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Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinen- Gasturbinentriebwerk
triebwerk mit einem das Verdichteraußengehäuse mit dem Brennkammeraußengehäuse verbindenden
Außengehäuseabschnitt, der mittels starrer Flansche an dem feststehenden Verdichteraußengehäuse
und dem feststehenden Brennkammeraußengehäuse befestigt ist, und mit einem mittels
Streben an dem Außengehäuseabschnitt festgehaltenen innerenKegel, der mit dem Außengehäuseabschnitt
einen den Verdichterauslaß mit dem Brennkammereinlaß verbindenden Gaskanal bildet
und das mittlere Läuferwellenlager trägt.
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Die Erfindung befaßt sich mit dem Problem der Halterung des mittleren
Läuferwellenlagers, das bei Gasturbinentriebwerken der vorstehend genannten Art
gewöhnlich hinter dem Verdichter angeordnet ist, und sie bezweckt die Schaffung
einer leichten Haltekonstruktion, die unter Berücksichtigung der unterschiedlichen
Wärmedehnung der der Halterung und zum Teil auch gleichzeitig der Gasleitung dienenden
Bauteile die genaue Anordnung des mittleren Läuferwellenlagers im Betrieb gewährleistet,
die nötig ist, um ein Schleifen des Läufers an ruhenden Teilen der Gasturbine zu
verhindern.
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Die vorstehende, der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wurde bisher
nicht zufriedenstellend gelöst. Bei einem bekannten Gasturbinentriebwerk der eingangs
genannten Bauart ist das mittlere Läuferlager in einem massiven Tragrahmen gelagert,
der an dem stromabwärtigen Ende des sehr massiv ausgebildeten inneren Kegels starr
angebracht ist. Dieser ist wiederum mittels starker Streben an dem Außengehäuseabschnitt
und zum Teil auch an dem hinteren Ende des Verdichteraußengehäuses angebracht. Das
Verdichteraußengehäuse und der Außengehäuseabschnitt zwischen dem Verdichteraußengehäuse
und dem Brennkammeraußengehäuse bestehen aus dikkein Material und sind folglich
ebenfalls sehr schwer. Abgesehen von dem großen Gewicht ist bei der bekannten Konstruktion
auch die unterschiedliche Wärmedehnung der Bauteile nicht genügend berücksichtigt,
und es muß bei ihr mit dem Auftreten von großen Spannungen in den massiven Bauteilen
während des Betriebes gerechnet werden.
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Alle diese Schwierigkeiten hinsichtlich unerwünscht hohem Gewicht,
genauer Halterung des mittleren Lagers und des Auftretens von unerwünschten Spannungen
und Lagerverschiebungen durch die unterschiedliche Wärmedehnung von Triebwerksteilen
während des Betriebes löst die Erfindung dadurch, daß die inneren Enden der Streben,
an kastenförmigen Versteifungen aus Metallblech starr befestigt sind, die an der
von dem Gaskanal abgewendeten Wand des Kegels angebracht sind und in dessen Längsrichtung
verlaufen, der Außengehäuseabschnitt flexibel ist und die äußeren Enden der Streben
mit Abstand von den starren Flanschen des Außengehäuseabschnittes mit diesem starr
verbunden sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion kann der innere Kegel aus dünnem
Blech hergestellt werden, da er durch die kastenförmigen Versteifungen, für die
ebenfalls dünnes Blech verwendet werden kann, die für die einwandfreie Halterung
des mittleren Läuferwellenlagers erforderliche Festigkeit erhält. An diesen kastenförinigen
Versteifungen sind die unteren Enden der Streben befestigt und finden dort einen
sicheren Halt. Die Befestigung der oberen Enden an dem Außengehäuse mit Abstand
von dessen starren Flanschen und die flexible Ausbildung des Außengehäuseabschnittes
erbringen den Vorteil, daß sich das Außengehäuse beim Auftreten von wärmebedingten
Ausdehnungen nach außen durchbiegen und damit diese Ausdehnungen kompensieren kann,
ohne daß dadurch die genaue Ausrichtung des mittleren Läuferwellenlagers verlorengeht,
dessen Belastung, es aufnimmt. Es ist möglich, die gesamte Konstruktion so auszuführen,
daß sie ein sehr geringes Gewicht hat, was insbesondere für Gasturbinentriebwerke
für
den Antrieb von Flugzeugen von größter Bedeutung ist.
