.......................73 Compressor Variable Geometry Actuator.....74 5 4.4 Engine Bleed Air Systeem................................................77 4.4.1 4.4.2 4.5 Compressor Acceleration Bleed Systeem............................79 4.5.1 4.5.2 5 Inleiding............................................................77 Beschrijving.......................................................77 Inleiding............................................................79 Beschrijving.......................................................79 De Accessory Drive Gearbox....................................................81 5.1 Inleiding.......................................................................81 5.2 Beschrijving..................................................................81 5.3 Motorspecifieke onderdelen.............................................85 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.4 Fuel Pump and Metering Unit................................85 Permanent Magnet Alternator...............................89 Oliepomp (Lube and Scavenge Pump)....................91 Vliegtuigspecifieke onderdelen.........................................96 5.4.1 5.4.2 5.4.3 Hydraulische pomp..............................................96 Elektrische generatoren.......................................97 Air Turbine Starter..............................................98 Besluit........................................................................................101 Literatuurlijst...............................................................................102 6 Lijst met illustraties Figuren Figuur 1.1: Eerste ontwerp van de EMB 145.......................................13 Figuur 1.2: Embraer ERJ 145...........................................................14 Figuur 1.3: Aanzichten van de ERJ 135..............................................16 Figuur 1.4: Aanzichten van de ERJ 140..............................................17 Figuur 1.5: Aanzichten van de ERJ 145..............................................18 Figuur 1.6: Aanzichten van de ERJ 145XR..........................................19 Figuur 2.1: Rolls-Royce Merlin..........................................................22 Figuur 2.2: Rolls-Royce RB211.........................................................23 Figuur 2.3: Northrop Grumman Global Hawk UAV...............................24 Figuur 2.4: AE 1107, AE 2100 en AE 3007.........................................24 Figuur 2.5: V-22 Osprey..................................................................25 Figuur 3.1: Rolls-Royce AE3007A turbofan.........................................27 Figuur 3.2: Rolls-Royce AE3007A, linkeraanzicht.................................28 Figuur 3.3: Rolls-Royce AE3007A, rechteraanzicht..............................29 Figuur 3.4: Rolls-Royce AE3007A, langsdoorsnede..............................29 Figuur 3.5: Druk- en temperatuursverloop tijdens normale werking op zeeniveau.....................................................................30 Figuur 3.6: N1 (fan en lagedrukturbine)............................................31 Figuur 3.7: N2 (hogedrukcompressor, accessory gearbox en hogedrukturbine)...........................................................32 Figuur 3.8a: Modulaire opbouw van de motor, deel 1...........................33 Figuur 3.8b: Modulaire opbouw van de motor, deel2...........................34 Figuur 3.9: Fan Case en Blade Containment Ring................................36 Figuur 3.10: Fan Rotor Assembly......................................................37 Figuur 3.11: Zwaluwstaart bevestiging van de Fan Blades....................38 Figuur 3.12: Fan Frame, Vane en Support Assembly............................40 Figuur 3.13: Fan Frame, Vane en Support Assembly in langsdoorsnede............................................................41 7 Figuur 3.14: Compressor inlaatdruk sensor (P2.5) en Front Frame vibration sensor...........................................................42 Figuur 3.15: 1) Fan Speed sensor (N1), 2) Front Frame vibration sensor en 3) Compressor inlaatdruk sensor (P2.5).......................42 Figuur 3.16: Core Vane Assembly.....................................................43 Figuur 3.17: Bypass Vane Assembly..................................................44 Figuur 3.18: Compressor Rotor Assemblie..........................................46 Figuur 3.19: Compressor Case en Vane Assembly...............................48 Figuur 3.20: Verbrandingssectie.......................................................49 Figuur 3.21: Combustion Liner.........................................................51 Figuur 3.22: Turbinesectie...............................................................52 Figuur 3.23: Hogedrukturbine..........................................................54 Figuur 3.24: HPT 1st Stage Vane en Support Assembly........................55 Figuur 3.25: Stator Schoepen van de 1ste trap van de Hogedrukturbine..........................................................56 Figuur 3.26: Case en Rotor Assembly van de Hogedrukturbine..............57 Figuur 3.27: Lagedrukturbine in dwarsdoorsnede................................59 Figuur 3.28: Lagedrukturbine...........................................................60 Figuur 3.29: Bypasssectie................................................................61 Figuur 3.30: Uitlaatsectie................................................................64 Figuur 3.31: Accessory Drive Gearbox...............................................66 Figuur 3.32: AGB Quill Shaft............................................................67 Figuur 4.1: Compressor Variable Geometry Systeem...........................70 Figuur 4.2: Inlet Guide Vanes..........................................................71 Figuur 4.3: Montage van de IGVs en Actuator Ring op het front frame. . .72 Figuur 4.4: Montage van de CVVs en stator schoep assemblies op de compressor case............................................................73 Figuur 4.5: Variable Geametry Actuator.............................................75 Figuur 4.6: Variable Geometry Actuator in langsdoorsnede...................75 Figuur 4.7: VGA Elektrische connectoren en LVDT schema....................76 Figuur 4.8: Engine Bleed Air Systeem...............................................78 Figuur 4.9: Compressor Acceleration Bleed Systeem...........................80 8 Figuur 5.1: Accessory Drive Gearbox behuising..................................82 Figuur 5.2: AGB Geartrain...............................................................82 Figuur 5.3: Accessory Drive Gearbox.................................................83 Figuur 5.4: Fuel Pump and Metering Unit...........................................85 Figuur 5.5: Fuel Pump and Metering Unit...........................................86 Figuur 5.6: Fuel Metering Unit..........................................................87 Figuur 5.7: Schematische voorstelling van de FPMU............................87 Figuur 5.8: Schematische voorstelling van het FPMU systeem...............88 Figuur 5.9: Permanent Magnet Alternator..........................................89 Figuur 5.10: PMA installatie.............................................................90 Figuur 5.11: Oliepomp....................................................................92 