DE1242942B

DE1242942B - Gasturbinenstrahltriebwerk

Info

Publication number: DE1242942B
Application number: DER36497A
Authority: DE
Inventors: James Alexander Petrie
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1962-11-09
Filing date: 1963-11-05
Publication date: 1967-06-22
Also published as: FR1382232A; US3250512A; GB969579A; DE1242942C2

Description

Gasturbinenstrahltriebwerk Die Erfindung betrifft ein Gasturbinenstrahlwerk, umfassend, in Strömungsrichtung, hintereinander angeordnet, einen Niederdruckverdichter, einen Hochdruckverdichter, einen Verbrennungsabschnitt, eine Hochdruckturbine und eine Niederdruckturbine, wobei Hochdruckverdichter und Hochdruckturbine durch eine erste Verbindungswelle und Niederdruckverdichter und Niederdruckturbine durch eine zweite zur ersten konzentrisch angeordnete Welle miteinander verbunden sind.
Bei Verdichterbaugruppen ist es bekannt, die Hochdruckturbine und die Niederdruckturbine mittels in Achsrichtung des Aggregats nebeneinanderliegender Lager zu lagern, welche an einem gemeinsamen zwischen Hochdruckturbine und Niederdruckturbine untergebrachten Zwischenboden des Aggregats befestigt sind. Diese Lagerung ist verhältnismäßig geringen Temperaturen der Verdichterbaugruppe ausgesetzt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gasturbinenstrahlwerk der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem auftretende Wärmespannungen nicht auf die Lager der Hochdruck- und Niederdruckturbine übertragen werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einem Gasturbinenstrahlwerk der vorgenannten Art vor, daß die Hochdruckturbine und die Niederdruck turbine in von der Verdichterbaugruppe her bekannter Weise gelagert sind, mittels in Achsrichtung des Triebwerks nebeneinanderliegender Lager, welche an einem gemeinsamen, zwischen Hochdruckturbine und Niederdruckturbine untergebrachten Zwischenboden des Triebwerks befestigt sind, und zwar vermittels in radialer Richtung elastisch nachgebender Verbindungsglieder.
Durch die Verwendung der elastischen Verbindungsglieder wird die übertragung der Wärmespannungen auf die Lager unterbunden, insofern, als diese durch die elastischen Verbindungsglieder quasi isoliert sind. Dieser spannungsmäßigen Isolierung kommt insbesondere unter Berücksichtigung der Tatsache, daß der Zwischenboden sehr hohen Temperaturen ausgesetzt ist, große Bedeutung zu.
Zweckmäßigerweise sind die elastischen Verbindungsglieder der nebeneinanderliegenden Lager von zusammenhängenden Ringfassungen gebildet, welche, in einer die Achse des Triebwerks enthaltenden Schnittebene betrachtet, eine haarnadelförmige Grundgestalt haben, mit in Achsrichtung sich erstrekkenden Schenkeln und unterschiedlicher Länge und ; längs dem Haarnadelkopf an dem Zwischenboden befestigt sind. Vorzugsweise ist ein das Strahltriebwerk umfassendes, den gemeinsamenZwischenbodentragendes äußeres Gehäuse im Bereich der Befestigung dieses Zwischenbodens in radialer Richtung nachgiebig ausgebildet.
Der gemeinsame Zwischenboden kann in Form eines hohlen in radialer Richtung elastischen Torus ausgebildet sein.
Gemäß einem weiteren Vorschlag nach. der Erfindung ist der hohle Torus auf den Radialbereich innerhalb der Schaufelwurzel von Hoch- und Niederdruckturbine beschränkt und durch eine Vielzahl von Speichen getragen, welche, in Winkelabständen um die Triebwerkachse herum verteilt, mit ihren radial inneren Enden am hohlen Torus und mit ihren radial äußeren Enden im Triebwerksgehäuse befestigt und im Bereich des Strömungswegs der von der Hochdruckturbine zur Niederdruckturbine strömenden Gase innerhalb von Leitschaufeln untergebracht sind.
Die Leitschaufeln können mit dem hohlen Torus verschweißt sein und die konzentrischen Wellen und die mit ihren umlaufenden Triebwerksteile in an sich bekannter Weise im Gegensinn umlaufen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes nach der Erfindung dargestellt. Darin zeigt F i g. 1 einen teilweise quergeschnittenen Aufriß eines erfindungsgemäßen Turbinenstrahlwerks, F i g. 2 einen Teil des Triebwerks nach F i g. 1, betrachtet in Richtung des Pfeiles A in F i g. 1, F i g. 3 einen Schnitt gemäß der Linie 111-11I in Fig.2.