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Die Befestigung von Streben zum Verbinden von Außenmänteln und Innenmänteln
von Gaskanälen mit Abstand von starren Flanschen an diesen Außenmänteln ist für
sich bereits bekannt. Ebenfalls für sich bekannt ist die Verwendun- von flexiblen
Außenmänteln oder Außengehäuseteilen. Bei der Erfindung liegen diese für sich bekannten
Merkmale jedoch in einer neuartigen Kombination vor, in der sie zur Erzieluno, der
oben dargelegten Vielfalt von Vorteilen zusammenwirken.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfmdung kann ein Luftkanal
vorgesehen sein, der sich von dem Gaskanal in die kastenförinigen Versteifungen
und von dort durch die Streben nach außen erstreckt.
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Des weiteren können bei dem erfindungsgemäßen Gasturbinentriebwerk
an der Innenseite des Kegels mit öffnungen in den Gaskanal ausgestattete Verzweigungseinrichtungen
vorgesehen sein, mit denen die kastenförinigen Verstenngen in Verbindung stehen,
wobei diese und der Kegel mit Öffnungen zur Aufnahme der Streben versehen sind und
die Streben öffnungen aufweisen, welche einen Durchgang von Gas aus dem Gaskanal
in die Streben gestatten.
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Die Verzweigungseinrichtungen können mit gegenseitigem Abstand hinter
dem Verdichterausgang angeordnet sein, wobei die Streben sich zwischen ihnen befinden.
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In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung
dargestellt. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäß
ausgebildeten Triebwerkabschnitt, wobei Teile weggelassen sind, der erkennen läßt,
wie die Turbine, der Verdichter und die Brennkammerabschnitte zu-
sammengebaut
sind, F i g. 2 einen Ausschnitt aus F i g. 1 in größerem Maßstab zur
Darstellung weiterer, in F i g. 1 nicht zu sehender Einzelheiten, F i
g. 3 den Querschnitt entlang der Schnittlinie 3-3
in Fig. 2 und F i
g. 4 den Querschnitt entlang der Schnittlinie 4-4 in Fig. 2.
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Die F i g. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk, das, wie üblich,
mit einem Verdichter 10, Brennkammern 12 und einer Turbine 14 mit Düsenzwischenboden
1.6
ausgestattet ist. Die Turbine 14 besitzt einen Läufer 18, der über
eine Läuferwelle 22 mit dem Verdichterläufer 20 verbunden ist. Die Läuferwelle 22
ist in einem hinteren Läuferwellenlager 24 beim Düsenzwischenboden 16, einem
mittleren Läuferwellenlager 26 hinter dem Verdichter und einem vorderen Läuferwellenlager
28 vor dem Verdichter gelagert. Als tragende Bauteile für die Läufer, die
viele verschiedene Arten von Belastungen zu Übertragen haben, dienen das Verdichteraußengehäuse
30, das Brennkammeraußengehäuse 33, ein diese Gehäuse verbindender,
in radialer Richtung flexibler Außena "ehäuseabschnitt 32 aus dünnem Metallblech
und das sich an das Brennkammeraußengehäuse 33 anschließende Turbinenaußengehäuse
34. Der Außengehäuseabschnitt 32 begrenzt zusammen mit einem von ihm umgebenen
Kegel 36 einen Gaskanal 37,
den die vom Verdichter kommende Luft durchströmt,
wobei sie sich in ihm ausbreitet.
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Die Läuferwelle 22 ist, wie übEch, über das mittlere Läuferwellenlager
26 am Kegel 36 abgestützt. Der Kegel 36 selbst ist von radial
verlaufenden Streben 38 gehalten, die um den Gaskanal 37 herum verteilt
sind und den Kegel 36 mit dem Außengehäuseabschnitt 32 verbinden.
