DE1301634B

DE1301634B - Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE1301634B
Application number: DEC37001A
Authority: DE
Inventors: Sabatiuk Andrew
Original assignee: Curtiss Wright Corp
Current assignee: Curtiss Wright Corp
Priority date: 1965-09-29
Filing date: 1965-09-29
Publication date: 1969-08-21

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk mit einem Läufer, der axiale Verdichterkanäle und radiale Turbinenkanäle enthält, und mit einer Verbrennungskammer, die mit den Verdichterkanälen verbunden und so angeordnet ist, daß sie den Turbinenkanälen zur Drehung eines Fächer-Schaufelrades heiße Gase zuführt.
Es ist ein Gasturbinentriebwerk für Senkrechtstart-Flugzeuge bekannt, das einen Läufer mit Fächer-und Turbinenschaufeln sowie einen axial vom Läufer versetzten Radialverdichter aufweist, der mit mehreren Verbrennungskammern in Wirkverbindung steht, die wiederum den Turbinenschaufeln heiße Gase zur Drehung des Läufers zuführen. Der Radialverdichter ist über ein Zahnradgetriebe mit dem Läufer antriebsmäßig verbunden, Der axiale Ab- stand des Radialverdichters vom Läufer sowie die Zwischenschaltung eines Zahnradgetriebes zwischen Radialverdichter und Läufer wirken sich hier jedoch nachteilig auf die axiale Baulänge des Triebwerks aus, die besonders beim Einbau in Flügel von Senkrechtstart-Flugzeugen möglichst klein sein soll.
Es ist auch in verschiedenen Gasturbinenausführungen bekannt, die Verdichter- und Turbinenkanäle in ein und demselben Läufer unterzubringen. Die Brennkammern befinden sich bei diesen Ausführungen aber zum Teil in einem erheblichen axialen Abstand von den Verdichter- und Turbinenkanälen des Läufers. Das axiale Bauausmaß solcher Gasturbinen ist entsprechend groß.
Es ist weiter ein Gasturbinentriebwerk bekannt, bei dem der Verdichter und die Turbine in einem einzigen Läufer vereinigt sind und die ringförinige Verbrennungskammer gegenüber dem Läufer derart -radial nach außen versetzt angeordnet ist, daß die Turbinenschaufeln und die Verbrennungskammer im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene liegen, die senkrecht zur Läuferachse verläuft. Nachteilig auf das axiale Ausmaß dieses Triebwerks wirkt sich hier wieder die axiale Versetzung der Verdichterschaufeln von den Turbinenschaufeln aus.
Ferner ist bei einem Hubtriebwerk bekannt, am äußeren Rand der Schaufeln eines Verdichters in einer ringförmigen Anordnung eine Vielzahl von Strahldüsen zum Antrieb des Verdichters vorzusehen, die mit dem Verdichter umlaufen. Dem Verdichter ist bei dieser Triebwerkausführung eine ortsfeste Leitschaufelanordnung nachgeschaltet, und die vom Verdichter abgegebene Luft wird über die Leitschaufelanordnung in einen Nachbrenner geleitet. Die Strahldüsen am Verdichter liefern hierbei nur einen Teil des Schubs dieses Triebwerks, das auf Grund obiger Teileanordnung ebenfalls eine relativ große axiale Länge hat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein sehr flach bauendes, leichtes Gasturbinentriebwerk zu schaffen, das insbesondere für den Einbau in Senkrechtstart-Flugzeugen geeignet ist.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Gasturbinentriebwerk der eingangs bezeichneten Art dadurch gelöst, daß die Fächerschaufeln von den Verdichter- und Turbinenkanälen radial nach innen versetzt angeordnet sind und daß die Verbrennungskammer gegenüber dem Läufer radial nach außen versetzt angeordnet ist, wobei die Fächerschaufeln, die Verdichter- und Turbinenkanäle und die Verbrennungskammer alle in einer gemeinsamen Ebene liegen, die senkrecht zur Läuferachse verläuft. Dadurch wird eine sehr flache Bauweise des Gasturbinentriebwerks erzielt, das, verglichen mit herkömmlichen Triebwerken, weniger Einbauraum benötigt und außerdem ein geringeres Gewicht als diese hat. Das Gasturbinentriebwerk gemäß der Erfindung ist auf Grund seiner sehr geringen axialen Ausmaße besonders für den Einbau in die Flügel eines Senkrechtstart-Flugzeuges geeignet.
Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung können die radialen Turbinenkanäle eine Zentripetalturbine bilden, deren axial gerichtete Auslaßöffnungen von den Auslaßöffnungen der Verdichterkanäle radial nach innen versetzt angeordnet sind.
