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Gasturbinentriebwerk mit Mantelstrombaugruppe Die Erfindung befaßt
sich mit Gasturbinentriebwerken, bei denen der Turbinenteil von einem Mantelstromverdichter
umgeben ist, dessen Laufschaufeln radiale Fortsetzungen der Turbinenlaufschaufeln
darstellen.
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Bei Gasturbinentriebwerken, bei denen der Turbinengaskanal nud der
Mantelstrom koaxial angeordnet sind, sind diese Gaskanäle teils durch stationäre
Bauteile, teils durch Flansche von Zwischenstücken, Turbinenlaufschaufeln und Verdichterlaufschaufeln
gebildet. Es besteht deshalb die Gefahr, daß heiße Gase durch die Spalte von erheblicher
Breite zwischen den stationären und den rotierenden Teilen hindurch in den Mantelstrom
eindringen. Durch das Eindringen solcher heißen Gase würde die Wirksamkeit dieses
Verdichters vermindert werden.
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Dies gilt auch für Gasturbinentriebwerke mit einer Mantelstrombaugruppe,
deren Verdichter eine frei laufende Turbine umschließt, deren Verdichterschaufeln
als Verlängerungen der Turbinenschaufeln ausgebildet sind und deren Verdichterströmungskanal
vom Turbinenströmungskanal an den feststehenden und umlaufenden Teilen durch je
ein hohles Zwischenstück gelöst ist. Mit derartigen Gasturbinentriebwerken befaßt
sich die Erfindung. Sie will diese Gasturbinentriebwerke so gestalten, daß die Gefahr
eines Eindringens von heißen Gasen in den Mantelstromkanal vermindert ist, und sie
löst diese Aufgabe dadurch, daß die Zwischenstücke einen Luftströmungskanal bilden,
der vom Einlaß bis hinter die letzte Lauf-Schaufel des Mantelstromverdichters reicht.
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In zweckmäßiger Weiterbildung des Erfindergedankens können die Zwischenstücke
in ihrem Innern als Gebläseschaufeln ausgebildet sein; dies bringt den Vorteil,
daß die durch den Lauf der Turbine bewegten Zwischenstücke den in ihren Bereich
fließenden Luftstrom in axialer Richtung antreiben.
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Der Abfiuß aus dem Luftströmungskanal im Bereich der Zwischenstücke
kann durch ein hohles Zwischenstück des auf das letzte Laufrad folgenden Gehäuseteiles,
über hohle Austrittslaufschaufeln des Mantelstromverdichters und einen äußeren Ring
erfolgen; zu diesem Zweck steht dieser äußere Ring über Öffnungen mit der Atmosphäre
in Verbindung.
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Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Gasturbinentriebwerkes
mit Mantelstromverdichter, bei dem die Erfindung verwirklicht ist. Die Zeichnung
stellt einen Axialschnitt durch das Triebwerk dar.
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Das Gasturbinentriebwerk besteht aus einem nicht gezeichneten Verdichter,
welcher komprimierte Luft an eine Brennanlage liefert. In dieser wird Kraftstoff
mit der komprimierten Luft verbrannt; die Verbrennungsgase werden dann einem Turbinenteil
zugeführt. Die Turbine weist zwei unabhängig voneinander rotierende Läufer auf.
Einer dieser Läufer treibt den Verdichter, ein anderer einen um die Turbine herum
angeordneten Mantelstromverdichter an.
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In der Zeichnung ist das ausflußseitige Ende der Brennanlage dargestellt.
Es besteht aus einem Außengehäuse 10, Brennkammern 11, welche einen
Brennraum 12 begrenzen und einem Innengehäuse 13 radial innerhalb der Brennkammern
11: Das Innengehäuse 13 trägt ein Lager 14 für eine Hauptwelle 15.
