DE102004026367A1

DE102004026367A1 - Turbomaschine

Info

Publication number: DE102004026367A1
Application number: DE200410026367
Authority: DE
Inventors: Manfred Dupslaff; Peter Dr. Seitz
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2004-05-29
Filing date: 2004-05-29
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2024-05-30
Also published as: DE102004026367B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine, insbesondere Gasturbine. DOLLAR A Die Turbomaschine verfügt über eine Brennkammer (11), mindestens einen stromaufwärts der Brennkammer angeordneten Verdichter (12) und mindestens eine stromabwärts der Brennkammer angeordnete Turbine (13), wobei ein stromaufwärts der Brennkammer (11) angeordneter Verdichter (12) mindestens zwei gegenläufig rotierende Verdichterstufen (15, 16) und eine stromabwärts der Brennkammer (11) angeordnete Turbine (13) mindestens zwei gegenläufig rotierende Turbinenstufen (17, 18) aufweist. DOLLAR A Erfindungsgemäß sind die gegenläufig rotierenden Verdichterstufen (15, 16) aus jeweils zwei axial versetzten, in Tandemanordnung verbundenen Laufschaufelkränzen (19, 20; 21, 22) gebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine, insbesondere eine Gasturbine, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die EP 0 521 379 B1 offenbart ein Propfan-Triebwerk mit einer eine Brennkammer aufweisenden Gasturbine, wobei stromaufwärts der Brennkammer ein Hochdruckverdichter sowie ein Niederdruckverdichter angeordnet sind, und wobei stromabwärts der Brennkammer eine Hochdruckturbine sowie eine Arbeitsturbine positioniert sind. Die Arbeitsturbine sowie der Niederdruckverdichter verfügen jeweils über zwei gegenläufige Rotoren. Mit einer derartigen Bauform gegenläufig rotierender Turbomaschinen können die konstruktiven Abmessungen und damit das Gewicht derselben gegenüber der konventionellen Bauform von Turbomaschinen bei gleicher oder erhöhter Leistung derselben reduziert werden. Hierdurch kann letztendlich das Schub-Gewicht-Verhältnis der Turbomaschine optimiert werden. Weitere Turbomaschinen mit entgegengesetzt drehenden Rotoren sind aus der DE 39 33 776 C2 sowie aus der EP 0 368 182 B1 bekannt.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartige Turbomaschine, insbesondere eine neuartige Gasturbine, zu schaffen.

Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass die eingangs genannte Turbomaschine durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist. Erfindungsgemäß sind die gegenläufig rotierenden Verdichterstufen aus jeweils zwei axial versetzten, in Tandemanordnung verbundenen Laufschaufelkränzen gebildet.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, die gegenläufig rotierenden Verdichterstufen als Tandem-Verdichterstufen auszuführen, wobei jede dieser Tandem-Verdichterstufen aus jeweils zwei axial versetzten, sowie in Tandem-Anordnung verbundenen Laufschaufelkränzen gebildet ist. Durch die Ausführung der gegenläufig rotierenden Verdichterstufen als Tandem-Verdichterstufen lassen sich stärkere Strömungsumlenkungen und damit Verdichtungsverhältnisse realisieren, wodurch eine noch kompaktere Bauform der Turbomaschine ermöglicht wird. Mit der Erfindung kann das Schub-Gewicht- Verhältnis von Turbomaschinen mit sich gegenläufig drehenden Rotoren nochmals verbessert werden.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine erste, innerhalb des Verdichters stromaufwärts positionierte Tandem-Verdichterstufe mit einer zweiten, innerhalb der Turbine stromabwärts positionierten Turbinenstufe derart gekoppelt, dass die beiden in der gleichen Richtung rotieren. Eine zweite, innerhalb des Verdichters stromabwärts positionierte Tandem-Verdichterstufe ist mit einer ersten, innerhalb der Turbine stromaufwärts positionierten Turbinenstufe derart gekoppelt, dass die beiden in der gleichen Richtung rotieren. Die erste Tandem-Verdichterstufe und die zweite Turbinenstufe rotieren gegenläufig zu der zweiten Tandem-Verdichterstufe und der ersten Turbinenstufe.