Der Läufer kann eine Anzahl von Lamellen aufweisen, die in zur Drehachse senkrechten Ebenen Seite an Seite in relativ zueinander festen Lagen und um die Drehachse gegenseitig verdreht zusammengebaut sind, und die Lamellen können weiter zwei radial im Abstand voneinander angeordnete Sätze von Löchern aufweisen, die sich zwischen entgegengesetzten Seiten hindurch erstrecken, sowie einen Satz von Schlitzen, die sich vom Umfang des Läufers nach innen erstrecken, und die Lamellen können derart in einem Drehsinn versetzt eingereiht sein, daß die radial äußeren Sätze von Löchern die Verdichterkanäle, die radial inneren Sätze von Löchern die Fächerschaufeln und die Schlitze die Turbinenkanäle bilden.
Die axialen Verdichterkanäle können durch gekrümmte hohle innere Teile eines Satzes von im allgemeinen radial verlaufenden Schaufeln und die radialen Turbinenkanäle durch die gekrümmten Außenflächen der Schaufeln gebildet sein. Die Wände, die die Turbinenkanäle in dem Triebwerk bilden, werden an den Außenflächen vorteilhaft durch die Verdichter-Luftströmung gekühlt.
Die Erfindung wird nun an Hand der Figuren eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt einer Hälfte eines Gasturbinentriebwerks gemäß der Erfindung, F i g. 2 eine Schnittansicht längs der Ebene der Linie 2-2 der F i g. 1, F i g. 3 einen vergrößerten Längsschnitt eines Teils des Triebwerks der F i g. 1, aus dem ein Teil des Läufers und andere zugeordnete Teile zu ersehen sind, F i g. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie 4-4 der Fig. 3, F i g. 5 eine Schnittansicht in der Ebene der Linie 5-5 der F i g. 3.
Das Gasturbinentriebwerk gemäß den F i g. 1 bis 5 ist eine verhältnismäßig flache Gasturbine, die besonders gut für den Einbau in Senkrechtstartern (VTOL-Flugzeugen) geeignet ist. Es ist ein Triebwerk mit Verdichterkanälen 10 und Turbinenkanälen 12 sowie mit Fächerschaufeln 14 zum Erzeugen von Vortriebskräften, die sämtlich an einem einzigen Läufer 16 vorgesehen sind. Die Verdichterkanäle 10 weisen an einer Seite des Läufers Einlaßöffnungen 18 und an der entgegengesetzten Stirnseite Auslaßöffnungen 20 auf. Die Turbinenkanäle 12 besitzen am Umfang des Läufers Einlaßöffnungen 22 und in der Läuferstirnseite, die die Verdichterauslaßöffnungen aufweist, Auslaßöffnungen 24. Die Strömung durch die Verdichterkanäle 10 verläuft im allgemeinen in einer parallelen Richtung zur Achse des Läufers 16, und die Strömung durch die Turbinenkanäle 12 verläuft zumindest über einen Teil der Länge der Kanäle in einer mehr oder weniger radialen Richtung.
Der Läufer 16 kann als eine Einheit z. B. im Gießverfahren und durch maschinelle Bearbeitung hergestellt werden, oder er kann, wie in den F i g. 1 bis 5 dargestellt ist, aus einer Anzahl von quer verlaufenden Lamellen 26 bestehen, durch die sich Löcher erstrecken, die so angeordnet sind, daß, wenn die Lamellen richtig fixiert sind, die axialen Verdichterkanäle 10, die radialen Turbinenkanäle 12 und die Fächerschaufeln 14 entstehen. Die Lamellen können in den fixierten Lagen auf irgendeine passende Weise durch die Schrauben 32 und 34 an den Triebwerks-Wellenabschnitten 28 und 30 befestigt sein. Die Oberflächengüte der Kanäle und Schaufeln kann durch Schleifen von Hand oder mittels eines Sandstrahlgebläses erreicht werden. Die Ausbildung des Läufers aus Lamellen erleichtert die Anordnung der Verdichter- und Turbinenkanäle in dem Läufer und vermeidet die Anwendung von Spezialwerkzeugen, die ansonsten für die Bearbeitung und Fertigstellung der Kanäle und Schaufeln entwickelt werden müßten. Bei der Lamellenkonstruktion werden lediglich übliche Herstellungsverfahren zur Schaffung des Läufers benötigt. Es wird ferner leichter eine Gleichmäßigkeit hinsichtlich der Materialfestigkeit und der Gewichtsverteilung sichergestellt, da die dünnen Werkstoffe besser überprüft werden können, gleich, ob diese aus Rohblechen, Gesenk-Schmiedestücken oder dünnen Gußstücken bestehen.