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Die Hauptwelle 15 hängt mit dem Verdichter zusammen und trägt eine
Turbinenläuferscheibe 16. Auf dem Umfang dieser Turbinenläuferscheibe
16 ist ein Kranz von Laufschaufeln 17 angeordnet. Diese werden von
den aus dem Brennraum 12 über Düsen bildende Leitschaufeln 18 kommenden heißen Verbrennungsgasen
angeströmt. Die Leitschaufeln 18 sind mit ihren inneren Enden auf dem Umfang
einer Querwand 20 befestigt. Diese ist am stromunterseitigen Ende des Gehäuses
13 angebracht.
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Das Gasturbinentriebwerk, soweit es bisher beschrieben ist, weicht
von der herkömmlichen Bauart dadurch ab, daß ein Mantelstromverdichter die Gasturbine
umgibt.
Die Mantelstrombaugruppe weist einen Läufer und einen diesen
Läufer einschließenden Stator auf. Eine Hohlwelle 21 der Baugruppe ist in einem
Lager-22 innerhalb der Hauptwelle 15 und außerdem durch ein Kugellager 23 gelagert.
Die Hohlwelle 21 trägt einen Flansch 21 a, an dem eine erste Läuferscheibe 24 der
Baugruppe befestigt ist. Am stromunterseitigen Ende der Hohlwelle 21 ist eine zweite
Läuferscheibe 25 der Baugruppe angebracht. Die Läuferscheiben 24 und 25 sind an
ihre Rändern durch eine Distanzhülse 26 in Abstand voneinander gehalten.
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Auf dem Umfang der Läuferscheibe 24 ist ein Kranz von Doppelschaufeln
befestigt. Jede dieser Doppelschaufeln besteht aus einem Schaufelfuß 27a, einem
Turbinenschaufelabschnitt 27b, einem Zwischenstück 27 c und einem Verdichterschaufelabschnitt
27d. Auch die Läuferscheibe 25 trägt einen Kranz von Doppelschaufeln; jede dieser
Doppelschaufeln besteht aus einem Schaufelfuß 28a, einem Turbinenschaufelabschnitt
28 b, einem Zwischenstück 28 e und einem Verdichterschaufelabschnitt 28 d. Ferner
umfassen die Doppelschaufeln Flansche 27e und 28e, welche Teile der Strömungsmittelkanäle
der Turbine und des Mantelstromverdichters bilden.
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Schließlich umfaßt die Baugruppe einen Nabenkörper 29, der am stromunterseitigen
Ende der Läuferscheibe 25 angesetzt ist, und eine Zwischenwand 29 a, welche die
Räume innerhalb des Nabenkörpers 25 und der Hohlwelle 21 voneinander trennt.
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Der Stator der Baugruppe umfaßt eine äußere Ringwand 30, welche koaxial
zu dem Gasturbinentriebwerk liegt und die äußere Begrenzung des Mantelstromkanals
bildet; sie umfaßt ferner eingangsseitige Leitschaufeln 31 des Mantelstromverdichters,
Statorschaufeln 32 und austrittsseitige Leitschaufeln 33. Eine innere Ringwand des
Mantelstromverdichters ist aufgeteilt in einen stromoberseitigen Abschnitt 34 und
einen stromunterseitigen Abschnitt 35. Schließlich umfaßt die Baugruppe Düsen bildende
Zwischenleitschaufeln 36, welche zwischen den Turbinenlaufschaufeln 17 und den Turbinenschaufelabschnitten
27b der Doppelschaufeln 27 liegen, sowie Zwischenleitschaufeln 37 zwischen den Turbinenschaufelabschnitten
27 b und 28 b der Doppelschaufeln 27, 28.
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Die äußere Ringwand 30 weist im Querschnitt ein strömungsgünstiges
Profil auf. Dieses ist gebildet von einer äußeren Wandfläche 30a und einer inneren
Wandfläche 30 b; diese setzt sich ihrerseits aus mehreren Abschnitten zusammen,
welche die äußere Begrenzung des Mantelstromkanals bilden und gleichzeitig verschiedene
Teile des Stators tragen.