Figuur 5.12: Oliepomp....................................................................94 Figuur 5.13: Schematische voorstelling van de Oliepomp.....................95 Figuur 5.14: Hydraulische pomp.......................................................96 Figuur 5.15: Elektrische Generatoren................................................97 Figuur 5.16: Opbouw van de ATS.....................................................99 Figuur 5.17: Air Turbine Starter......................................................100 Tabellen Tabel 1.1: Kenmerken van de Embraer 145 familie.............................15 Tabel 3.1: Accessory Drive Gearbox Pads .........................................65 Tabel 4.1: Variable vanes limieten bij uitgestrekte CVG actuator en schroefstang afmetingen..................................................71 Tabel 5.1: PMA karakteristieken.......................................................91 Tabel 5.2: Oliepomp karakteristieken................................................93 9 Alfabetische lijst van de gebruikte afkortingen °C :.................................graden Celsius °F :.................................graden Fahrenheit ABV :..............................Acceleation Bleed Valve AE:.................................Allison Engine AGB :..............................Accessory Drive Gearbox AJM:................................Adjudant Majoor ATS:................................Air Turbine Starter CABCV:............................Compressor Acceleration Bleed Control Valve CCW:..............................Counter Clockwise CVG:...............................Compressor Variable Geometry CVV :..............................Compressor Variable Vanes DC :................................Direct Current EMB:...............................Embaer Embraer:.........................Empresa Brasileira de Aeronáutica ER :................................Extended Range ERJ:................................Embraer Regional Jet FADEC:............................Full Authority Digital Electronic Controller FCOC:.............................Fuel Cooled Oil Cooler FMU:...............................Fuel Metering Unit FPMU:.............................Fuel Pump and Metering Unit ft:...................................feet HPT:................................High Pressure Turbine IGV:................................Inlet Guide Vanes in:..................................inch in lbs:..............................inch pounds Ing:................................Ingenieur KHBO:.............................Katholieke Hogeschool Brugge Oostende kg:..................................kilogram kN:.................................kilo Newton kPA:................................kilo Pascal 10 lbs..................................pounds LE:..................................Leading Edge LPT:................................Low Pressure Turbine LR:..................................Long Range LSOV:..............................Latching Shut-Off Valve LuRu:..............................Lucht- en Ruimtevaart LVDT:..............................Linear Variable Differential Transformer m:..................................meter max:...............................maximum MFD:...............................Multifunction Display mm:................................millimeter MMV:..............................Main Metering Valve Nm:................................Newton meter NO:.................................Number PDSV:.............................Pressure Drop and Spill Valve PMA:...............................Permanent Magnet Alternator PRV :...............................Pressure Relief Valve psi:.................................pound per square inch RPM:...............................Revolutions Per Minute RR:.................................Rolls-Royce RTBS:..............................Reaer Turbine Bearing Support shp:................................shaft horse power STOVL:............................Schort Takeoff and Vertical Landing UAV:...............................Unmaned Aerial Vehicle U.S.:...............................United States V:...................................Volt VGA:...............................Variable Geometry Actuator XR:.................................Extra Long Range 11 1 Voorstelling Embraer ERJ-145 Familie Embraer is een Braziliaanse vliegtuigconstructeur met hoofdzetel in São José dos Campos, São Paulo. Het bedrijf werd opgericht in 1969 door het ministerie van luchtvaart. Het woord Embraer staat voor Empresa Brasileira de Aeronáutica, wat letterlijk vertaalt Braziliaanse Luchtvaart Onderneming betekent. Embraer produceert zowel vliegtuigen voor de militaire luchtvaart als voor de commerciële luchtvaart en zakenwereld. Embraer behoort tot de 4 grootste vliegtuigbouwers in de wereld en mede door het enorme succes van de ERJ 145 familie is het een van de grootste fabrikanten van regionale jets. Op het einde van de jaren 80 begon Embraer met de ontwikkeling van de EMB 145. Het concept was een regionale jet die plaats bood aan 50 passagiers. Het idee werd voor het eerst voorgesteld aan het grote publiek in 1989 op de Air show van Parijs. Voor de eerste ontwerpen werd gebruik gemaakt van de EMB 120 Brasilia. Het ontwerp was voor 75% gelijk aan dat van de EMB 120 met als grote verschillen dat de romp verlengd werd en dat de turboprop motoren vervangen werden door turbofans. Het vliegtuig had rechte vleugels met winglets en 2 turbofan motoren die bovenop de vleugels waren gemonteerd. Uit de windtunneltests bleek echter dat deze configuratie de vooropgestelde prestaties niet kon bereiken. 12 Figuur 1.1: Eerste ontwerp van de EMB 145 Door de tegenvallende resultaten werden er enkele wijzigingen aangebracht in het ontwerp. Zo kregen de vleugels een pijlstelling van 22.3° en verdwenen de winglets en werden de motoren achteraan op de romp geplaatst om de lengte van het landingsgestel te beperken. Van het oorspronkelijke ontwerp werden de T-staart van de EMB 120 en rompsectie behouden. Als motor werd de Rolls-Royce AE3007A turbofan gekozen. De definitieve versie van de ERJ 145 maakt zijn eerste vlucht in augustus 1995 en de eerste commerciële toestellen werden in december 1996 afgeleverd. De ERJ 145 is verkrijgbaar in 2 versies, de standaardversie ERJ 145ER (Extended Range) en de ERJ 145LR (Long Range) 13 Figuur 1.2: Embraer ERJ 145 In september 1997 besloot Embraer om een verkorte versie van de van de ERJ 145 te maken die plaats zou bieden aan 37 passagier, de ERJ 135. De ERJ 135 maakte reeds zijn eerste vlucht amper 9,5 maand na de lancering van het project. De verschillen met de ERJ 145 zijn beperkt, er is een gelijkenis van ongeveer 95%. Het grootste verschil is de kortere romp, de ERJ 135 is 3,5 meter minder lang. Verder zijn er ook de motoren die minder vermogen leveren door een aanpassing in de FADEC. De ERJ 135 is net als de ERJ 145 verkrijgbaar in 2 versie, de ERJ 135ER en de ERJ 135LR. In 2000 bracht Embraer een business variant van de ERJ 135 op de markt, de Embraer Legacy. De Legacy is voorzien van winglets en heeft een extra brandstoftank in de romp. Naargelang de configuratie van het interieur kunnen er 15 (Exacutive) tot 19 (Corporate Shuttle) passagier in dit toestel. Vervolgens kwam in 2001 de ERJ 140 op de markt, een toestel speciaal ontwikkeld voor de Amerikaanse markt. De hoge