Vorzugsweise ist der ersten Tandem-Verdichterstufe und/oder der zweiten Tandem-Verdichterstufe jeweils eine Zirkulationsstruktur, ein sogenanntes Casing Treatment, zur Optimierung des Pumpgrenzabstands der Turbomaschine bzw. des Abstands gegen eine als „Flutter" bezeichnete Strukturschwingungsform der Turbomaschine zugeordnet. Die Zirkulationsstruktur ist jeweils dem stromaufwärts positionierten Laufschaufelkranz der entsprechenden Tandem-Verdichterstufe zugeordnet.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der innerhalb des Verdichters stromabwärts positionierten, zweiten Tandem-Verdichterstufe in Strömungsrichtung ein Rotor nachgeordnet, wobei zwischen der zweiten Tandem-Verdichterstufe und dem nachgeordneten Rotor ein Leitschaufelgitter positioniert ist.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine stark schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Gasturbine nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
2 eine stark schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Gasturbine nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
1 zeigt eine erfindungsgemäß ausgebildete Gasturbine 10 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der hier vorliegenden Erfindung. So umfasst die Gasturbine 10 eine Brennkammer 11, einen stromaufwärts der Brennkammer 11 angeordneten Verdichter 12 sowie eine stromabwärts der Brennkammer 11 angeordnete Turbine 13. Die Gasturbine 10 gemäß 1 wird demzufolge im Sinne des Pfeils 14 von links nach rechts durchströmt.
Der Verdichter 12 der Gasturbine 10 des Ausführungsbeispiels gemäß 1 verfügt über zwei gegenläufig rotierende Verdichterstufen 15 und 16. Eine erste Verdichterstufe 15 ist innerhalb des Verdichters 12 stromaufwärts positioniert, eine zweite Verdichterstufe 16 ist innerhalb des Verdichters 12 stromabwärts angeordnet. Ebenso verfügt die Turbine 13 der Gasturbine 10 gemäß 1 über zwei gegenläufig rotierende Turbinenstufen 17 und 18, wobei eine erste Turbinenstufe 17 in der Turbine 13 stromaufwärts und eine zweite Turbinenstufe 18 stromabwärts angeordnet ist. Der Bereich, in welchem sich die Verdichterstufen 15 und 16 sowie die Turbinenstufen 17 und 18 erstrecken, ist zur Verdeutlichung in 1 durch Klammern gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß sind die gegenläufig rotierenden Verdichterstufen 15 und 16 des Verdichters 12 der Gasturbine 10 als Tandem-Verdichterstufen ausgebildet. Jede der beiden gegenläufig rotierenden Verdichterstufen 15 und 16 wird aus jeweils zwei axial versetzten und gegebenenfalls überlappenden, in Tandem-Anordnung verbundenen Laufschaufelkränzen gebildet. So ist die erste, stromaufwärts positionierte Verdichterstufe 15 aus Laufschaufelkränzen 19 und 20 und die stromabwärts positionierte, zweite Verdichterstufe 16 aus Laufschaufelkränzen 21 und 22 gebildet. Die beiden Laufschaufelkränze 19 und 20 der ersten Tandem-Verdichterstufe 15 rotieren zusammen mit gleicher Geschwindigkeit und in gleicher Richtung. Die Relativposition zwischen den beiden Laufschaufelkränzen 19 und 20 der ersten Tandem-Verdichterstufe 15 ist demnach fest. Jeweils zwei axial versetzt angeordnete Laufschaufeln der beiden Laufschaufelkränze 19 und 20 der ersten Tandem-Verdichterstufe 15 wirken zusammen und bilden ein Strömungsprofil. Mit derartigen Tandem-Verdichterstufen lassen sich wesentlich größere Strömungsumlenkungen realisieren als mit herkömmlichen Verdichterstufen. Ebenso wie die erste Tandem-Verdichterstufe 15 ist auch die zweite Tandem-Verdichterstufe 16 aus zwei Laufschaufelkränzen 21 und 22 zusammengesetzt, die zusammen mit der gleichen Geschwindigkeit und in der gleichen Richtung rotieren. Die beiden Tandem-Verdichterstufen 15 und 16 rotieren jedoch gegenläufig zueinander.