Ein Gasturbinenstrahltriebwerk 10 umfaßt ein äußeres Triebwerksgehäuse 11 mit einer Verbrennungsanlage 12, einer einstufigen Hochdruckturbine 13 und einer zweistufigen Niederdruckturbine 14.
Die Hochdruckturbine 13 hat eine Vielzahl von in Winkelabständen vorgesehenen Düsenleitschaufeln 15 und eine Vielzahl von ebenfalls in Winkelabständen vorgesehenen Läuferschaufeln 16. Die Läuferschaufeln 16 haben Wurzeln 17 mit einem Außengewinde, welche in Büchsen 17a eingeschraubt sind. Diese Büchsen 17a sind ihrerseits in mit Innengewinden versehene Öffnungen in einer Turbinenscheibe 18 eingeschraubt.
Die Turbinenscheibe 18 ist durch eine Reihe von in Winkelabständen vorgesehenen Stellschrauben 21 und eine Kupplung 22 an einer Hohlwelle 20 befestigt. Auf dieser Hohlwelle 20 ist auch ein zylindrischer Teil 23 befestigt, von dem ein Teil einen inneren Laufring 24 eines Lagers 25 bildet. Dieses Lager 25 hat Rollen 26, die auf dem inneren Laufring 24 und in einem Käfig 27 rollen. Um diese Rollen 26 liegt ein ringförmiger äußerer Laufring 30, der in einem elastischen Verbindungsglied 32 montiert ist. Das Verbindungsglied 32 ist an einem starren, hohlen Zwischenboden 33 über einen Steg 34 angebaut, welcher an einer verhältnismäßig flexiblen Wandung 35 des Zwischenbodens 33 befestigt ist.
Jede Speiche 38 hat an ihrem radial nach außen gerichteten Ende einen Ansatz 41. Stellschrauben 42, die radial durch Ansätze 43 auf dem äußeren Gehäuse durchgehen, greifen in Innengewinde in den Ansätzen 41 ein. Wie aus F i g. 1 ersichtlich ist, hat das äußere Gehäuse bei diesen Ansätzen 43 einen verhältnismäßig geringen Querschnitt und ist in diesen Zonen daher verhältnismäßig elastisch.
Der Zwischenboden 33 hat eine radiale äußere Wandung 37, an welcher eine Vielzahl (z. B. dreißig) von sich radial erstreckenden, in Winkelabständen angeordneten, steifen Speichen 38 angeschweißt ist. Diese Speichen können aus einer auf Nickel aufgebauten Legierung geschmiedet oder gegossen sein und umfassen jeweils ein gebogenes Segment 40, das einen Teil eines Außenrandes des Zwischenbodens 33 bildet.
Jede Speiche 38 befindet sich in einer hohlen Leitschaufel 44. Die Leitschaufeln 44 schützen die Speichen 38 vor der Wärme der durch die Turbinen strömenden Gase.
Stromabwärts der Leitschaufeln 44 befinden sich die Läuferschaufeln 45, Statorschaufeln 46 und Läuferschaufeln 47 der zweistufigen Niederdruckturbine 14. Die Statorschaufeln 46 sind am äußeren Gehäuse 11 befestigt. Die Läuferschaufeln 45 und 47 sind an Turbinenscheiben 50 bzw. 51 befestigt, die miteinander durch Stifte bei 52 verbunden sind.
Die Turbinenscheiben 50, 51 sind bei 53 über eine Stirnzahnkupplung 55 mit einer Hohlwelle 54 verbunden und werden durch konzentrisch in der Hohlwelle 54 vorgesehene Gewindebüchsen 56 und 57 festgehalten.
Die Hohlwelle 54 befindet sich konzentrisch in der Hohlwelle 20 und trägt auf einem Teil ihrer Oberfläche eine Hülse 60. Diese Hülse 60 bildet den inneren Laufring eines Rollenlagers 59 mit Rollen 61, die in einem Käfig 62 laufen und mit einem äußeren Laufring 63 in Berührung stehen.
Der äußere Laufring 63 sitzt in einem zylindrischen Gehäuse 64, das über einen Flansch 65 an einem Ende 67 des flexiblen Teils 32 angeordnet ist. Das Ende 67 bildet mit dem zylindrischen Gehäuse 64 ein flexibles Glied mit Haarnadelquerschnitt zwischen dem äußeren Laufring 63 und dem starren Zwischenboden 33.
Die Lager 25, 59 sind in einem Gehäuse angeordnet, das vom Verbindungsglied 32 und vom Flansch 65 gebildet wird, wobei das Gehäuse durch Dichtungsringe 68, 69 abgedichtet wird.