graad van gelijkenis met de andere familieleden bleef nog steeds behouden, maar het toestel bood slechts plaats aan 44 passagiers 14 De laatste nieuwe variant kwam er in 2002, toen stelde Embraer de ERJ 145XR voor. Dit toestel is ook ontwikkeld met het oog op de Amerikaanse markt waar er vraag was naar een groter vliegbereik. Hiervoor werd het toestel voorzien van krachtiger motoren en werden winglets geplaatst op de vleugels. Tabel 1.1: Kenmerken van de Embraer 145 familie 15 Figuur 1.3: Aanzichten van de ERJ 135 16 Figuur 1.4: Aanzichten van de ERJ 140 17 Figuur 1.5: Aanzichten van de ERJ 145 18 Figuur 1.6: Aanzichten van de ERJ 145XR 19 2 Rolls-Royce 2.1 Geschiedenis Vandaag de dag stelt Rolls-Royce Corporation in Indianapolis ongeveer 4000 mensen tewerk en daarmee is het de grootste productielocatie van Rolls-Royce in Noord Amerika. In Indianapolis worden belangrijke producten van Rolls-Royce ontworpen, ontwikkeld en geproduceerd, zoals: - F136 motoren voor de Joint Strike Fighter - LiftFans die verticale lift leveren voor de schort takeoff and vertical landing (STOVL) versie van de Joint Srike Fighter - AE 1107C motoren gebruikt op de V-22 tiltrotor - AE 3007 motoren gebruikt op de Embraer regional jets en de Cessna Citation X zaken jet - AE 2100 motoren gebruikt op de Lockheed Martin C-130J Hercules - Model 250 motoren die worden gebruikt op bijna de helft van alle lichte single- en twin-engine helikopters - T56 gebruikt op de Lockheed Martin's P3 Orion • 1884 - 1914 Rolls-Royce is ontstaan uit een klein bedrijfje dat in 1884 werd opgericht in Groot-Brittannië door Henry Royce. Oorspronkelijk produceerde Royce Limited enkel elektrische motoren en generatoren maar in 1904 bouwde het zijn eerste auto. In hetzelfde jaar nog ontmoette Royce Charles Rolls die kwaliteitswagens produceerde in Londen en niet veel later was de Rolls-Royce Company geboren. Onder de voornemens van het bedrijf stond dat het motoren zou produceren voor zowel gebruik op land, als op water en in de lucht. In 1906 bracht Rolls-Royce de Silver Ghost op de markt en opende het zijn eerste zetel in de Verenigde Staten. Charles Rolls, die gepassioneerd was door vliegen, probeerde tot aan zijn 20 vroegtijdige dood in 1910 zijn partner ervan te overtuigen om in de luchtvaart industrie te stappen maar Royce bleef zich concentreren op het ontwerpen en verbeteren van wagens. • 1914 – 1945 Royce’s afkeur voor de luchtvaart hielt stand tot de eerste wereldoorlog hem van het tegendeel overtuigde. Tijdens de eerste wereldoorlog ontwikkelde Rolls-Royce zijn eerste luchtvaart motoren, nl. de Eagle en de Falcon. Deze motoren werden in Engeland gemaakt maar het grootste deel van de onderdelen was afkomstig van de verenigde staten. Na de oorlog werd Rolls-Royce of Amerika opgericht en werden verschillende kantoren over heel Noord-Amerika geopend net als een fabriek voor de productie. Royce begon met de ontwikkeling van de Merlin voor zijn dood in 1933. Deze Merlin motor zou later de Hawker Hurricane en de Supermarine Spitfire aandrijven. Tijdens de tweede wereld oorlog gaf Rolls-Royce de Packard Company een licentie om Merlin motoren te produceren in de Verenigde Staten. De Packard Merlin zorgde voor de aandrijving van P51 Mustang die wordt beschouwd als het beste gevechtstoestel van zijn tijd. Door de grote vraag naar Merlin motoren tijdens de oorlog groeide RollsRoyce uit van een klein bedrijf naar een van de grootste producenten van luchtvaartmotoren. In 1944 begon Rolls-Royce met de ontwikkeling van de gasturbine en van vrijwel onmiddellijk de marktleider. De eerste gasturbines die in de Verenigde Staten werden gebouwd waren ontwerpen van Rolls-Royce die onder licentie mochten worden geproduceerd. 21 Figuur 2.1: Rolls-Royce Merlin • 1945 - 1987 Het grote succes van de Merlin had ook het intrede van Rolls-Royce in Canada tot gevolg. In 1947 werd Rolls-Royce Canada opgericht en begon het te opereren vanuit een klein bureau op de luchthaven van Montreal. Het was vooral de bedoeling om ondersteuning te geven aan de Royal Canadian Air Force die gebruik maakte van de Merlin. De Dart turboprop was de eerste motor van Rolls-Royce die bestemd was voor de burgerluchtvaart. In 1953 ging de Dart in dienst op de Vickers Viscount en was de eerste gasturbine die universeel aanvaard werd door de luchtvaartindustrie. Nadien bracht Rolls-Royce de Avon op de markt die de DeHavilland Comet aandreef en daarmee de eerste turbojet werd op de transatlantische route. Met de Conway op de Boeing 707 en de Douglas DC8 had Rolls-Royce nog een primeur want dit was de eerste turbofan die in dienst werd genomen in de luchtvaart. Met de komst van de widebody toestellen in de jaren 60 lanceerde RollsRoyce de RB211. Door vroeg problemen met de RB211 werd moest het bedrijf het faillissement aanvragen waardoor het in handen van de staat kwam en er een splitsing kwam met de autoproducent Rolls-Royce. Ondanks deze problemen met de RB211 vormt het concept van de drieassige turbofan nog steeds de basis voor de Rolls-Royce familie van grote turbofan motoren. 22 Figuur 2.2: Rolls-Royce RB211 • 1987 - 2005 Rolls-Royce werd in 1987 opnieuw geprivatiseerd en kon uitbreiden door enkele fusies en overnames. Een belangrijke overname was deze van de Allison Engine Company in 1995. Het nieuwe bedrijf, Rolls-Royce Corporation, liet Rolls-Royce toe om motoren aan te bieden in vrijwel elk segment van de markt, van helikopters tot widebody vliegtuigen. Een van de meest succesvolle producten van Rolls-Royce vandaag de dag is de AE3007 turbofan. Deze voorziet de Embraer 145 familie van regionale jets, de Embraer Legacy zaken jet, de Cessna Citation X zaken jet en de Northrop Grumman Global Hawk UAV van thrust. Door de overnames van oa. Allison Engine Company, Cooper Rolls, National Airmotive en Vickers plc kon Rolls-Royce uitgroeien tot een groot bedrijf met veel aanzien op het vlak van productie en onderhoud van vliegtuigmotoren. In de 21ste eeuw blijft Rolls-Royce een belangrijke producent van motoren voor zowel gebruik op land, in het water als in de lucht; waarmee het de vroege visie van Charels Royce en Henry Royce in ere houdt. 23 Figuur 2.3: Northrop Grumman Global Hawk UAV 2.2 Common Core Alle Rolls-Royce AE common core motoren zijn ontworpen om te voldoen aan de eisen van zowel de burger als de militaire luchtvaart. Tot deze familie van motoren behoren de AE 1107 turboshaft, de AE 2100 turboprop en de AE 3007 turbofan. Al deze motoren maken gebruik van dezelfde hogedruk kern en hebben een hoge betrouwbaarheid, leveren goede prestaties en zijn gebruiksvriendelijk qua onderhoud. Ongeveer 80% van de onderdelen van deze motoren zijn gemeenschappelijk. Figuur 2.4: AE 1107, AE 2100 en AE 3007 24 De ontwikkeling van de motor kern begon met de AE1107 turboshaft voor de V-22 Osprey tiltrotor die 6150 shp levert. Deze motor werd ontworpen om te opereren onder de veeleisende behoeften van tiltrotor operaties van de U.S. Marine Corps, Navy en Air Force. Figuur 2.5: V-22 Osprey Rolls-Royce ontwikkelde de AE 2100 turboprop en gebruikte daarvoor de motor kern van de AE 1107 als basis. De AE 2100 levert 3600 tot 4600 shp. Deze motor wordt gebruikt voor zowel militaire als burger toepassingen zoals de Saab 2000 en de Lockheed Martin C-130J. De eerste AE 2100 werd in dienst genomen in 1994 op de Saab 2000. De AE 3007 turbofan wordt net als de AE 2100 voor zowel militaire als burger toepassingen gebruikt. De AE 3007 levert 7000 tot 9000 pounds thrust. Deze motor wordt gebruikt op de Embraer 145 familie, de Embraer Legacy, de Cessna Citation en de Northrop Grumman Global Hawk UAV. De eerste AE 3007 turbofan werd in dienst genomen in 1996 op de Embraer 145. 