Die gegenläufig rotierenden Turbinenstufen 17 und 18 der Turbine 13 der Gasturbine 10 werden aus konventionellen Laufschaufelkränzen gebildet. Gemäß 1 ist die erste, innerhalb des Verdichters 12 stromaufwärts positionierte Tandem-Verdichterstufe 15 mit der zweiten, innerhalb der Turbine 13 stromabwärts positionierten Turbinenstufe 18 über eine Welle 23 gekoppelt. Die erste Tandem-Verdichterstufe 15 und die zweite Turbinenstufe 18 rotieren demnach in der gleichen Richtung und mit gleicher Drehzahl. Weiterhin kann 1 entnommen werden, dass die zweite, innerhalb des Verdichters 12 stromabwärts positionierte Tandem-Verdichterstufe 16 mit der ersten, innerhalb der Turbine 13 stromaufwärts positionierten Turbinenstufe 17 über eine Welle 24 gekoppelt ist. Demnach rotieren auch die zweite Tandem-Verdichterstufe 16 und die erste Turbinenstufe 17 in der gleichen Richtung und mit der gleichen Drehzahl. Die erste Tandem-Verdichterstufe 15 und die zweite Turbinenstufe 18 rotieren demnach gegenläufig zu der zweiten Tandem-Verdichterstufe 16 und der ersten Turbinenstufe 17.
Nach einem weiteren Aspekt der hier vorliegenden Erfindung sind der ersten Tandem-Verdichterstufe 15 sowie der zweiten Tandem-Verdichterstufe 16 jeweils eine Zirkulationsstruktur 25 bzw. 26 zugeordnet. Derartige Zirkulationsstrukturen 25 und 26 bezeichnet man auch als Casing Treatments. Die Zirkulationsstrukturen bzw. Casing Treatments 25 und 26 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils dem stromaufwärts positionierten Laufschaufelkranz 19 bzw. 21 der entsprechenden Verdichterstufen 15 bzw. 16 zugeordnet. Die Casing Treatments bzw. Zirkulationsstrukturen 25 und 26 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel den gehäuseseitigen, radial außenliegenden Enden der Laufschaufeln der Laufschaufelkränze 19 bzw. 21 zugeordnet. Mit derartigen Zirkulationsstrukturen 25 und 26 kann der aerodynamisch bzw. strukturmechanisch stabile Betriebsbereich des Verdichters 12 durch eine Optimierung des Pumpgrenzabstands bzw. des Abstands gegen „Flutter" erhöht werden. Ein optimierter Pumpgrenzabstand ermöglicht höhere Verdichterdrücke und damit eine höhere Verdichterbelastung. Durch die Zirkulationsstrukturen 25 und 26 wird die Strömung im Bereich der Schaufelenden der Laufschaufeln stabilisiert. Die Zir kulationsstrukturen 25 und 26 erlauben dabei einerseits eine Durchströmung in axialer Richtung als auch eine Durchströmung in Umfangsrichtung der Verdichterstufen 15 und 16.
Der Vollständigkeit halber sei angemerkt, dass im Ausführungsbeispiel der 1 der zweiten, innerhalb des Verdichters 12 stromabwärts positionierten Verdichterstufe 16 ein Leitschaufelgitter 27 nachgeordnet ist. Ebenso ist der innerhalb der Turbine 13 der stromaufwärts angeordneten, ersten Turbinenstufe 17 in Strömungsrichtung ein Leitschaufelgitter 28 vorgeschaltet.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Gasturbine 29 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der hier vorliegenden Erfindung. Das Ausführungsbeispiel der 2 entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der 1, sodass zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet werden.
Das Ausführungsbeispiel der 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel der 1 dadurch, dass bei der Gasturbine 29 des Ausführungsbeispiels der 2 der zweiten, in Strömungsrichtung stromabwärts positionierten Tandem-Verdichterstufe 16 in Strömungsrichtung ein weiterer Rotor 30 nachgeordnet ist, wobei der Rotor 30 von einem Laufschaufelkranz gebildet wird. Der Rotor 30 und die zweite Tandem-Verdichterstufe 16 rotieren mit der gleichen Drehzahl und in der gleichen Richtung. Demnach sind im Ausführungsbeispiel der 2 sowohl die zweite Tandem-Verdichterstufe 16 als auch der Rotor 30 über die Welle 24 mit der ersten, innerhalb der Turbine 13 stromaufwärts positionierten Turbinenstufe 17 verbunden.
Zwischen der stromabwärts positionierten, zweiten Verdichterstufe 16 und dem nachgeschalteten Rotor 30 ist gemäß 2 ein Leitschaufelgitter 31 angeordnet, wobei das Leitschaufelgitter 31 als Tandem-Leitschaufelgitter ausgebildet ist. Das Leitschaufelgitter 31 wird demnach von zwei axial versetzten, in Tandem-Anordnung verbundenen Leitschaufelkränzen 32 und 33 gebildet. Axial versetzt angeordnete Leitschaufeln der Leitschaufelkränze 32 und 33 bilden wiederum Profile zur Strömungsumlenkung.
Mit dem Ausführungsbeispiel der 2 können gegenüber dem Ausführungsbeispiel der 1 höhere Druckverhältnisse realisiert werden. Insofern kann mit dem Ausführungsbeispiel der 2 das Schub-Gewichts-Verhältnis der Gasturbine bzw. eines entsprechenden Flugtriebwerks nochmals verbessert werden.