Beim Betrieb rotieren die Hohlwellen 20, 54 in entgegengesetzten Richtungen und laufen dabei in den Lagern 25 bzw. 59. Diese Lager sind mit dem durch den starren Zwischenboden 33 gebildeten Aufbau über elastische Verbindungen verbunden, welche durch das elastische Verbindungsglied 32 bzw. durch das elastische Verbindungsglied 64 mit dem Endteil 67 gebildet werden.
Es ist zu ersehen, daß eine Expansion des Zwischenbodens 33 sich nicht auf die Lager überträgt, sondern durch diese elastische Verbindungen isoliert wird.
Ausdehnungen, welche den Steg 34 erreichen, werden wiederum durch die verhältnismäßig flexible Wandung reduziert, die ebenfalls Wärmedehnungen aufnimmt.
Der durch den Zwischenboden 33 gebildete, zwischen der Hochdruck- und der Niederdruckturbine liegende Teil wird trotz der in der Richtung der Pfeile in F i g. 1 strömenden Kühlluft sehr heiß. Es kommt daher zu einer relativen Wärmedehnung, durch welche die Speichen 38 in der Richtung nach außen bewegt werden. Wie bereits erwähnt, ist das Gehäuse 11 neben den Ansätzen 43 verhältnismäßig dünn und flexibel, so daß jede Relativbewegung zwischen den Speichen 38 und dem Gehäuse 11 dadurch aufgenommen wird, daß sich das Gehäuse 11 elastisch dehnt.
Es ist zu ersehen, daß sich in den Speichen 38 infolge dieser Wärmedehnung Druckkräfte aufbauen. Um den Pegel dieser Druckkräfte beim Arbeiten der Anlage herabzusetzen, kann eine Vorspannung in diese Speichen 38 eingeführt werden, indem das Gehäuse 11 vorgespannt wird, oder indem ein höherer Gasdruck in der Richtung von innen nach außen die innere Oberfläche des Gehäuses beaufschlagt.
Durch die Anordnung des einzigen statischen Gehäuses für beide Gasturbinenlager zwischen diesen beiden Turbinen, werden die beiden Wellen in der unmittelbaren Nähe der Turbinenscheiben abgestützt. Wenn diese Wellen verhältnismäßig kurz gehalten werden können, erübrigt sich dadurch ein Zwischenlager zwischen dem Auslaß des Hochdruckverdichters und den Turbinenlagern, d. h. in der Zone der Verbrennungskammer. Dieser Fortfall eines Zwischenlagers führt zu großen Einsparungen an Gewicht und in der Gesamtlänge des Triebwerks, da mit diesem Lager auch alle damit zusammenwirkenden Luftzuführungen, Ölleitungen, Dichtungen und Abstützungen fortfallen.
Die besondere in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform hat noch einen weiteren Vorteil: Die normalerweise zum Schutz der Lager zwischen Hochdruckverdichter und Hochdruckturbine erforderliche Hochdruckdichtung, welche Druckausgleichprobleme aufwirft. kann bei der erfindungsgemäßen Lageranordnung unter Umständen entfallen.
Zum Auswuchten des Axialschubs des Verdichters kann der durch die Turbine gelieferte Axialschub dadurch vergrößert werden, daß die Rückseite der Turbinenscheibe 18 an die Abgasleitung entlüftet wird. In der dargestellten Ausführungsform nach F i g. 1 geschieht dies durch öffnungen 70 im Zwischenboden 33 und Öffnungen 71. 72 in den Turbinenscheiben 50, 51. Die Luft strömt dann vom stromabwärts der Turbinenscheibe 18 liegenden Raum in der durch die Pfeile 73, 74, 75 angedeuteten Richtung.
Druckluft wird durch die Öffnungen 76 in der Turbinenscheibe 18 an die Leitschaufeln 44 und an den Raum stromabwärts der Turbinenscheibe 18 angeliefert.
Es ist zu ersehen, daß ein mit einem derartigen Lageraufbau ausgestattetes Gasturbinenstrahltriebwerk es ermöglichen dürfte, auch die übrigen Lager des Triebwerks und die Dichtungen in vorteilhafter Weise so zu ändern, daß ein bedeutend leichteres, einfacheres und billigeres Triebwerk geschaffen wird.
Obwohl das Gehäuse 11 in dieser Beschreibung als »äußeres Gehäuse« bezeichnet wurde, bedeutet dies nur, daß es das äußere Gehäuse der Verbrennungsanlage und der Turbine bildet, Praktisch kann dieses Gehäuse von einer Umgehungsleitung und von einem weiteren, tatsächlich äußeren Gehäuse umgeben sein. Der im Vorhergehenden benutzte Ausdruck »äußeres Gehäuse« bedeutet daher nur, daß dieses Gehäuse außerhalb der Verbrennungsanlage und der Turbinen angeordnet ist.