25 Tot op vandaag zijn er meer dan 4000 AE common core motoren geleverd. Door gebruik te maken van dezelfde technologie kan men de opgedane ervaringen toepassen op de ganse AE familie waardoor deze doorheen alle fasen kan profiteren van voortdurende verbeteringen. Doordat 80% van de onderdelen gemeenschappelijk zijn binnen de AE common core familie kunnen operatoren beschikken over een wereldwijde beschikbaarheid van onderdelen en ondersteuning. 26 3 AE3007A 3.1 Inleiding De Rolls-Royce AE3007A turbofan is een high-bypass, axial-flow motor. Het is een twee-assige motor waarbij de fan wordt aangedreven door een drie traps lagedrukturbine en de hogedrukcompressor en accesory gearbox worden aangedreven door een twee traps hogedrukturbine. De motor werd ontwikkeld door Rolls-Royce Corporation, in Indianapolis, Indiana. De RR AE3007A maakt gebruik van de high pressure core van de AE 1107 turboshaft. Deze motor werd ontwikkeld door Allison Engine Company voor gebruik op de V-22 Osprey. Figuur 3.1: Rolls-Royce AE3007A turbofan 27 3.2 Beschrijving De RR AE3007A turbofan is een high-bypass motor met een omloopverhouding van 5:1 en een drukverhouding van 18:1. De motor produceert ongeveer 7.580 pounds (34 kN) stuwkracht en weegt ongeveer 1.586 pounds (725 kg), wat een power to weight ratio oplevert van 5:1. De motor is 115,08 in (2,92 m) lang; 46,14 in (1,17 m) breed en 55,70 in (1,41 m) hoog met een fan diameter van 38,5 in (0,97 m). Figuur 3.2: Rolls-Royce AE3007A, linkeraanzicht 28 Figuur 3.3: Rolls-Royce AE3007A, rechteraanzicht Figuur 3.4: Rolls-Royce AE3007A, langsdoorsnede 29 Figuur 3.5: Druk- en temperatuursverloop tijdens normale werking op zeeniveau 30 Bij het ontwerp werd o.a. gebruik gemaakt van: a) Een volledig geleidde één traps lagedruk fan met directe aandrijving. b) Een veertien traps axiaal hogedrukcompressor met inlet guide vanes (IGVs) en waarvan de eerste 5 trappen compressor variable vanes (CVVs) bevatten. c) Een twee traps hogedrukturbine (HPT (N2)) die zorgt voor de aandrijving van de compressor. d) Een drie traps lagedrukturbine (LPT (N1)) die zorgt voor de aandrijving van de fan. e) Dubbel uitgevoerde, fully-redundant full authority digital electronic controllers (FADECs) die in het airframe zijn gemonteerd. f) Een accessory drive gearbox (AGB) voor systemen die door de motor worden aangedreven. g) Een air system voor de presurisatie van het vliegtuig en het opstarten van de motor Figuur 3.6: N1 (fan en lagedrukturbine) 31 Figuur 3.7: N2 (hogedrukcompressor, accessory gearbox en hogedrukturbine) 3.3 Opbouw van de motor De RR AE3007A motor is opgebouwd uit verschillende secties. Deze manier van opbouw vereenvoudigd onderhoudswerkzaamheden aan de motor en laat toe dat de motor sneller terug in dienst kan genomen worden. De verschillende secties van de RR AE3007A zijn: 1) Inlaatsectie 2) Compressorsectie 3) Verbrandingssectie 4) Turbinesectie 5) Bypasssectie 6) Uitlaatsectie 7) Accessory drive gearbox 32 Verder bevat deze motor nog enkele belangrijke systemen zoals : 1) Olie systeem 2) Bleed systeem 3) Motor indicatie systeem 4) Brandstof en controle systeem Figuur 3.8a: Modulaire opbouw van de motor, deel 1 33 Figuur 3.8b: Modulaire opbouw van de motor, deel2 34 3.3.1 Inlaatsectie De inlaatsectie zorgt voor een toevoer van lucht naar de compressorinlaat en de outer bypass duct van ongeveer 232 pounds per second. In de inlaatsectie wordt de lucht een eerste keer samengedrukt door de fan. Vervolgens wordt de luchtstoom gesplitst in een bypass stroom, die via de outer bypass duct buiten de basismotor om gaat, en een core stroom, die de compressor binnengaat. De verhouding tussen deze twee stromen of bypass ratio bedraagt ongeveer 5:1. De inlaatsectie bestaat uit een: - fan case - fan rotor assembly - fan front frame, vane and support assembly • Fan Case De fan case is gemaakt van aluminium en bevat de fan blade containment ring. Deze is opgebouwd uit een honingraatstructuur van aluminium die aan de buitenkant is bedekt met composiet waarover enkele lagen kevlarvezels zijn aangebracht. De containment ring moet ervoor zorgen dat een blad dat afbreekt binnen de motor blijft zodat er geen schade kan aangericht worden buiten de motor. 35 Figuur 3.9: Fan Case en Blade Containment Ring • Fan Rotor Assembly De fan rotor assembly bestaat uit 24 titanium fan blades die op het fan wheel zijn vastgemaakt door middel van een zwaluwstaart bevestiging. De fan blades worden op hun plaats gehouden door een forward- en aft retainer ring. Op de forward retainer ring zit de spinner bevestigd. De spinner is gemaakt van aluminium en heeft een rubberen tip. Deze flexibele tip voorkomt ijsafzetting op de spinner. Op de retainer rings zijn kleine gewichtjes bevestigd die zorgen voor de uitbalancering van de fan. Het fan wheel is bevestigd op de fan drive shaft die op zijn beurt bevestigd is op de N1-as. 36 Figuur 3.10: Fan Rotor Assembly 37 Figuur 3.11: Zwaluwstaart bevestiging van de Fan Blades 38 • Fan Front Frame, Vane and Support Assembly De voornaamste onderdelen van deze assembly zijn het front frame, de fan bearing support housing, de front sump housing, de inlet guide vanes, de nose ring splitter en de bypass vane en core vane assemblies. Het front frame is een belangrijk onderdeel van de structuur van de motor. Op het front frame zijn namelijk de fan bearing support housing en front sump housing bevestigd. Deze huizen respectievelijk de NO. 0 en NO. 1 lagers die de fan drive schaft en N1-as ondersteunen en de NO. 2A, B en C en NO. 3 lagers die de radial drive geartrain en de N2-as ondersteunen. Het front frame is gemaakt van magnesium en is opgebouwd uit 6 radiale struts waarin sensoren zitten die o.a. de N1 snelheid, de compressor inlaatdruk (P2.5) en de compressor inlaattemperatuur (T2.5) meten. In de onderste strut zit de gearschaft voor de accessory drive gearbox. De gearshaft bestaat uit een upper bevel pinion en een quill shaft. Op de plaat waar deze 2 samenkomen bevindt zich de NO. 6 lager of mid span bearing om radiale vibraties te verminderen. Verder zit er op het front frame ook nog een vibration sensor. Op de voorzijde van het front frame is naast de fan bearing support housing ook de core vane assembly bevestigd. De core vane assembly is gemaakt van aluminium en wordt op het fan frame gehouden door 2 retainter platen. Op deze core vane assembly past de bypass flowpath ring waarop dan de bypass vane assembly kan bevestigd worden. De bypass vane assembly is opgebouwd uit 24 segmenten van 3 schoepen en 1 segment van 2 schoepen. De schoepen van deze segmenten zijn gemaakt van een mengesel van kevlar grafiet en composiet en hebben een inconel leading edge. 39 De nose ring splitter zorgt samen met de bypass vane assembly en de core vane assembly dat de luchtstroom die van de fan rotor assembly komt gesplitst wordt in de bypass stroom en de core stroom. Op de achterzijde van het fan frame zijn de Inlet Guide Vanes bevestigd. De positie van de IGVs wordt bepaald door een ring die is verbonden met de CVG torque tube. Deze is