DE1085718B - Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk, bei dem die Lauf räder radial innen je eine Luftverdichterschaufelreihe, radial außen je eine Gasturbinenschaufelreihe und dazwischen je einen die Luftverdichterströmung gegen die zu ihr entgegengesetzt gerichtete Gasturbinenströmung abdeckenden koaxialen Ring tragen und bei dem eines der Endlaufräder gegebenenfalls mit einer z. B. eine Luftschraube tragenden Arbeitswelle verbunden ist, während die übrigen Laufräder auf einer feststehenden Achse einzeln drehbar gelagert sind, wobei "die aufeinanderfolgenden Lauf räder entgegengesetzte Drehrichtung aufweisen.

Bei der vorbeschriebenen bekannten Triebwerksbauform läuft der Verdichter stets .im Unterschallbereich. Hieraus ergeben^ Sich" 'verschiedene schwerwiegende Nachteile für das Triebwerk, die darin liegen, daß eine große Anzahl von Verdichter- und damit auch Turbinenstufen erforderlich ist, die eine große Baulänge des Triebwerks, einen großen konstruktiven Aufwand, einen hohen Selbstfahrpunkt und wirkungsgradmäßig eine schlechte Ausnutzung der kinetischen Energie der Treibgase nach sich ziehen. Im Gegensatz zur herkömmlichen Bauart wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, den Verdichter in an sich bekannter Weise'als Überschallverdichter auszubilden. -.'-■'

Die Vorteile, die mit der Erfindung verbunden sind, gehen aus nachfolgender Erläuterung hervor:

Bei Unterschallverdichtern darf bekanntlich die relative Umfangsgeschwindigkeit aufeinanderfolgender Gitter über eine gewisse Größe nicht hinausgehen, weil sonst die kritischen Anströmmachzahlen überschritten werden. Daraus ergibt sich, daß bei Unterschallverdichtern durch Anwendung der Gegenläufigkeit keine Verminderung der Stufenzahl erwirkt wird.

Dagegen sind beim Überschallverdichter bezüglich der Stufenförderhöhe die Verhältnisse um so günstiger, je größer die relativen Anströmgeschwindigkeiten sind, so daß von der aerodynamischen Seite her für die relative Umfangsgeschwindigkeit keine Grenzen gesetzt sind: Lediglich aus Festigkeitsgründen darf die Umfangsgeschwindigkeit auch des Überschallverdichters nach dem heutigen Stand der technologischen Eigenschaften der Schaufelwerkstoffe etwa 400 m/s nicht übersteigen. Auf den gegenläufigen Überschallverdichter übertragen bedeutet dies immerhin eine relative Umfangsgeschwindigkeit von bis zu 800 m/s.

Verfolgt man den_; Gedankengang weiter, so ergeben sich, wenn man annimmt, däß-an den Schaufelspitzen der außenliegenden Turbine die Umfangsgeschwindigkeit etwa 400 m/s beträgt, was vom aerodynamischen und festigkeitsmäßigen Standpunkt aus als. vertretbar

Anmelder:

Daimler-Benz Aktiengesellschaft,
Stuttgart-Untertürkheim, Mercedesstr. 136

Dipl.-Ing. Hubert Grieb, Stuttgart-Stammheim,
ist als Erfinder genannt worden

angesehen werden kann, für den Außendurchmesser des..innenliegenden, gegenläufigen Übersehall Verdichters 280 bis 320 m/s. Bei Verwendung von gegenläufigen Überschallverdichterstufen entspricht dies einer relativen Umfangsgeschwindigkeit der einzelnen Gitter von 560 bis 640 m/s, was wiederum als günstig bezeichnet werden kann. Hieraus ergibt sich jedoch umgekehrt, das gegenläufige Unterschallgitter, bei denen relative Umfangsgeschwindigkeiten von nur 300 bis 350 m/s zulässig sind, für den vorliegenden Fall im gesamten betrachtet ungünstig sind.