Es können beispielsweise sechs oder sieben solche Streben 38 vorgesehen sein.
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Die Streben 38 weisen den eigentlichen Strebenabschnitt 42
auf, der bei der dargestellten Ausführungsform aus zwei Teilen besteht, aber ohne
weiteres auch aus nur einem oder aus mehr als zwei Teilen gebildet sein kann. Der
Außengehäuseabschnitt 32 ist an das Verdichteraußengehäuse 30 und
an das Brennkammergehäuse 33 mittels starrer Flansche 40 bzw. 41 angeschlossen.
Um die Streben 38 mit dem Außengehäuseabschnitt 32 an einer Stelle
verbinden zu können, die von dem Flansch 39 des Verdichteraußengehäuses
30 und dem Flansch 40 des Außent# Grehäuseabschnittes so weit entfernt ist,
daß sie von der Steifigkeit dieser Flansche in radialer Richtung nicht beeinflußt
ist, sind die Streben 38 vom Außengehäuseabschnitt weg nach hinten zu geneigt
', wie dies am besten der F i g. 1 zu entnehmen ist. Der Außengehäuseabschnitt
32 behält dadurch seine Flexibilität in radialer Richtung. Der Strebenteil42
ist mit einem oberen Strebengußkörper 44 ausgestattet, der einen Flansch 45 aufweist,
der sich in die Ebene des dünnen Außengehäuseabschnittes 32 erstreckt. Die
Stelle, an der der Flansch 45 an den Außengehäuseabschnitt 32 stumpf angeschweißt
ist (46), befindet sich im Abstand von dem übergang zwischen dem senkrechten Strebenteil
und dem Flansch 45, so daß Kehlschweißnähte an der Verbindungsstelle vermieden werden
können. Dies ist insofern wesentlich, als Kehlschweißnähte nicht nur schwer zu kontrollieren
sind, sondern auch nur eine geringe Widerstandsfähigkeit gegen Biegung besitzen.
Aus dem gleichen Grund ist der obere Strebengußkörper bei 48 stumpf mit dem unteren
Strebenteil 50
verschweißt.
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An Stelle eines gegossenen Strebenoberteiles könnte auch ein aus Blechtellen
zusammengesetzter verwendet werden.
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Zur Herstellung einer starren Verbindung zwischen der Strebe
38 und dem Kegel im Gaskanal in solcher Weise, daß Strebe und Kegel gemeinsam
als starrer Körper und im wesentlichen ohne gegenseitige Biegsamkeit beweglich sind,
ist an dem Kegel für jede Strebe 38 eine kastenförmige Versteifung
52
vorgesehen. Diese Versteifung ist jeweils aus dem Kegel 36 und einem
verkehrt aufgesetzten U-förmigen Profil 54 gebildet. Das U-Profil 54 erstreckt sich
zwischen einer vorderen Verzweigungseinrichtung 56
und einer hinteren Verzweigungseinrichtung
58. Der Strebenteil 50 erstreckt sich durch eine Öffnung
60
im Kegel 36 und eine Öffnung 62 im U-Profil 54. Er ist mittels
einer Kehlschweißnaht 64 mit dem Kegel 36 und mittels einer Kehlschweißnaht
66 mit dem U-Profil 54 verbunden. Um ein Verwinden des Strebenteiles
50 gegenüber der kastenförmigen Versteifung 52 zu verhindern, sind
an jedem Ende des Strebenteiles 50 und an den Verzweigungseinrichtungen
56 und 58 radial verlaufende Versteifungsplatten 68
und
70 vorgesehen. Diese Platten sind mit ihren vier Seitenkanten am Kegel
36, am Strebenteil 50, an der Verzweigungseinrichtung 56 bzw.
58 und an dem U-Profil 54 angeschweißt. Die Streben sind überdies mit querverlaufenden
Versteifungsplatten 73 versteift, die sich zwischen den Schenkeln benachbarter
U-Profile erstrecken und am Kegel 36 angeordnet
sind. Dadurch
wird erreicht, daß die Torsionsbelastung der einzelnen Streben über das jeweilige
U-Profll aufgenommen wird.