verbonden met de CVG actuator die wordt gestuurd door de FADEC. Figuur 3.12: Fan Frame, Vane en Support Assembly 40 Figuur 3.13: Fan Frame, Vane en Support Assembly in langsdoorsnede 41 Figuur 3.14: Compressor inlaatdruk sensor (P2.5) en Front Frame vibration sensor 1 2 3 Figuur 3.15: 1) Fan Speed sensor (N1), 2) Front Frame vibration sensor en 3) Compressor inlaatdruk sensor (P2.5) 42 Figuur 3.16: Core Vane Assembly 43 Figuur 3.17: Bypass Vane Assembly 44 3.3.2 Compressorsectie De compressor rotor draait binnen de compressor case zodat de druk , snelheid en temperatuur van de lucht toenemen. Door deze toename neemt ook de energie van de lucht toe. Deze lucht wordt dan gebruikt voor de verbranding of koeling van de turbinesectie. De compressor heeft 14 trappen waarvan de eerste 5 trappen net zoals de IGVs voorzien zijn van CVG stator schoepen. De positie van deze schoepen wordt bepaald door de CVG actuator die gestuurd wordt door de FADECs. Bleed air van de 9de en 14de compressortrap wordt gebruikt voor het antiicing systeem, de airconditioning en de pressurisatie van het vliegtuig. Lucht van de 14de trap wordt gebruikt tijdens low engine thrust condities en lucht van de 9de tap tijdens high engine thrust condities. De compressorsectie bestaat uit een: - compressor rotor assembly - compressor case en vane assembly De compressor cases, schoepen en wheels zijn allemaal gemaakt van titanium. • Compressor Rotor Assembly De compressor rotor assembly is opgebouwd uit 14 wheel assemblies die zijn opgestapeld op de compressor cone shaft. De compressor tie bold gaat door het midden van de wheel assemblies en verbindt de compressor stub shaft, de wheel assemblies, de compressor cone shaft en de compressor-to-turbine shaft met elkaar. De verschillende wheel assemblies, met uitzondering van de 14de trap, zijn voorzien van spacers aan de achterzijde. Deze spacers zorgen ervoor dat de 2de -tot 14de trap in hun axiale positie blijven en zijn voorzien van labyrinth knife edge seals. De compressor schoepen zijn met zwaluwstaart bevestigingen vast gemaakt op de compressor wheels. 45 Figuur 3.18: Compressor Rotor Assemblie 46 • Compressor Case en Vane Assembly De compressor case en vane assembly bestaat uit 2 helften. Samen vormen deze 2 helften de buitenste wand van de compressor. De compressor case bevat 5 trappen met Compressor Variable Vanes en acht trappen met onbeweeglijke schoepen. Elke CVV is voorzien van een stift die door een opening in de compressor case reikt en verbonden is met de vane actuation ring. De binnen diameter van alle schoepen zorgt voor de dichting met de labyrinth knife edge seals op de spacers van de compressor rotor. De 6de – tot 13de trap bestaan uit fixed vane assemblies van 180°. Ze zijn bevestigd aan de binnenzijde van de bovenste of onderste case helft. Door uitzetting van de case en de schoepen onder invloed van de hoge temperaturen is er tussen de verschillende trappen aan de binnenzijde van de compressor case en aan de binnen diameter van de schoepen een metalen honeycomb slijtlaag aangebracht om het verlies tussen de trappen te verminderen. De 14de trap is bevestigd op de compressor diffuser. De 9de – en 14de trap zijn voorzien van een bleed valve op de compressor case waarlangs lucht kan afgetapt worden voor systemen van het vliegtuig. 47 Figuur 3.19: Compressor Case en Vane Assembly 48 3.3.3 Verbrandingssectie De diffuser assembly levert het gepaste mengsel van brandstof en lucht voor de verbranding. Lucht van de compressor komt de diffuser binnen en gaat naar de combustion liner. De combustion liner is voorzien van primaire, secundaire en intermediate openingen die zorgen voor het verdunnen van de lucht en voor een betere vlamcontrole. De verbrandingssectie bestaat uit een: - diffuser assembly - combustion liner Figuur 3.20: Verbrandingssectie 49 • Diffuser Assembly De compressor diffuser, die gemaakt is van titanium, is een belangrijke structurele component. Hij is opgebouwd uit een inner en een outer case die met elkaar verbonden zijn via 8 struts. In de inner case zit de center sump bevestigd. Deze huist de No. 4 kogel lager en de No. 5 en No. 6 carbon dichtingen. De outer case vormt de buiten behuizing van de combustion liner. In de outer case van de diffuser zijn 3 bleed air ports voorzien voor de afgetapte lucht van de 14de compressor trap. • Comustion Liner De combustion liner vermengt lucht met brandstof om de verbranding te onderhouden en levert een stroom van heet gas aan de turbine. De combustion liner is ringvormige verbrandingskamer en is uitgerust met 16 fuel nozzles die op gelijke afstand van elkaar zin geplaatst en 2 igniters op 6 en 12 uur. De fuel nozzles openingen in de combustion liner bevinden zich op de voorzijde en zijn omringd door swirler assemblies. De swirler assemblies zorgen voor een primaire luchtstroom binnen de verbrandingskamer. Deze primaire stroom wordt dan gemengd met de fuel voor een correcte verbranding. 50 Figuur 3.21: Combustion Liner 51 3.3.4 Turbinesectie De turbinesectie zet de hete gasstroom die van de verbrandingssectie komt om in bruikbare mechanische energie. De turbinesectie kan opgesplitst worden in een 2 traps hogedrukturbine, die de compressor aandrijft, en een 3 traps lagedrukturbine, die de fan aandrijft. De turbinesectie bestaat uit een: - hogedrukturbine assembly - lagedrukturbine assembly Figuur 3.22: Turbinesectie 52 • Hogedrukturbine Assembly De 2 traps hogedrukturbine is opgebouwd uit de HPT 1st stage vane en support assembly, de HPT case assembly en de HPT rotor assembly. De HPT 1st stage vane en support assembly is achteraan op de inner case van de diffuser bevestigd. Op deze assembly zitten de stator schoepen van de 1ste turbine trap. Deze 1ste trap is opgebouwd uit 18 segmenten van telkens 2 schoepen. De schoepen worden luchtgekoeld. De lucht wordt geleverd aan de schoepen langs de binnenste band en verlaat de schoepen langs kleine gaatjes in de LE. De binnen diameter van de van de vane en support assembly is voorzien van 2 metalen honeycomb slijtlagen die samen met knife seals op het rotor wheel van de 1ste trap van de turbine een labyrint dichting vormen om lekken te verminderen. De HPT case is voorzien van slijtlagen voor de 1ste en 2de trap van de turbine rotor schoepen met daar tussenin de stator schoepen van de 2de turbine trap. De HPT rotor bestaat uit de 2 wheel assemblies. Tussen de wheel assemblies in zit de spacer die samen met de wheel assemblies wordt samengehouden door een spanner nut. De HPT rotor zit bevestigd op de compressor-to-turbine schaft die verbonden is met de compressor. 53 Figuur 3.23: Hogedrukturbine 54 Figuur 3.24: HPT 1st Stage Vane en Support Assembly 55 Figuur 3.25: Stator Schoepen van de 1ste trap van de Hogedrukturbine 56 Figuur 3.26: Case en Rotor Assembly van de Hogedrukturbine 57 • Lagedrukturbine Assembly De 3 traps lagedrukturbine is opgebouwd uit de LPT rotor assembly, de LPT case assembly en de rear turbine bearing support. De LPT rotor is opgebouwd uit 3 wheels waarop de rotor schoepen zijn bevestigd met behulp van denneboom bevestigingen. Spacers tussen de wheel assemblies zijn voorzien van openingen voor de koeling van de rotor. De wheel assemblies van de 2de en 3de trap zijn aan elkaar bevestigd met bouten en de 1ste en 2de trap worden samengehouden door de forward en de rear shaft. De LPT case heeft als belangrijkste functie het bepalen van de locatie van de turbine stator schoep assemblies. Hiervoor zijn in de case gaten geboord waarin de pinnen van de stator schoepen passen. Verder zijn er ook gaten voorzien voor een temperatuurssensor en voor inspecties met de borescope. De RTBS zit bevestigd op de achterzijde van de LPT case. De RTBS bevat de behuizing van de No. 5 bearing die het achterste gedeelte van de LPT rotor ondersteunt. 