Weiter ist bekannt, daß man andererseits in einem als Turbine ausgelegten Laufrad eine wesentlich größere Druckhöhe verarbeiten kann als in dem gleichen als Verdichter ausgebildeten Laufrad, woraus der Umstand resultiert, daß bei Gasturbinentriebwerken üblicher Bauart der Unterschallverdichter stets wesentlich mehr Stufen aufweist als die Turbine. Es bringt daher die Verwendung eines Unterschallverdichters, wie bis jetzt bekannt, bei einem Triebwerk mit außenliegender Turbine und konzentrisch zu dieser angeordnetem Verdichter keine für das Gesamttriebwerk vorteilhaften Gesichtspunkte, da sich die Stufenzahl des Triebwerkes nach dem Unterschall- - verdichter richten muß; also eine nachteilige hohe Stufenzahl — auch für die Turbine — unumgänglich ist. Dieser für das Gesamttriebwerk ausschlaggebende Nachteil wird durch die Erfindung aufgehoben, weil der gegenläufige Überschallverdichter stufenzahlmäßig der Turbine entgegenkommt, wie bereits oben erläutert wurde.

Es läßt sich daher der mehrstufige Überschallverdichter bei der vorliegenden Triebwerkskonzeption besonders günstig einsetzen, weil auf Grund der entgegengesetzten Beaufschlagung von Verdichter und Turbine sich die Drehzahlen der einzelnen Räder stets so einstellen, daß jede. Verdichterstufe in einem relativ günstigen Betriebspunkt arbeitet. Der mechanisch nicht gebundene mehrstufige Überschallverdichter liefert daher für die ins Auge gefaßte Triebwerks-

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konzeption besondere Vorteile hinsichtlich des Betriebsverhaltens.

Außerdem ist damit zu rechnen, daß im Zusammenhang mit der Erfindung das Anlaßverhalten günstig wird, weil sich die Vorteile der ausschließlichen aerodynamischen Koppelung um so mehr bemerkbar machen, je geringer die Belastung des Triebwerks ist, d. h., man kann mit einem sehr niedrigen Selbstfahrpunkt rechnen, was einen entsprechend kleinen Anlaßmotor bedingt.

Zusammenfassend kann daher gesagt werden, daß durch die Erfindung neben einer besonders kurzen Bauweise des Triebwerks die aerodynamischen Belange des Verdichters voll erfüllt werden bzw. dessen Arbeitskraft voll ausgeschöpft wird und die gaskinetische Energie des Arbeitsmittels in der Turbine optimal ausnutzbar ist.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in der Möglichkeit, auf dem mit der Arbeitswelle verbundenen Laufrad die letzte Turbinenschaufelreihe anzuordnen und dessen Verdichterschaufelreihe vorzugsweise als umlaufendes Vorleitgitter für die Verdichterstufen der Laufräder des Gaserzeugers auszubilden.

Ferner besteht ein Merkmal der Erfindung in der anderen Möglichkeit, auf dem mit der Arbeitswelle verbundenen Laufrad die erste Turbinenschaufelreihe anzuordnen und dessen Verdichterschaufelreihe vorzugsweise als umlaufendes Nachleitgitter für die Verdichterstufen der Laufräder des Gaserzeugers auszubilden.

Durch die Anordnung eines Vorleitgitters bzw. Nachleitgitters läßt sich die Leistungskonzentration des Verdichters verbessern, d. h., es wird die Schluckfähigkeit und die Förderhöhe des Verdichters im gesamten erhöht.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 ein Gasturbinentriebwerk, bestehend aus einem Brenngaserzeuger und einer, niederdruckseitig angeordneten Arbeitsturbine,

Fig. 2 ein Gasturbinentriebwerk, bestehend aus einem Brenngaserzeuger und einer hochdruckseitig angeordneten Arbeitsturbine,

Fig. 3 eine Hälfte eines Laufrades (ohne Lagerung) im Längsschnitt und

Fig. 4 die Verdichter- und Turbinenbeschaufelung eines Laufrades in der Draufsicht.