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Um aus dem Verdichter Luft zur Weiterverwendung als Kabinenluft oder
zur Deckung eines anderweitigen Luftbedarfes aus dem Verdichter entnehmen zu können,
ohne daß die Luftverteilungseinrichtungen kompliziert werden, und um von Verunreini-"ungen
freie Luft für die Kabine zur Verfügung zu haben, ist hinter der letzten Verdichterstufe
eine Entnahmeeinrichtung vorgesehen.
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Von den Strebenteilen 42 gibt es zwei Arten. Bei der einen ist gemäß
F i g. 2 eine Verschlußkappe 72
vorgesehen, die es ermöglicht, aus
dem Gaskanal 37
in der durch den Pfeil 71 veranschaulichten Weise über
den Kanal 74 im Kegel 36 Luft zu entnehmen. Von dort strömt die Luft durch
die Verzweigungseinrichtungen 56 und 58 (Pfeil 75) und durch
die öffnungen 76 in den Verzweigungseinrichtungen nach innen in die kastenförmigen
Versteifungen. Den weiteren Entnahmekanal bilden dann das U-Profil 54 und der jeweilige
Strebenteil 50, wie dies bei 78 in F i g. 3 zu sehen ist. Von
dort strömt dann die Luft durch öffnungen 80 in den Wänden des Strebenteils
50 gemäß Pfeil 79 in diesen hinein.
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Die anderen Streben 42 haben, wie dies der F i g. 1
zu entnehmen
ist, eine Eintrittsöffnung 83 am radial innen befindlichen Ende für den Durchtritt
von durch die Dichtungen 82 entweichende Luft zur Atmosphäre. Die entweichende
Luft weist, nachdem sie durch die Dichtung hindurchgetreten ist, einen großen Druckabfall
auf. Da sie auf einem verhältnismäßig niedrigen Druckniveau gehalten werden muß
und für andere Zwecke nicht brauchbar ist, wird sie bei diesen Streben 42 jeweils
durch die Austrittsöffnung 84 ins Freie geführt. Würde die Luft in der Nähe der
Dichtung und der letzten Verdichterstufe zurückgehalten, so hätte dies eine unausgeglichene,
in axialer Richtung auf den Läufer wirkende Kraft zur Folge. Damit die durch die
Dichtung entwichene Luft mit niedrigem Druck in ausreichendem Maß zur Atmosphäre
abgeleitet werden kann, müssen die Streben einen möglichst großen lichten Querschnitt
haben. Bei den bisherigen Triebwerkkonstraktionen waren mindestens vier solche Streben
nötig, um den erforderlichen lichten Querschnitt zum Abführen der Luft zu schaffen.
Die große Anzahl von Streben für die Ableitung der entwichenen Luft im. Vergleich
zu der Anzahl der der Luftentnahme dienenden Streben setzte bisher der Luftentnahme
mengenmäßig eine Grenze. Dies hat seine Ursache in der Strömungsbehinderung oder
dem Druckabfall des Treibmittels im Hauptgasstrom, die mit dem Hinzufügen weiterer
Luftentnahmestreben auftreten würden. Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion steht
jedoch bei jeder Strebe ein größerer lichter Querschnitt für die Ableitung von aus
dem Gaskanal entwichener Luft ins Freie zur Verfügung. Folglich werden auch weniger
Streben zu diesem Zweck benötigt, so daß die anderen und damit zusätzlichen Streben
für Luftentnahme zur Kabinenbelüftung, Grenzschichtbeeinflussung und vieles andere
mehr zur Verfügung stehen.