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Die Zwischenleitschaufeln 36 sind mit ihren radial inneren Enden an
einem ringförmigen Lagergehäuse 38 befestigt, welches das Kugellager 23 der Hohlwelle
21 trägt. Außerdem bildet das ringförmige Lagergehäuse 38 eine Anzahl von Kammern,
die, wie noch zu beschreiben sein wird, stationäre Teile einer Anzahl von Labyrinthdichtungen
sind. Die Zwischenleitschaufeln 36 sind hohl und in ihrem Inneren durch Unterteilungswände
36a unterteilt, so daß Strömungskanäle 39, 40 vorliegen.
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Die äußeren Enden der Zwischenleitschaufeln 36 sind an dem stromoberseitigen
Abschnitt 34 der inneren Ringwand befestigt. Dieser Abschnitt 34 weist einen Ring
41 auf, der die Düsen bildenden Leitschaufeln 18 und die Laufschaufeln 17 umgibt,
einen äußeren Ring 42, welcher den Mantelstromkanal an seinem stromoberseitigen
Ende begrenzt, einen Zwischenring 43 zwischen dem inneren Ring 41 und dem äußeren
Ring 42, sowie zwischen den Ringen 41 und 42 in. axialem Abstand voneinander Verbindungswände
44, 45, etwa in Form von Flanschen der Ringe 41, 42, 43. Weiter umfaßt der stromoberseitige
Abschnitt 34 der inneren Ringwand einen U-Profil-Ring 46, dessen Schenkel auf der
Außenfläche des inneren Ringes 41 befestigt sind. Zusammen mit der Außenfläche des
inneren Ringes 41 bildet der U-Profil-Ring eine Sammelleitung, die mit den Strömungskanälen
39 der Zwischenleitschaufeln 36 über Durchbrechungen 47 in dem Ring 41 in Verbindung
steht. Die in dem U-Profil-Ring ausgebildete Sammelleitung ist über radial verlaufende
Rohrstutzen 48 mit den radial inneren Enden der hohlen eingangsseitigen Leitschaufeln
31 des Schubstromverdichters verbunden. Diese Leitschaufeln durchsetzen mit ihren
radial inneren Enden die Ringe 42, 43 und sind in diesen befestigt. Die äußeren
Enden der Leitschaufeln 31 sind in einem doppelwandigen Abschnitt der inneren Wandfläche
39 b der äußeren Ringwand 30 befestigt.
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Das stromoberseitige Ende des Ringes 42 (stromoberseitiger Abschnitt
34 der inneren Ringwand) ragt über das Außengehäuse 10 der Brennanlage vor und hat
Abstand von dieser. Der ringförmige Zwischenraum 42a zwischen dem Außengehäuse 10
und dem Ring 42 bildet einen Lufteinlaß nach Öffnungen 52 eines Sammelraumes 53
hin, der zwischen den Ringen 42 und 43 (stromoberseitiger Abschnitt der inneren
Ringwand) ausgebildet ist. Der Sammelraum 53 weist Austrittsöffnungen 54 in der
Verbindungswand 45 auf.
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Der stromoberseitige Abschnitt der inneren Ringwand 34 weist auch
in dem Ring 41 Durchbrüche 50 auf, welche die Strömungskanäle 40 der Zwischenleitschaufeln
36 mit einem zwischen den Ringen 41, 43 und den Verbindungswänden 44, 45 begrenzten
Raum in Verbindung setzt. Dem Raum 51 wird hochkomprimierte Luft zugeführt, die
an einer beliebigen Stelle des Gasturbinentriebwerks abgezapft wird.