12 struts verbinden de binnenste wand en de buitenste wand de RTBS. Deze struts zijn hol waardoor langs deze weg de leidingen van het oliesysteem naar de lager kunnen gaan. De achterzijde van de RTBS is voorzien voor de installatie van de uitlaat cone. 58 Figuur 3.27: Lagedrukturbine in dwarsdoorsnede 59 Figuur 3.28: Lagedrukturbine 60 3.3.5 Bypasssectie De bypasssectie bestaat uit een: - outer bypass duct - outer bypass duct rear supprot - inner bypass duct Figuur 3.29: Bypasssectie 61 • Outer Bypass Duct De outer bypass duct is een grafiet composiet constructie die een akoestische behandeling heeft gekregen zodat ze ook de motorgeluiden helpt dempen. De outer bypass duct zorgt voor een vermindering van de buigkrachten die op de core engine inwerken. Door het vormen van een buitenwand voor de bypass stroom vermindert de duct ook de bypass verliezen. Vooraan past de bypass duct op de achterzijde van het front frame en achteraan wordt de op zijn plaats gehouden door de outer bypass rear support. • Outer Bypass Duct Rear Support De outer bypass rear support bevindt zich op de RTBS en vorm de uitlaat voor de bypass stroom. De rear support wordt gevormd door 8 struts die de binnen en buiten ring van de rear support met elkaar verbinden. Op de buiten ring zijn plaatsen voorzien voor de ophanging van de motor. • Inner Bypass Duct De inner bypass duct is net als de outer bypass duct gemaakt van grafiet en composiet dat akoestisch behandeld is. De inner bypass duct zorgt ervoor dat de bypass stroom wervelvrij blijft wanneer hij over de core engine passeert. Op de inner bypass duct zijn 6 scoops voorzien die een gedeelte van de bypass stroom aftappen dat dan gebruikt wordt voor de koeling van de buitenkant van de compressor case. 62 3.3.6 Uitlaatsectie De uitlaatsectie is opgebouwd uit een: - exhaust cone - forced core-to-bypass mixer De uitlaat cone zorgt ervoor dat de uitlaatgassen axiaal gericht zijn en een minimum aan wervelingen bevatten wanneer ze door de forced core-tobypass mixer gaan. De gelobde vorm van de mixer maakt het mogelijk dat lucht van de bypass stroom gemengd wordt met lucht van de core stroom waardoor de lawaaiproductie van de motor zeer laag blijft. De exhaust cone en de forced core-to-bypass mixer zijn beiden gemaakt van roestvrij staal en zijn bevestigd op RTBS. 63 Figuur 3.30: Uitlaatsectie 64 3.3.7 Accessory Drive Gearbox De accessory drive gearbox heeft een aluminium behuizing en is onderaan op het front frame van de motor gemonteerd. De gearbox wordt aangedreven door de HPT rotor (N2-as) met behulp van 2 bevel gears, de bevel pinion gearshaft en de quill shaft. De quill shaft is bevestigd op het input bevel gear van de AGB. De AGB is ontworpen als montageplaats voor motor toebehoren en om deze ook aan te drijven. De AGB heeft 7 montageplaatsen voor: - de oliepomp (lube and scavenge pump) - de fuel pump and metering unit - de permanent magnet alternator - de air turbine starter - de hydraulische pomp - 2 generatoren Tabel 3.1: Accessory Drive Gearbox Pads 65 Figuur 3.31: Accessory Drive Gearbox 66 Figuur 3.32: AGB Quill Shaft 67 4 De Compressor 4.1 Inleiding De compressor zorgt ervoor dat er een continue gasstroom met een hoge druk naar de verbrandingskamer wordt gepompt. Het is van belang ervoor te zorgen dat de compressor veel lucht kan aanzuigen en deze met een zo hoog mogelijke einddruk naar de verbrandingssectie kan pompen. Om ervoor te zorgen dat de compressor optimaal presteert tijdens de verschillende vluchtfases is de compressor voorzien van Inlet Guide Vanes en Compressor Varriable Vanes. Van de compressor kan lucht afgetapt worden die dan gebruikt wordt voor verschillende systemen van het vliegtuig. 4.2 Beschrijving De compressor van de Rolls-Royce AE3007A is een 14 traps axiaal compressor. De compressor is opgebouwd uit een compressor rotor en een compressor case en vane assembbly. De compressor case is verdeelt in 2 helften en bevat de stator vane assemblies van de 1ste tot en met de 13de trap. De vane assembly van de 14de trap is gemonteerd op de compressor diffuser. De rotor is opgebouwd uit een compressor-to-turbine shaft waarop de rotor wheel assemblies zijn gemonteerd. Ter hoogte van de 10de rotor trap zijn openingen voorzien in de compressor-to-turbine shaft langwaar lucht wordt afgetapt die gebruikt wordt voor de koeling van de turbine. Achteraan op het front frame dat zich juist voor de compressor bevindt zijn IGV bevestigd. Samen met de eerste 5 stator trappen van de compressor die opgebouwd zijn uit CVV vormen ze het Compressor Varialble Geometry systeem. Ter hoogte van van de 9de en 14de trap zijn bleed valves voorzien. Compressorlucht die langs hier wordt afgetapt wordt gebruikt voor ice protection, voor de air conditioning, voor 68 pressurisatie en voor het opstarten van de motor. Ze maken deel uit van het Engine Bleed Air systeem van de motor. Het bleed air systeem is voorzien van een Accelleration Bleed systeem waardoor de motor surge vrij kan versnellen naar zijn idle RPM tijdens het opstarten. 4.3 Compressor Variable Geometry Systeem 4.3.1 Inleiding Het compressor variable geometry system zorgt ervoor dat de motor zonder stall of surge problemen kan functioneren tijdens alle fasen van de vlucht. IGVs voor de compressor zorgen ervoor dat de luchtstroom onder een gunstige invalshoek op de eerste rotor schoepen van de compressor terechtkomt. CVVs op de eerste trappen van de compressor voorkomen dat de bladen stalled of choked raken. 4.3.2 Beschrijving Het compressor variable geometry systeem van de RR AE3007A turbofan maakt gebruik van elektrische, hydraulische en mechanische krachten om de IGVs en 5 eerste trappen van CVVs van de compressor te bewegen. De onderdelen van het controle systeem zijn de FADEC, de FPMU en de CVG actuator. 6 actuator ringen die op de buitenzijde van de compressor case zijn aangebracht bewegen de verschillende schoepen. De ringen zijn verbonden met de CVG torque tube door middel van schroefstangen. De CVG actuator tenslotte staat in voor de verdraaiing van de torque tube. De torque tube zit vooraan op de achterzijde van het fan frame bevestigd met de forward torque tube mount en achteraan op de compressor met de aft mount. De FADEC bevat gegeven over de CVG posities ten opzichte van de snelheid van de N2-as. Gegeven over de positie van de actuator ontvangt de FADEC via een LVDT in de actuator behuizing. Na vergelijking van de gegevens met de snelheid van de N2-as zal een signaal worden 69 gestuurd naar de FPMU die de brandstoftoevoer naar de actuator regelt. Deze zal dan in- of uitschuiven waardoor de torque tube wordt verdraaid en de positie van de schoepen zal wijzingen. De schoepen beginnen te openen bij een snelheid van ongeveer 9500 RPM en op 14500 RPM zijn ze volledig geopend. Figuur 4.1: Compressor Variable Geometry Systeem 70 Tabel 4.1: Variable vanes limieten bij uitgestrekte CVG actuator en schroefstang afmetingen 4.3.3 Componenten 4.3.3.1 