10: Gasturbine
11: Brennkammer
12: Verdichter
13: Turbine
14: Pfeil
15: Verdichterstufe
16: Verdichterstufe
17: Turbinenstufe
18: Turbinenstufe
19: Laufschaufelkranz
20: Laufschaufelkranz
21: Laufschaufelkranz
22: Laufschaufelkranz
23: Welle
24: Welle
25: Zirkulationsstruktur
26: Zirkulationsstruktur
27: Leitschaufelkranz
28: Leitschaufelkranz
29: Gasturbine
30: Rotor
31: Leitschaufelgitter
32: Leitschaufelkranz
33: Leitschaufelkranz

Claims

Turbomaschine, insbesondere Gasturbine, mit einer Brennkammer (11), mit mindestens einem stromaufwärts der Brennkammer angeordneten Verdichter (12) und mindestens einer stromabwärts der Brennkammer angeordneten Turbine (13), wobei ein stromaufwärts der Brennkammer (11) angeordneter Verdichter (12) mindestens zwei gegenläufig rotierende Verdichterstufen (15, 16) und eine stromabwärts der Brennkammer (11) angeordnete Turbine (13) mindestens zwei gegenläufig rotierende Turbinenstufen (17, 18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenläufig rotierenden Verdichterstufen (15, 16) aus jeweils zwei axial versetzten, in Tandemanordnung verbundenen Laufschaufelkränzen (19, 20; 21, 22) gebildet sind.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden in Tandemanordnung verbundenen Laufschaufelkränze (12, 29; 21, 22) jeder Verdichterstufe (15, 16) zusammen mit gleicher Geschwindigkeit und in gleicher Richtung rotieren.
Turbomaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste, innerhalb des Verdichters (12) stromaufwärts positionierte Tandem-Verdichterstufe (15) mit einer zweiten, innerhalb der Turbine (13) stromabwärts positionierten Turbinenstufe (18) derart gekoppelt ist, dass die beiden in der gleichen Richtung rotieren.
Turbomaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Tandem-Verdichterstufe (15) und die zweite Turbinenstufe (18) über eine Welle (23) gekoppelt sind.
Turbomaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite, innerhalb des Verdichters (12) stromabwärts positionierte Tandem-Verdichterstufe (16) mit einer ersten, innerhalb der Turbine (13) stromaufwärts positionierten Turbinenstufe (17) derart gekoppelt ist, dass die beiden in der gleichen Richtung rotieren.
Turbomaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Tandem-Verdichterstufe (16) und die erste Turbinenstufe (17) über eine Welle (24) gekoppelt sind.
Turbomaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Tandem-Verdichterstufe (15) und die zweite Turbinenstufe (18) gegenläufig zu der zweiten Tandem-Verdichterstufe (16) und der ersten Turbinenstufe (17) rotieren.
Turbomaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Tandem-Verdichterstufe (15) und/oder der zweiten Tandem-Verdichterstufe (16) jeweils eine Zirkulationsstruktur (25, 26), ein sogenanntes Casing Treatment, zur Optimierung des Pumpgrenzabstands der Turbomaschine zugeordnet sind.
Turbomaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkulationsstruktur (25, 26) jeweils dem stromaufwärts positionierten Laufschaufelkranz (19, 21) der entsprechenden Tandem-Verdichterstufe (15, 16) zugeordnet ist.
Turbomaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der innerhalb des Verdichters (12) stromabwärts positionierten, zweiten Tandem-Verdichterstufe (16) in Strömungsrichtung ein Rotor (30) nachgeordnet ist, wobei zwischen der zweiten Tandem-Verdichterstufe (16) und dem nachgeordneten Rotor (30) ein Leitschaufelgitter (31) positioniert ist.
Turbomaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Tandem-Verdichterstufe (16) und der nachgeordnete Rotor (30) in der gleichen Richtung und mit der gleichen Geschwindigkeit rotieren.
Turbomaschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zwischen der zweiten Tandem-Verdichterstufe (16) und dem nachgeordneten Rotor (30) positionierte Leitschaufelgitter (31) aus zwei axial versetzten, in Tandemanordnung verbundenen Leitschaufelkränzen (32, 33) gebildet ist.