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Die inneren Enden der in den Zwischenleitschaufeln 36 verlaufenden
Strömungskanäle 40 sind über Knierohre 55 mit einer Kammer 56 verbunden. Diese liegt
zwischen zwei Labyrinthdichtungen 57 innerhalb eines Raumes 59. Ein Teil der in
die Kammer 56 einströmenden Luft verläßt diese Kammer durch die äußere Labyrinthdichtung
57 nach dem Raum 59 hin und verhindert dadurch, daß heiße Gase aus dem Arbeitsgaskanal
radial nach innen strömen. Der Rest der hochkomprimierten Luft strömt aus dem Raum
56 durch axial verlaufende Rohre 80 in eine Kammer 81 und aus dieser durch eine
Labyrinthdichtung 82, so daß auch an den inneren Enden der Turbinenschaufelabschnitte
27b ein Eindringen von heißen Arbeitsgasen unterbunden ist, und schließlich durch
eine Labyrinthdichtung 83, Durchbrüche 84, eine Kammer 85 und Radialkanäle 86 in
eine Kammer 87. Aus dieser strömt die Luft weiter durch Löcher 88 in den Innenraum
der Hülse 26 ein und wirkt als Dichtluft am inneren Ende der Zwischenleitschaufeln
37.
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Die hochkomprimierte Luft kann auch aus der Kammer 81 in Kammern 81
a zwischen den Fußenden 27 a der Doppelschaufeln 27 eintreten und durch Radialbobrungen
27f in den Turbinenschaufelabschnitten 27 b strömen und dabei die Turbinenschaufeln
kühlen. Nach der Kühlung der Turbinenschaufelabschnitte 27 b strömt diese Luft dann
weiter durch Kanäle 27g der Zwischenstücke 27c und schließlich durch Kanäle 27h
der Verdichterschaufelabschnitte
27d. Die Kanäle 27h führen am radial
äußeren Ende der Verdichterschaufelabschnitte 27 d in den Mantelstromkanal. Die
durch die Kanäle 27f der Turbinenschaufelabschnitte strömende Luft wird erwärmt
und erhitzt auf Grund ihrer aufgenommenen Wärme, die Verdichterschaufelabschnitte
27d beim Durchgang durch die Kanäle 27h.
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Die Zwischenleitschaufeln 37 sind mit ihren radial inneren
Enden durch Klemmringe 62 miteinander vereinigt. Einer dieser Klemmringe trägt ein
Rohrstück 62 a, das zusammen mit Rippen 62 b der Distanzhülse 26 eine Labyrinthdichtung
ergibt. Der mit Rippen besetzte Abschnitt der Distanzhülse 26 weist die Löcher 88
auf. Die äußeren Enden der Zwischenleitschaufeln 37 hängen mit den Statorschaufeln
32 zusammen, und zwar sind sie durch einen ringförmigen Kasten 64 miteinander verbunden.
Die äußeren Enden der Statorschaufeln 32 sind durch Abschlußplatten 32a gesichert,
welche Teile der inneren Wandfläche 30 b der äußeren Ringwand 30 bilden.
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Die äußere Ringwand 30 hat nicht nur die Aufgabe, die äußeren Enden
der eintrittsseitigen Leitschaufeln 31 und der Statorschaufeln 32 zu tragen, sondern
stellt auch die Kammern 65 und 66 und schließlich eine weitere Kammer 67 zur Verfügung;
außerdem enthält sie Umfassungsringe 68 für die Verdichterschaufelabschnitte 27d,
28d der Doppelschaufeln 27 und 28. Die Kammer 65 steht mit den Hohlräumen der eintrittsseitigen
Leitschaufeln 31 und über Durchbrüche 69 auch mit der Kammer 66 in Verbindung. Diese
weist an ihrem stromunterseitigen Ende Austrittsöffnungen 70 nach der Atmosphäre
hin auf.