Wie aus der Fig. 1 hervorgeht, bestehen die einzelnen Laufräder aus einer außenliegenden Turbinenbeschaufelung 11, einer innenliegenden Verdichterbeschaufelung 12 und einem die beiden Beschaufelungen verbindenden Laufkranz 13. Die einzelnen Laufräder L₁, die frei drehbar auf einer gehäusefesten Welle 14 voneinander unabhängig gelagert sind, bilden den Brenngaserzeuger, während das Laufrad L₁ mit der Nutzleistungswelle 15 starr verbunden ist. Der Verdichter ist als gegenläufiger Oberschallverdichter ausgebildet. Die Arbeitsturbine 11' ist im vorliegenden Fall niederdruckseitig angeordnet, wobei die dazugehörige Verdichterstufe 12' vorzugsweise als rotierendes Vorleitgitter für den Verdichter fungiert. Mit 16 ist die Brennkammer bezeichnet.

Zwischen den einzelnen Laufrädern L₁ können feststehende Stützschaufeln 86 und 86' vorgesehen sein, die einerseits mit der Außenwand des Maschinengehäuses und andererseits mit der gehäusefesten Achse 14 verbunden sind. Zwischen beiden Stützschaufeln und 86' befindet sich ein Kranz 85, so daß eine durchlaufende Trennwand (mit abgedichteten Unterbrechungen zwischen den einzelnen Stufen) zwischen Verdichter und Turbine entsteht. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die feststehenden Kränze 85 entweder nur über die Stützschaufeln 86 oder die Stützschaufeln 86' abzustreben. Jedoch mindestens ein Satz Stützschaufeln 86 und 86' müssen dabei den Axialschub des Gaserzeugers auf das Maschinengehäuse übertragen. Die Stützschaufeln 86 und 86' sind vorzugsweise aerodynamisch wirkungsfrei ausgebildet.

Bei der in der Fig. 2 gezeigten Triebwerksausführung ist die Arbeitsturbine 21' auf dem hochdruckseitig gelegenen Laufrad L₂' angeordnet, das auch eine Verdichterbeschaufelung 22' trägt. Die Laufräder des Gaserzeugers sind mit L₂ bezeichnet, die eine Verdichterbeschaufelung 22 und eine Turbinenbeschaufelung 21 tragen. Die Brennkammer ist mit 26 bezeichnet.

Der in der Fig. 3 dargestellte Längsschnitt durch eine Hälfte eines Laufrades (ohne Lagerung) veranschaulicht ein Verdichterschaufelblatt 12, einen Laufkranz 13, ein Turbinenschaufelblatt 11 und die Radscheibe 17.

In der Fig. 4 ist mit 11 eine Turbinenschaufel und mit 12 eine Verdichterschaufel bezeichnet. Die gemeinsame Drehrichtung ist mit dem Pfeil U, die durch den Verdichter strömende Luft ist mit dem Pfeil V und die durch die Turbine strömenden Brenngase sind mit einem Pfeil T angegeben.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Gasturbinentriebwerk, bei dem die Lauf räder radial innen je eine Luftverdichterschaufelreihe, radial außen je eine Gasturbinenschaufelreihe und dazwischen je einen die Luftverdichterströmung gegen die zu ihr entgegengesetzt gerichtete Gasturbinenströmung abdeckenden koaxialen Ring tragen xiad bei dem eines der Endlaufräder gegebenenfalls mit einer z. B. eine Luftschraube tragenden Arbeitswelle verbunden ist, während die übrigen Laufräder, auf einer feststehenden Achse einzeln drehbar gelagert sind, wobei die aufeinanderfolgenden Laufräder entgegengesetzte Drehrichtung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter in an sich bekannter Weise als Überschallverdichter ausgebildet ist.

2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mit der Arbeitswelle (15) verbundene Laufrad (L₁') die letzte Turbinenschaufelreihe (H') trägt und daß dessen Verdichterschaufelreihe (12') vorzugsweise als umlaufendes Vorleitgitter für die Verdichterstufen (12) der Lauf räder (L₁) ausgebildet ist (Fig. 1).

3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mit der Arbeitswelle (15) verbundene Laufrad (L₂') die erste Turbinenschaufelreihe (21') trägt und daß dessen Verdichterschaufelreihe (22') vorzugsweise als umlaufendes Nachleitgitter für die Verdichterstufen (22) der Laufräder (L₂) ausgebildet ist (Fig. 2).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 819 758;
britische Patentschriften Nr. 616 622, 585 334;
USA.-Patentschriften Nr. 2 668 413, 2 414410.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 009 567/96 7.60