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Gasturbinenläufer Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasturbinenläufer
mit mehreren koaxial angeordneten Scheiben, die mit in Achs- und Umfangsrichtung
nachgiebigen, das Drehmoment übertragenden Teilen verbunden sind.
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Gasturbinenläufer der oben beschriebenen Art sind für einen-- Betrieb
bei hohen Temperaturen geeignet, da die nachgiebigen drehmomentfibertragenden Mittel
thermische Ausdehnungen aufnehmen und ausgleichen können; außerdem haben sie -den
Vorteil, däß sie bei verhältnismäßig geringem Gewicht große Kräfte verarbeiten können,
-so daß sie für Flugzeugtriebwerke verwendbar sind.
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Die bekannten Läufer sind an ihren Enden in Radiallagern gelägert:
Zur Schaffung der für eine solche Läuferlagerung erforderlichen Steifigkeit sind
bei den bekannten Anordnungen die Läuferscheiben auf durchgehenden Wellen befestigt,
die von den Lagern getragen werden, oder die Nachgiebigkeit der Verbindung zwischen
den Scheiben ist nur so groß, daß eine unzulässige Durchbiegung des Läufers nicht
auftreten kann. Die Verwendung einer durchgehenden Welle ist mit dem Nachteil einer
zusätzlichen Gewichtserhöhung "verbunden-und führt darüber hinaus -zu Schwingungs-Problemen,
die insbesondere. bei Turbinen für hohe Drehzahlen von ernsthafter Bedeutung sind.-
Bei den bekannten Anordnungen; ohne -durchgehende Mittelwelle leidet die Wirksamkeit
der nachgiebigen Verbindung wegen der nur begrenzt zulässigen Nachgiebigkeit insbesondere
in radialer Richtung: Für sich bekannt ist bei Gasturbinen auch die Verwendung eines
luftgeschmierten Lagers zur Lagerung des Läufers. Dabei ist der Läufer aber senkrecht
gestellt, und das Luftlager- ist so ausgebildet, daß es das in axialer Richtung
wirkende -Gewicht des Läufers aufnimmt. Für die Lagerung eines horizontal liegenden
Läufers ist das bekannte Luftlager nicht geeignet. Im übrigen würde auch das einfache
Ersetzen der an den beiden Enden befindlichen- Lager bei den eingangs angegebenen
Gasturbinen das der Erfindung zugrunde liegende Problem nicht lösen: .
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Dieses Problem besteht darin, einen in hohem Grade nachgiebigen Gasturbinenläufer
zu schaffen und diesen Läufer seiner Nachgiebigkeit entsprechend so zu lagern, daß
ein Schleifen am Gehäuse sicher vermieden wird; dabei soll diese Lagerung für hohe
Drehzahlen geeignet sein und wegen der auftretenden hohen Temperaturen möglichst
kein C51 oder Fett für ihre Schmierung benötigen.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem dadurch gelöst, daß jeder Läuferscheibe
eine als luftgeschmiertes Lager ausgebildete Trageinrichtung zugeordnet ist.
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Dadurch, daß jede Scheibe für sich selbst getragen wird, ist eine
in radialer Richtung frei nachgiebige Verbindung zwischen den Scheiben möglich,
und cfie Verwendung einer die Scheiben tragenden durchgehenden Welle ist nicht erforderlich.
Ein solcher -Läufer ist für weitaus höhere Drehzahlen geeignet als ein Läufer mit
länger- durchgehender Welle. Die beim erfindungsgemäßen Gasturbinenläufer zulässige
große Nachgiebigkeit der das Drehmoment übertragenden Teile, die nicht nur auf radiale
Richtung beschränkt ist, sichert einen vollständigen Ausgleich unterschiedlicher
thermischer Ausdehnungen und thermischer Spannungen. Die Verwendung .von Luftlagern
als alleiniges Tragmittel des Läufers im Gehäuse löst alle auftretenden Schmierprobleme.
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Eine beispielsweise Ausführung der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt. Darin zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Läufers,
Fig.2 einen teilweisen Längsschnitt einer abgeänderten Läuferkonstruktion, Fig.3
einen teilweisen Längsschnitt einer abgeänderten Lageranordnung und Fig. 4 eine
perspektivische Teilansicht der nachgiebigen Verbindung.
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Gemäß Fig. 1 ist die Erfindung in Anwendung auf ein Gasturbinen-Strahltriebwerk
für Flugzeuge- dargestellt.
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Die einzelnen Radscheiben 14 weisen keine starre, sondern nur eine
nachgiebige Verbindung miteinander auf. Zu diesem Zweck trägt dieRadscheibe 14 an
einer Seite ein Drehmoment übertragendes Teil 21 und auf der anderen Seite ein ähnliches
Teil 22, die entweder mittels Bolzen oder durch Anschweißen an ihr befestigt sind
oder mit ihr aus einem Stück bestehen
können. Diese Teile sind so
dünn, daß sie in radialer Richtung nachgiebig sind. Zwecks Übertragung des Drehmoments
von einer Scheibe 14 auf die benachbarte Scheibe sind die Teile 21 und 22 durch
biegsame radiale Speichen 23 miteinander verbunden. Dies ist in Fig. 4 gezeigt.