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Da der Außengehäuseabschnitt 32 ein tragender Bauteil ist,
sind die öffnungen 84 mittels Zwischenwänden 86 überbrückt, die es ermöglichen,
die Belastungen quer zu diesen öffnungen zu übertragen, ohne eine Konzentration
hoher Spannungen um die öffnungen herum hervorzurufen. Die heißen Gase im Gaskanal
37 haben auf den Düsenzwischenboden 16 eine solche Wirkung, daß auf
den Kegel 36 in der mittels des Pfeiles 88 in Fig. 1 angedeuteten
Weise eine Torsionsbelastung übertragen wird. Außerdem werden auf den Kegel
36
auch Axialbelastungen im Sinn des Pfeiles 90 übertragen, die der
Expansion der heißen Gase beim Durchströmen durch den Düsenzwischenboden
16
zuzuschreiben sind. Die von innen her auf den Außengehäuseabschnitt
32 einwirkenden Gasbelastungen deuten die Pfeile 92 an.
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Im normalen Betrieb eines Gasturbinentriebwerks laufen sowohl die
Turbinenläuferwelle 22 als auch der Verdichterläufer 20 mit hoher Drehzahl um, und
es werden daher verschiedene Arten von Belastungen auf die feststehenden Triebwerkteile
ausgeübt. Diese Belastungen sind irn einzelnen radiale Lagerbelastungen infolge
von durch das Manövrieren hervorgerufenen Kräften, Schub- oder Axialbelastungen
infolge von Gleichgewichtsfehlern der Läufer- und Ständeranordnung, Torsions- und
Axialbelastungen des Kegels infolge der Gasbelastung des Düsenzwischenbodens der
ersten Stufe, der Verformungsdruck auf den Innenkegel infolge von Druckunterschieden
zwischen dem Gasdruck im Gaskanal 37 und dem Druck innerhalb des Kegels
36 und innere Berstspannungen (Ringspannungen) im Außengehäuseabschnitt.
Die radialen Lagerbelastungen, die Torsionsbelastungen gemäß Pfeil 88 und
die axiale Gasbelastung des Innenkegels 36 gemäß Pfeil 90 werden bei
minimaler Verschiebung des Lagers gegenüber dem Außengehäuseabschnitt
32 ausgezeichnet auf den letzteren nach außen übertragen. Dieser überträgt
wiederum die innere Belastung des Außengehäuseabschnittes bei 40 und 41 auf die
Flansche und leistet gleichzeitig den inneren Berstspannungen Widerstand. Die sehr
gute fehlerfreie übertragung dieser Belastungen wird dadurch erreicht, daß die inneren
Enden der Strebenteile 50 jeweils starr in einem Kastenprofil 52 befestigt
sind, so daß zwischen diesen Enden und dem Kegel 36 eine starre Verbindung
besteht. Das innere Strebenende kann sich gegenüber dem Innenkegel nicht verschieben.
Da das äußere Strebenende, d. h. der in F i g. 1 oben befindliche
Strebengußkörper 44, an dem dünnen Außengehäuseabschnitt bei 46 stumpf angeschweißt
ist und der Außengehäuseabschnitt in radialer Richtung flexibel ist, ist es dem
Außengehäuse möglich, sich unter dem Einfluß von Unterschieden der Wärmedehnung
zwischen den Streben des Kegels und dem dünnen Außengehäuse in radialer Richtung
zu verschieben.
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Wie bereits gesagt, sind die Streben mit dem Außengehäuseabschnitt
an einer Stelle verbunden, die so weit von den Flanschen 40 und 41 des Außengehäuses
entfernt ist, daß sie durch die Steifigkeit der Flansche nicht beeinflußt wird.
Diese Konstruktion erfordert keine Kehlschweißnähte in Bereichen, in denen eine
bedenkliche Konzentration hoher Spannungen auftritt, und ermöglicht an deren Stelle
die Verwendung von Stumpfschweißnähten, die leichter zu kontrollieren sind. Außerdem
sind Vorkehrungen für die Entnahme möglichst großer Luftmengen aus dem Gaskanal
und für die Abfuhr großer Mengen von aus der letzten Verdichterstufe entwichener
Luft getroffen, so daß der Bedarf an Kabinenluft voll gedeckt werden kann, während
andererseits die unbrauchbare Luft zur Gänze ins Freie abführbar ist.