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Die Kammer 67 umgibt die radial äußeren Enden der ausflußseitigen
Leitschaufeln 33; diese sind hohl. Ihre Hohlräume stehen in Verbindung mit der Kammer
67. Die radial inneren Enden der Leitschaufeln 33 münden in eine Kammer 71; diese
ist zwischen zwei Wandflächen 72 ausgebildet, welche den- stromunterseitigen Abschluß
der inneren Ringwand, d. h. deren Abschnitt 35 bilden. Die Wandflächen 72 sind durch
einen U-Profil-Ring 73 miteinander verbunden, der die Kammer 71 stromunterseitig
abschließt.
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Die rotierenden Zwischenstücke 27 c und 28 c der Doppelschaufeln müssen,
da sie ja eine rotierende Bewegung ausführen, Abstand von den benachbarten Statorteilen
45, 64, 72 haben. Es besteht deshalb die Gefahr, daß heiße Gase aus dem Turbinenkanal
auf Grund ihres erhöhten Druckes in den Mantelstromkanal eintreten und dadurch dessen
Wirksamkeit herabsetzen. Es sind aber Mittel vorgesehen, um dies zu verhindern.
Die durch den Ansaugraum 42a und die Öffnungen 52 in den Sammelraum 53 eintretende
Luft gelangt aus dem Sammelraum 53 durch die Austrittsöffnungen 54 in einen
Ringraum, der zwischen den Flanschen 27 e eines jeden Zwischenstückes 27 c gebildet
ist. Weiter fließt diese Luft durch Bohrungen 74 des Kastens 64 in den Ringraum
zwischen den Flanschen 28 e der Zwischenstücke 28 c in den Ringraum 71 und von diesem
durch die ausgangsseitigen Leitschaufeln 33 in die Kammer 67, um durch die Auslaßöffnungen
75 dieser Kammer 67 in die Atmosphäre abzuströmen. Die heißen Turbinengase, die
in den Mantelstromkanal auszutreten suchen, werden durch den bei 42a eintretenden
Luftstrom mitgerissen und strömen mit diesem Luftstrom durch die Auslaßöffnungen
75 ab.
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Um die Ausbildung eines von dem Ansaugraum 42 a ausgehenden Luftstromes
durch den Sammelraum 53 über die Zwischenstücke 27 c, die Bohrungen 74, die Zwischenstücke
28 c in die Kammer 71 zu begünstigen, kann man die Zwischenstücke 27 c, 28 c als
Gebläseelemente ausbilden, welche die Luft in der Hauptströmungsrichtung zu der
Kammer 71 hin fördern.
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Die Zwischenleitschaufeln 36 können bei dieser Konstruktion gekühlt
und die eintrittsseitigen Leitschaufeln 31 des Mantelstromverdichters zum Zweck
der Verhinderung einer Eisbildung erwärmt werden. Zu diesem Zweck läßt man schwach
komprimierte Luft aus der Welle 21 durch das Lagergehäuse 38 über Durchbrechungen
76, Kammern 77 und Bohrungen 78 in die Ringkammer 79 einströmen und von dieser durch
Strömungskanäle 39 der Zwischenleitschaufeln 36. Die in diesen Zwischenleitschaufeln
erhitzte Luft strömt sodann durch Öffnungen 47 in eine Sammelleitung 46, weiter
durch radiale Rohre 48 in die Hohlräume der Eintrittsleitschaufeln 31 des Mantelstromverdichters
in eine Kammer 65. Die durch die Leitschaufeln. 31 strömende warme Luft erwärmt
diese und verhindert hier Vereisung. Die in der Kammer 65 strömende Luft verhindert
auch, daß das vordere Ende der äußeren Ringwand 30 vereist und fließt außerdem durch
Durchbrüche 69 nach rückwärts in eine Kammer 66 und schließlich durch Öffnungen
70 nach der Atmosphäre.
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Die Niederdruckluft innerhalb der Welle 21 kann von beliebiger Quelle
herrühren, z. B. kann sie von dem Verdichter über die Welle 15 zugeführt werden.