DE1276967B - Klein-Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

F 02 c

Deutsche Kl.: 46f-12

Nummer: 1276 967

Aktenzeichen: P 12 76 967.4-13 (V 29679)

Anmeldetag: 6. November 1965

Auslegetag: 5. September 1968

Klein-Gasturbinentriebwerk

Die Erfindung betrifft ein Klein-Gasturbinentriebwerk (kurz »Kleingasturbine«) mit sogenannter »rotierender Kraftstoffeinspritzung«, bestehend aus einem zweifach gelagerten Rotor mit einem Radialverdichter und einer Radialturbine sowie einer »zwischen« diesen angeordneten Ringbrennkammer.

Unter dem sich auf die Anordnung der Ringbrennkammer beziehenden Ausdruck »zwischen« ist zu verstehen, daß der innere Durchmesser der Ringbrennkammer kleiner ist als der Außendurchmesser der Rotorflügel, derart, daß die Ringbrennkammer im Bereich des axialen Abstandes von Verdichter und Turbine zumindest teilweise untergebracht ist.

Die Erfindung hat keinen Bezug auf solche Gasturbinentriebwerke, bei welchem das Merkami »Radialverdichter« bzw. »Radialturbine« nicht verwirklicht ist und statt dessen ein Axialverdichter und/oder eine Axialturbine vorhanden sind.

Kleingasturbinen der eingangs genannten Bauart sind mehrfach bekannt. So ist z. B. eine Kleingasturbine mit Radialverdichter und Radialturbine und dazwischenliegender Brennkammer derart aufgebaut, daß der gesamte Verdichter-Turbinen-Rotor fliegend gelagert und außerdem aus einer Vielzahl von Einzelteilen zusammengesetzt ist, die mit einem Zuganker verspannt sind. Aus dieser Art der Lagerung ergibt sich ein ungünstiges Verhalten des Rotors im Bereich der biegekritischen Drehzahl, da der fliegend gelagerte Teil im kritischen Bereich große Amplituden aufweist. Diese Tatsache ist von Bedeutung für das Radialspiel der Turbine und damit für ihren Gesamtwirkungsgrad. Gleichzeitig wird damit die Lebensdauer der Lager entscheidend beeinflußt. Der Aufbau des Rotors bedingt infolge der Vielzahl der Einzelteile neben einem großen Montageaufwand eine relativ geringe Steifigkeit. Diese ist in gleicher Weise maßgebend für das kritische Drehzahlverhalten.

Eine weitere Kleingasturbine der genannten Art ist derart aufgebaut, daß bei einer fliegend gelagerten Turbine der Turbinenrotor mit der Turbinenwelle durch einen Zuganker verspannt ist. Die Zusammensetzung des Rotors sowie die Anordnung der Lager geben demnach wiederum ungünstige Voraussetzungen für das Drehzahlverhalten des gesamten Rotors im kritischen Bereich.

Schließlich ist es auch bekannt, bei einer Kleingasturbine einen Rücken an Rücken angeordneten Verdichter-Turbinen-Rotor aus einem Stück herzustellen und diesen Rotor verdichtereintrittsseitig und turbinenaustrittsseitig zu lagern. Hierbei liegt aber eine vollkommen andere Konzeption des Aufbaues der Turbine vor, da in diesem Fall — wie eingangs anAnmelder:

VEB Strömungsmaschinen, Pirna, Sonnenstein

Als Erfinder benannt:
Heinz Schüler, Pirna-Copitz

gedeutet — die Brennkammer nicht »zwischen« der Turbine und dem Verdichter liegt. Es entsteht ein vollkommen anderer Strömungsdurchlauf, wobei auch die Kraftstoffeinspritzung wesentlich schwieriger zu beherrschen ist. Demnach kann der Rotoraufbau und die Lagerung vor einer derartigen Kleingasturbine auf die eingangs beschriebene Kleingasturbine nicht ohne weiteres übertragen werden.

Die bekannten Kleingasturbinen der genannten Bauart sind in ihrem Aufbau derart gestaltet, daß infolge des Rotoraufbaues in Verbindung mit der Rotorlagerung ein ungüstiges Verhalten im kritischen Drehzählbereich mit allen seinen nachteiligen Folgen sowie eine relativ aufwendige Konstruktion zu verzeichnen ist.

Der Zweck der Erfindung besteht in der Schaffung einer Kleingasturbine der genannten Bauart mit einem einfachen Aufbau und einem guten kritischen Drehzahlverhalten der rotierenden Teile.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch zweckmäßigen Rotoraufbau in Verbindung mit entsprechender Rotorlagerung die Steifheit und Masse des Rotors so zu beeinflussen, daß die erste biegekritische Drehzahl möglichst weit unter der Betriebsdrehzahl und die erste Oberschwingung mehr als 30% über der Betriebsdrehzahl liegt und dabei gleichzeitig die Forderung nach einem minimalen Montageaufwand erfüllt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß erstens die Lager in an sich bekannter Weise Verdichtereintritts- und turbinenaustrittsseitig angeordnet sind, daß zweitens die Rotorwelle lediglich zwischen Radialverdichter und Radialturbine eine »unlösbare« Verbindungsstelle aufweist, und daß drittens der Turbinenrotor mit dem Lagerzapfen für das Turbinenlager und einem Anschlußzapfen für die Rotorwelle aus einem Stück besteht. Die Erfindung besteht nicht in den genannten Einzelmerkmalen, oder nur deren zwei, als solchen, wohl aber in der Vereinigung der drei Merkmale bei einer Kleingasturbine der eingangs genannten Bauart. Der Aus-