Die Speiche 23 kann verschieden ausgebildet sein. Die Darstellung in Fig. 4 dient
der Erläuterung einer einfachen Anordnung. Vorzugsweise ist, die Speiche 23 -mit
einem der beiden das Drehmoment übertragenden Teile 21 oder 22 verbunden und in
dem anderen in -einem- Schlitz 24 in axialer Richtung gleitbar. Dies- schafft eine
axiale Dehnmöglichkeit, ohne die Wirksamkeit der- nachgiebigen Verbindungzwischen
:benachbartenSchenben zuschmälern. Jede Radscheibe ist daher relativ zur benachbarten
Scheibe um einen kleinen Betrag drehbar, bis die Speichen das Drehmoment zwischen
den Scheiben zu übertragen beginnen. Wie in Fig.1 dargestellt, können die nachgiebigen,
das Drehmoment übertragenden Einrichtungen am Scheibenumfang oder, wie in Fig. 2
gezeigt, radial weiter innen angebracht sein.
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Zum Zwecke der Lagerung des beschriebenen Läufers ist im Gehäuse 18
eine Reihe in axialem Abstand angeordneter luftgeschmierter Traglager 25 vorgesehen.
Der Ausdruck »luftgeschmiert« soll sowohl ein Gas einschließlich Luft als auch einen
Nebel als Schmiermittel umfassen. Die Verwendung luftgeschmierter Lager beseitigt
die Notwendigkeit üblicher Lager mit ihren zugehörigen Leitungen, Sümpfen und Pumpen
und ermöglicht kurze Wellen-Eine jede Radscheibe kann unabhängig von der benachbarten
Radscheibe gelagert werden, so daß der ganze Rotor aus einer Reihe von kurzen Wellen-
gebildet wird, welche die Räder selbst sind. Es können bei der Erfindung viele Formen
von Luftlagern- 25 verwendet werden. Wie in Fig. 1 gezeigt, können diese Lager ringförmige
Aussparungen 26 im Gehäuse 18 aufweisen, welche über eine Leitung 27 mit Luft aus
einer geeigneten Quelle, beispielsweise einem Kompressor, unter Druck gesetzt werden.
In der in Fig. 1 und 2 dargestellten Form haben die Enden der Laufschaufein 15 ein
Deckband 28, welches sich in die Aussparung 26 erstreckt, so daß eine tragende Umfangsfläche
gebildet wird. So bilden das Gehäuse selbst und die Deckbänder die Laufringe der
Lager, und die Preßluft bildet sowohl das Schmiermittel als auch die Dichtung.
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Der in einer Konstruktion der in Fig.1 dargestellten Art normalerweise
vorhandene Axialschub wird gewöhnlich vom Ausgleichskolben aufgenommen öder dadurch
ausgeglichen, daß man das Zwischenlager am stromabwärts gelegenen Ende des Kompressors
als Schubläger ausbildet. Bei der Erfindung ist keines- dieser beiden Mittel zum
Ausgleich des Axialschubs erforderlich. Bei ihr wird der Axialschub dadurch aufgenommen,
daß sich, wie bereits erwähnt, =der Deckstreifen 28 in die ringförmige Aussparung
-26 erstreckt, wodurch ein seitliches. Luftlager 29 geschaffen wird, das als Schublager
für jede Radscheibe 14 wirkt. Es kann zusätzlich noch ein übliches, als Luftlager
ausgebildetes WelIenlager 30 zwischen Kompressor und Turbine angeordnet werden,
welches aber keinen Achsschub aufnimmt.
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In -Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform des Luft-Lagers dargestellt,
bei der in der Nähe des Umfanges der Scheibe 14 ein zylindrischer Ansatz 31 vorgesehen
ist, der einen radial -nach außen gerichteten Flansch 32 trägt. Der "Flansch 32
ist in einer ringförmigen Aussparung 33 angeordnet, welche in gleicher Weise wie
in Fig. 1 mit Druckluft beschickt wird. Die Umfangsfläche des Flansches stützt sich
mittels des Dtuckluftpolsters am Grund der Aussparung 33 ab und nimmt die Lagerbelastung
auf. Die ringförmige Aussparung ist an einem Ring oder Deckband an den radialen
inneren Enden der Kompressorleitschaufeln 34 angeordnet. Es kann, wie in der Zeichnung
dargestellt, jedes Rad oder aber auch nur jedes zweite Rad mittels Luftlagers gelagert
sein. Bei der beschriebenen Konstruktion kann sich jede Scheibe während der Drehung
im Luftlager selbst zentrieren. So kann ein kleineres Spiel verwendet werden, Formveränderungen
der Teile können geduldet werden, und die Probleme einer gegenseitigen Verschiebung
der Teile, die einen Abrieb zwischen sich drehenden Teilen und stehenden Teilen
hervorruft, sind beseitigt.
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Wegen der Anordnung aus kurzen Wellen sind die Vibrationsprobleme
beträchtlich vermindert, wenn nicht vollständig beseitigt. Jegliche Biegung infolge
axialer mechanischer oder aerodynamischer Schwingungen wird durch die beschriebene
Trageinrichtung und nachgiebige Verbindung beseitigt. Die elastischen Schwingungen
der langen, dünnen Schaufeln werden wegen der festen tragenden Luftlager nahe den
Enden der Scheiben vermieden. Desgleichen werden Schaufelbiegungen infolge aerodynamischer
Belastungen beseitigt, @da sich die Haltelager an -den Schaufelspitzen selbst oder
nahe an diesen und nicht an der üblichen Rotorwelde befinden.
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Damit bei Stillstand der Läufer im Gehäuse nicht zum Aufliegen kommt,
muß Hilfsluft zugeführt werden, oder es müssen selbstschmierende Hilfslager verwendet
werden. Diese werden natürlich nur im Ruhezustand oder beim Start verwendet und
werden ausgeschaltet, wenn die Luftlager in Tätigkeit treten. Bei den Luftlagern
bestimmt die Größe der Umfangsfläche den notwendigen Luftdruck. Der erforderliche
Luftdruck ist demgemäß niedrig, wenn die Umfangsfläche der Luftlager groß ist.