Claims

Patentansprüche: 1. Gasturbinenstrahltriebwerk, umfassend, in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet, einen Niederdruckverdichter, einen Hochdruckverdichter, einen Verbrennungsabschnitt, eine Hochdruckturbine und eine Niederdruckturbine, wobei Hochdruckverdichter und Hochdruckturbine durch eine erste Verbindungswelle und Niederdruckverdichter und Niederdruckturbine durch eine zweite zur ersten konzentrisch angeordneten Welle miteinander verbunden sind, d adurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckturbine (13) und die Niederdruckturbine (14) in von der Verdichterbaugruppe her bekannter Weise gelagert sind mittels in Achsrichtung des Triebwerks nebeneinanderliegender Lager (25, 59), welche an einem gemeinsamen, zwischen Hochdruckturbine (13) und Niederdruckturbine (14) untergebrachten Zwischen-Boden (33) des Triebwerks befestigt sind, und zwar vermittels in radialer Richtung elastisch nachgebender Verbindungsglieder (32, 64).
2. Strahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Verbindungsglieder (32, 64) der nebeneinanderliegenden Lager (25 bzw. 59) von zusammenhängenden Ringfassungen gebildet sind, welche, in einer die Achse des Triebwerks enthaltenden Schnittebene betrachtet, eine haarnadelförmige Grundgestalt haben, mit in Achsrichtung sich erstreckenden Schenkeln unterschiedlicher Länge, und nächst dem Haarnadelkopf (bei 34) an dem Zwischenboden befestigt sind.
3. Strahltriebwerk nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein das Strahltriebwerk (10) umfassendes, den gemeinsamen Zwischenboden (33) tragendes äußeres Gehäuse (11) im Bereiche der Befestigung dieses Zwischenbodens (33) in radialer Richtung nachgiebig ausgebildet ist.
4. Strahltriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Zwischenboden (33) in Form eines hohlen in radialer Richtung elastischen Torus ausgebildet ist.
5. Strahltriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Torus (33) auf dem Radialbereich innerhalb der Schaufelwurzeln von Hochdruckturbine (13) und Niederdruckturbine (14) beschränkt und durch eine Vielzahl von Speichen 38 getragen ist, welche, in Winkelabständen um die Triebwerksachse herum verteilt, mit ihren radial inneren Enden am hohlen Torus (33) und mit ihren radial äußeren Enden im Triebwerksgehäuse (11) befestigt und im Bereich des Strömungswegs der von der Hochdruckturbine (13) zur Niederdruckturbine (14) strömenden Gase innerhalb von Leitschaufeln (44) untergebracht sind.
6. Strahltriebwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (44) mit dem hohlen Torus (33) verschweißt sind.
7. Strahltriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrischen Wellen (20, 54) und die mit ihnen umlaufenden Triebwerksteile in an sich bekannter Weise im Gegensinn umlaufen. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1126 196, 1062 987, 1032 031; schweizerische Patentschrift Nr. 266 474.