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druck »unlösbar« (siehe auch Patentanspruch 1) bedeutet, daß eine Lösung der Verbindungsstelle nicht ohne weiteres möglich oder vorgesehen ist, wobei es wesentliche Eigenschaft der unlösbaren Verbindungsstelle ist, starr und innig zu sein und diesbezüglich einer einstückigen Wellenausführung nicht nachzustehen.

Durch diesen Aufbau des Rotors und seine Lagerung ist ein sehr steifer Rotor entstanden, der geringen Montageaufwand erfordert und fertigungsmäßig relativ einfach herstellbar ist. Infolge nur einer Trennstelle, die zwischen Verdichter- und Turbinenrotor liegt und demzufolge als unlösbare Verbindung, d. h. ohne die üblichen Flanschverbindungen an den Rotoren, ausgeführt wird, ist der Rotor sehr steif. Er zeigt mit seinem Aufbau und seiner Lagerung ein sehr gutes Verhalten im kritischen Drehzahlbereich. Der gesamte Rotor läuft sehr ruhig, so daß die Lebensdauer der Lager wesentlich erhöht wird. Außerdem kann das Laufspiel der Turbine, das einen maßgebenden Einfluß auf den Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks ausübt, relativ klein gehalten werden.

Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Rotorwelle und der Anschlußzapfen des Turbinenrotors durch eine Schrumpfverbindung zusammengefügt. Eine solche unlösbare Verbindung ist relativ einfach herstellbar und sehr steif, so daß jegliche Elastizität von dem Rotor ferngehalten wird. Außer der Schrumpfverbindung ist noch ein Verschweißen von Rotorwelle und Anschlußzapfen der Radialturbine ausführbar.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Die Abbildung zeigt eine schematisch in Längsschnitt dargestellte Kleingasturbine mit einem aus einem Radialverdichter 1, einer Welle 2 und einer Radialturbine 3 bestehenden Rotor. Er ist mit einem Verdichterlager 4 und einem Turbinenlager 5 zweifach gelagert, wobei das Verdichterlager 4 verdichtereintrittsseitig und das Turbinenlager 5 turbinenaustrittsseitig angeordnet ist.

Axial zwischen dem Radialverdichter und der Radialturbine 1, 3 befindet sich eine Ringbrennkammer 6 mit einer rotierenden Kraftstoffeinspritzeinrichtung 7. Der Radialverdichter 1 ist von einem Verdichtergehäuse S und die Ringbrennkammer 6 von einem äußeren Gehäuse 9 umgeben. Die Radialturbine 3 wird von einem Turbinengehäuse 10 begrenzt.

Der Radialverdichter 1 befindet sich auf der Rotorwelle 2 und ist mit ihr fest verspannt. Die Radialturbine 3 besitzt einen. Lagerzapfen 11 und einen Anschlußzapfen 12. Ihr Rotor besteht mit dem Lagerzapfen 11 und dem Anschlußzapfen 12 aus einem Stück. Zwischen der Rotorwelle 2 und dem Anschlußzapf en 12 ist an einer Verbindungsstelle 13 eine Schrumpfverbindung vorgesehen.

Dieser Aufbau eines aus Radialverdichter 1 und Radialturbine 3 bestehenden zweifach gelagerten Rotors mit nur einer unlösbaren Trennstelle ohne fliegende Lagerung und ohne allgemein übliche Flanschanschlüsse ergibt einen biegekritisch leicht zu beherrschenden Rotor, der in der Fertigung und Montage wenig aufwendig ist.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Klein-Gasturbinenwerk mit sogenannter »rotierender Kraftstoffeinspritzung«, bestehend aus einem zweifach gelagerten Rotor mit einem Radialverdichter und einer Radialturbine sowie einer zwischen diesen angeordneten Ringbrennkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager (4, 5) in an sich bekannter Weise Verdichtereintritts- und turbinenaustrittsseitig angeordnet sind und die Rotorwelle (2) lediglich zwischen Radialverdichter^) und Radialturbine (3) eine unlösbare Verbindungsstelle (13) aufweist, wobei der Turbinenrotor mit dem Lagerzapfen (11) für das Turbinenlager (5) und einem Anschlußzapfen (12) für die Rotorwelle (2) aus einem Stück besteht.

2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorwelle (2) und der Anschlußzapfen (12) der Radialturbine (3) durch Schrumpfverbindung zusammengefügt sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1276 261;
britische Patentschrift Nr. 694 414;
USA.-Patentschrift Nr. 2 694 291.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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