Inlet Guide Vanes De IGVs bevinden zich voor de compressor en zitten bevestigd op het front frame. In het totaal zijn er 24 IGVs die gemaakt zijn van titanium. De IGVs zorgen ervoor dat de luchtstroom onder een gunstige invalshoek op de 1ste compressor trap terechtkomt Figuur 4.2: Inlet Guide Vanes 71 Figuur 4.3: Montage van de IGVs en Actuator Ring op het front frame 72 4.3.3.2 Compressor Variable Vanes De CVVs zitten op de eerste 5 compressor trappen. Ze zijn gemaakt van titanium en worden en worden langs de buitenkant van de compressor case verbonden met de vane actuation assembly. De CVVs zijn aan de binnen diameter bevestigd op een ring segment. Figuur 4.4: Montage van de CVVs en stator schoep assemblies 73 op de compressor case 4.3.3.3 Compressor Variable Geometry Actuator De variable geometry actuator is een hydraulische actuator die elektronisch gekoppeld is aan de FADEC. De actuator levert de kracht die nodig is voor de besturing van het CVG systeem. De VGA wordt bediend door motorbrandstof onder hoge druk die afkomstig is van de FPMU. De positie van de zuiger wordt gemeten door een LVDT in de actuator die een signaal doorzendt naar de FADEC. De VGA is opgebouwd uit 2 delen, een behuizing en een LVDT assembly. De behuizing is een cilinder die aan een kant open is. Deze opening laat de installatie van de zuiger en de LVDT assembly toe en wordt daarna afgesloten. Op de behuizing zijn 5 aansluitingen voorzien, 3 voor de hydraulische connecties en 2 elektrische voor FADEC A en B. De zuiger is hol aan de binnenkant waardoor de LVDT in de zuiger kan geïnstalleerd worden. Bewegingen van de zuiger zorgen voor een verandering in de verhouding tussen de LVDT kern en body. Lagers op de uiteinden van de VGA maken het mogelijk om de actuator op de motor te installeren. De lager die aan de LVDT assembly bevestigd is wordt vastgemaakt op de compressor case en de lager die op het uiteinde zit van de piston wordt vast gemaakt aan de torque tube. De positie van de zuiger wordt bepaald door de druk van de brandstof die aan beide zijden van de zuiger wordt aangelegd. De CVG spool valve, in de FPMU stuurt brandstof onder hoge druk naar de ene zijde en zet de ander zijde in verbinding met brandstof onder lage druk. 74 Figuur 4.5: Variable Geametry Actuator Figuur 4.6: Variable Geometry Actuator in langsdoorsnede 75 Figuur 4.7: VGA Elektrische connectoren en LVDT schema 76 4.4 Engine Bleed Air Systeem 4.4.1 Inleiding Het engine bleed air systeem levert lucht afgetapt van de compressor aan het vliegtuig waar deze lucht gebruikt wordt voor ice protection, voor de air conditioning, voor pressurisatie en voor het opstarten van de motor. 4.4.2 Beschrijving De lucht afgetapt van de motor is afkomstig van de 9de en 14de compressor trap. Lucht van de 9de trap wordt gebruikt tijdens high engine thrust condities en lucht van de 14de tap tijdens high engine thrust condities of wanneer het anti ice systeem in de ON positie staat. Lucht van de 9de compressor trap wordt verzameld in een bleed manifold die bevestigd is rond de compressor case. Op de compressor diffuser zijn 3 plaatsen voorzien waarlangs lucht van de 14de trap kan worden verzameld. Bovenaan de motor op de outer bypass duct zijn lage- en hogedruk bleed poorten voorzien voor de verbinding met de vliegtuigsystemen. Een gedeelte van de bypass stroom wordt gebruikt voor de koeling van de bleed air met behulp van een heat exchanger. 77 Figuur 4.8: Engine Bleed Air Systeem 78 4.5 Compressor Acceleration Bleed Systeem 4.5.1 Inleiding Het compressor acceleration bleed systeem moet ervoor zorgen dat de motor surge vrij kan opstarten. De verhouding tussen de axiale luchtsnelheid en de relatieve omtreksnelheid is vooral voorin de compressor veel te laag tijdens het opstarten van de motor. Via de acceleration bleed valves kan lucht ontsnappen waardoor de axiale snelheid van de lucht voorin de compressor zal toenemen. 4.5.2 Beschrijving Op de bleed air manifold van de 9de trap zijn 2 acceleration bleed valves geplaatst. Deze maken het mogelijk dat lucht wordt afgetapt van de 9de compressor trap tijdens het opstarten om de motor surge vrij te laten versnellen tot zijn idle toerental. De ABVs worden gestuurd door de Compressor Acceleration Bleed Control Valve. De ABVs blijven geopend tot de druk van de 14de trap hoog genoeg is de CABCV wordt geopend en de ABVs onder druk plaatst. De druk van de 14de trap aan de bovenzijde van de ABV is groter dan deze van de 9de trap aan de onderzijde waardoor de valve zal sluiten. 79 Figuur 4.9: Compressor Acceleration Bleed Systeem 80 5 De Accessory Drive Gearbox 5.1 Inleiding De accessory drive gearbox is het mechanisme dat zorgt voor de aandrijving van de motor- en vliegtuigaccessoires. De gearbox wordt aangedreven door de hogedrukas of N2-as. 5.2 Beschrijving De AGB is onderaan op het front frame van de motor gemonteerd en wordt aangedreven door de radial drive shaft die in verbinding staat met de N2-as. De gearbox heeft een maximum gewicht van 55 pounds, ongeveer 25 kg. De behuizing van de gearbox is gemaakt van aluminium. In de behuizing zitten een input bevel gear en 8 spur gears. Op de AGB zijn 7 plaatsen voorzien waarop de oliepomp (F), de fuel pump and metering unit (B), de permanent magnet alternator(A), de air turbine starter (D), de hydraulische pomp (G) en 2 generatoren (E en C) zijn gemonteerd (zie figuur 5.1). We kunnen deze accessoires onderverdelend in 2 groepen, de motorspecifieke onderdelen en de vliegtuigspecifieke onderdelen. Tot de motorspecifieke onderdelen behoren de FPMU, de PMA en de oliepomp. De vliegtuigspecifieke onderdelen zijn de hydraulische pomp, de ATS en de generatoren. De motorspecifieke onderdelen zijn de onderdelen die bij de motor blijven wanner de motor van het vliegtuig wordt gehaald. Vliegtuigspecifieke onderdelen blijven in dit geval bij het vliegtuig. Naast de verschillende onderdelen zitten er op de AGB ook nog 2 snelheidssensoren voor de N2-as, één voor FADEC A en één voor FADEC B. De N2 sensors zijn mangetic pickup sensoren en nemen de snelheid van het FPMU drive gear waar en geven deze informatie door aan de FADECs die ze dan omzetten in een waarde. 81 Figuur 5.1: Accessory Drive Gearbox behuising Figuur 5.2: AGB Geartrain 82 Figuur 5.3: Accessory Drive Gearbox 5.3 Motorspecifieke onderdelen 5.3.1 Fuel Pump and Metering Unit De FPMU is opgebouwd uit 2 assemblies, de fuel pump en de fuel metering unit. Deze 2 assemblies zijn met elkaar verbonden door 6 bouten. De fuel pump assembly is opgebouwd uit: - een lagedruk centrifugaalpomp - een hogedruk tandwielpomp - een lagedruk filter - een impending en actual filter blockage indicatoren 83 De fuel metering unit is opgebouwd uit: - een main metering valve - een pressure drop en spill valve - een pressure raising valve - een latching shut-off valve - een CVG control De brandstof komt de FPMU binnen aan de lagedruk pomp. De lagedruk pomp verhoogt de druk van de brandstof zodat deze met de gepaste druk bij de hogedruk pomp toekomt. Voor de brandstof de hogedruk pomp binnengaat gaat de brndstop door de fuel-cooled oil cooler en de lagedruk filter. De cooler verwarmt de brandstof zodat er geen ijskristallen meer achterblijven die de filter kunnen verstoppen. Voor het geval de filter toch zou verstoppen is er een bypass valve voorzien. Het drukverschil over de filter wordt continu gecontroleerd door een impending en actual blockage indicator. Vervolgens wordt de druk van de brandstof verhoogd door de hogedruk pomp. De maximum druk van de brandstof wordt is begrensd op 750 psi door een relief valve. De brandstof wordt weer gefilterd en dan onder hoge druk naar de MMV en de PDSV gebracht. De MMV en de PDSV regelen samen de flow rate van de brandstof volgens de input die ze krijgen van de FADEC. Van de MMV stroomt de brandstof naar de PRV, Deze opent pas bij een drukverschil van 130 psi en zorgt er op deze manier voor dat de MMV en de PDSV steeds de minimum druk hebben die nodig is voor een correcte werking. De PRV wordt ook bediend door de LSOV. Wanneer de LSOV, die gestuurd wordt door de FADEC, geopend is stroomt er brandstof met een hoge druk naar de andere zijde van de PRV woordoor deze volledig sluit en de brandstofstoom volledig wordt stilgelegd. 84 De CVG control unit krijgt fuel van de hogedruk tandwielpomp. De CVG control unit past de positie van de CVG actuator. De control unit is opgebouwd uit een torque motor, een spool valve en een filter en is bevetigd op de FMU. Hij wordt gestuurd door signalen van de FADEC die de torque motor doen draaien waardoor de spool valve zal bewegen die de positie van de CVG actuator stuurt. Figuur 5.4: Fuel Pump and Metering Unit 85 Figuur 5.5: Fuel Pump and Metering Unit 86 Figuur 5.6: Fuel Metering Unit Figuur 5.7: Schematische voorstelling van de FPMU 87 Figuur 5.8: Schematische voorstelling van het FPMU systeem 88 5.3.2 Permanent Magnet Alternator Het elektrisch systeem van het vliegtuig voorziet de FADEC van energie tot de motor volledig is opgestart. Van zodra de motor volledig is opgestart neemt PMA deze taak op zich. Naast de FADEC zijn voorziet de PMA ook de 2 exciters van elektrische energie die transformers bevatten die de elektrische energie vergroten. Deze energie wordt dan in pulsen doorgestuurd naar de ontstekers waar de energie wordt omgezet in vonken. De PMA is bestaat uit 4 aparte windingen, 2 éénfasige windingen voor de verschillende ontstekingscircuits en 2 driefazige windingen voor de FADECs. Verder bevat de PMA een tandwiel aangedreven rotor en een stator. Figuur 5.9: Permanent Magnet Alternator 89 Figuur 5.10: PMA installatie 90 Tabel 5.1: PMA karakteristieken 5.3.3 Oliepomp (Lube and Scavenge Pump) De taak van de oliepomp bestaat eruit om de circulatie van oliesysteem van de motor en AGB te onderhouden. De pomp bevat 2 gescheiden circuits. Het lube circuit zuigt olie van het oliereservoir aan en stuurt deze met een afgestelde druk naar de lagers van de motor assen en de AGB. Het scavenge circuit zuigt de warme olie van de carters aan en stuurt deze terug naar het olie reservoir. De oliepomp is een gerotor pomp die mechanisch wordt aangedreven. De behuizing van de pomp is voorzien van 6 ingangen waarvan er 5 gebruikt worden voor het scavenge circuit en 1 voor het lube circuit. Alle scavenge inlaten, op de AGB scavenge inlaat na, zijn voorzien van chip collectors. Iedere ingang heeft zijn eigen pompelement. Deze pomp elementen zitten naast elkaar op een gemeenschappelijke drijfstang. Het scavenge circuit 91 verlaat de pomp weer door één scavenge outlet port. Op de pomp zit een regulator valve bevestigd die ervoor zorgt dat olie afkomstig van de fuelcooled oil cooler terug in het systeem wordt opgenomen. Figuur 5.11: Oliepomp 92 Tabel 5.2: Oliepomp karakteristieken 93 Figuur 5.12: Oliepomp 94 Figuur 5.13: Schematische voorstelling van de Oliepomp 95 5.4 Vliegtuigspecifieke onderdelen 5.4.1 Hydraulische pomp De door de motor aangedreven hydraulische pomp van het hydraulisch systeem levert een continue stroom van hydraulische vloeistof met een druk van 3000 psi. Deze vloeistof wordt dan gebruikt voor de verschillende hydraulische systemen aan boord van het vliegtuig. Zolang de motor draait genereert de pomp hydraulische druk. Figuur 5.14: Hydraulische pomp 96 5.4.2 Elektrische Generatoren De belangrijkste bron van elektrische stroom voor het vliegtuig op de motor zijn de door de motor aangedreven generatoren. Deze leveren 28 V DC en 400 Ampère. Op de gearbox zijn 2 generators gemonteerd die onafhankelijk van elkaar functioneren. De generatoren zullen beginnen werken zodra de snelheid van de N2-as gestabiliseerd is boven 56,4%. De spanning en de stroom van de generator kunnen worden geraadpleegd op de electrical page van de MFD (Multifunction Display). Figuur 5.15: Elektrische Generatoren 97 5.4.3 Air Turbine Starter De ATS is een 1 traps turbine met axiale stroomzin. De ATS zet pneumatische energie om in mechanische energie voor het opstarten van de motor. De mechanische energie wordt gebruikt voor het aandrijven van de N2-as tot de motor in staat is om op eigen kracht te draaien. De ATS is opgebouwd uit een inlaat sectie, een turbine, een reductiekast, een clutch assembly en een output shaft. De lucht komt toe aan de inlaat van de ATS en wordt door stator schoepen zo gericht dat hij een zo gericht dat hij een zeer snelle rotatie van de turbine genereert. De lucht wordt dan door de uitlaat naar buit gevoerd op atmosferische druk. De rotatie van de turbine drijft de reductiekast. De reductiekast zet dan de hoge snelheid en het kleine draaimoment om in een lage snelheid en een hoog draaimoment voor het hub gear dat de output shaft assembly en drive shaft assembly aandrijft. Wanneer de motor op eigen kracht begint te draaien wordt een bepaalde snelheid bereikt en op deze snelheid zal de clutch assembly de output shaft assembly loskoppelen van de hub. Dit laat toe dat de turbine en de reduktie kast tot stilstand komen terwijl de clutch assembly en de output shaft blijven doordraaien met de motor. Wanneer de motor wordt afgesloten zal er een snelheid bereikt worden waarop de output shaft en de hub opnieuw aan elkaar worden gekoppeld. De ATS is dan klaar voor een nieuwe startcyclus. 98 Figuur 5.16: Opbouw van de ATS 99 Figuur 5.17: Air Turbine Starter 100 Besluit De Rolls-Royce AE3007 turbofan is uiterst geschikt voor gebruik op regionale en zaken jets zoals de Embraer ERJ 145 familie en de Cessna Citation X. Ondanks zijn relatief kleine afmetingen is hij toch in staat om in de behoeften van het vliegtuig te voorzien. Door gebruik van FADECs wordt de werklast voor de piloten vermindert en is het mogelijk om de evolutie van de motor te volgen via trend monitoring, wat de gebruiks efficiëntie van de motor vergroot. 101 Literatuurlijst Boeken - Kooijman H.S., 2003, Gasturbines Algemeen, Bleskensgraaf: Jeweka B.V. - Kooijman H.S., 2004, Gasturbines Systemen, Bleskensgraaf: Jeweka B.V. Manuals - Rolls-Royce, 2007, System Discription Manual, Rolls-Royce Corp. - Rolls-Royce, 2007, Maintenance Manual, Rolls-Royce Corp. - Rolls-Royce, 2007, Illustrated Parts Catalog, Rolls-Royce Corp - Rolls-Royce, 2003, Component Maintenance Manual, Rolls-Royce Corp. - Embraer, 1999, Airframe & Powerplant Course, Training Manual, São Paulo, Embraer Niet gepubliceerde documenten - Vanparys, Wim, cursus propulsie, Niet – gepubliceerd cursus , Oostende - Vanparys, Wim, cursus zuigermotoren, Niet –gepubliceerde cursus, Oostende - Vanhamel, Patrick, cursus motoronderhoud. Niet gepubliceerde cursus, Oostende Websites - Rolls-Royce, http://www.rolls-royce.com/index_flash.jsp - Embraer, http://www.embraer.com/english/content/home/ - SmartCockpit, http://www.smartcockpit.com/plane/embraer/EMBRAER-135-145/ 102