Die Verkleidungen 36 und 38 an den äußeren und inneren Enden radialer Streben 40 begrenzen die Triebwerkseinlaßöffnung 42. Die Einlaßöffnung 42 wird weiter durch die Verkleidung 44 in konzentrische Abschnitte 46 und 48 neben den Einlaßöffnungen der Verdichterkanäle bzw. der Schaufeln unterteilt. Die Verkleidung 44 wird durch Einlaßleitschaufeln mit Stromlinienform getragen. Es sind dies im einzelnen die Schaufeln 50 zur Lenkung der Einlaßluft zu den Verdichterkanälen unter dem berechneten Winkel und die Schaufeln 52, die ebenfalls Stromlinienform haben und die Luft in der gewünschten Weise zu den Fächerschaufeln 14 leiten.
Der Läufer 16 wird von einer ringförinigen Ummantelung 54 umgeben, die mittels der Leitung 56 mit den Verdichterkanälen an deren Auslaßende verbunden ist. Die Verdichter-Statorleitschaufeln 57 zum Ableiten der Auslaßluft aus dem Verdichter sind in der Leitung 56 neben den Auslaßöffnungen der Verdichterkanäle 10 gezeigt. Innerhalb der Ummantelung 54 befindet sich eine ringförmige Verbrennungskammer 58. Die Luft aus den Verdichterkanälen 10 tritt durch die Leitung 56 in die Ummantelung 54 und anschließend durch die öffnungen 60 im Verbrennungskammergehäuse in das Innere der Verbrennungskammer 58 ein, wo sie mit Brennstoff, der durch eine Düse 62 eingespritzt wird, vermischt und durch eine Zündkerze 64 gezündet wird. Die Verbrennungsgase werden aus der Verbrennungskammer 58 über Düsen 66 abgeführt, die an dem Auslaßende derselben angeordnet sind. Die Abgase treten in die Turbinenkanäle 12 und wirken auf die Wände ein, um eine Drehung des Läufers 16 hervorzurufen.
In bestimmten Fällen kann es, je nach der Turbineneinlaßausführung, erforderlich sein, die Turbinendüsen zu kühlen. Eine solche Kühlung kann auf einfache Weise dadurch erreicht werden, daß die Düsen als Hohlteile ausgebildet werden und daß der Brennstoff durch die Düsen hindurchgeführt wird, bevor er in die Verbrennungskammer eingeführt wird. Die Düsen dienen in einem solchen Fall, abgesehen von ihrer Hauptfunktion, als Vergaser für den Brennstoff. Die Verbrennungskammer 58 kann so ausgeführt sein, daß sie, wie gezeigt, eine einzige nicht unterteilte Verbrennungskammer bildet, oder es können eine Reihe von in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Wände eingeschlossen werden, um mehrere Kammern zu schaffen. Für den Fall, daß Trennwände eingebaut werden, können diese als Hohlteile in der Art der Turbinendüsen ausgeführt sein und auf die gleiche Weise durch Brennstoff gekühlt werden, der zu den Einspritzdüsen 62 fließt.
Die Turbinen-Statorschaufeln 67 sind neben den Auslaßöffnungen 24 der Turbinenkanäle vorgesehen, und die durch die Turbine strömenden Verbrennungsgase gelangen durch die Statorschaufeln und treten aus diesen in einer Richtung aus, die parallel zur Achse des Läufers 16 liegt. Leitschaufeln 68 mit einer Stromlinienform neben dem Auslaßende der Fächerschaufeln 14 übernehmen die ausströmende Luft, der durch die Schaufeln ein Moment in einer Richtung erteilt wird, die ebenfalls parallel zur Achse des Läufers 16 verläuft.
Um ein Lecken oder einen Verlust zu verhindern, der die Triebwerksleistung störend beeinflussen könnte, werden an ausgewählten Stellen zwischen dem Läufer 16 und den benachbarten ortsfesten Teilen Abdichtungen vorgesehen. Eine ringförmige Abdichtung 70 zwischen dem Läufer 16 und der Ummantelung 54 (F i g. 3) verhindert, daß Verbrennungsgase rund um den Umfang des Läufers austreten und in die Einlaßöffnungen 18 der Verdichterkanäle 10 gelangen. Eine ringförmige Ab- dichtung 72 zwischen dem Läufer 16 und der benachbarten ringförmigen Wand 74, die die Leitung 56 und die Turbinen-Statorschaufeln 67 trennt, verhindert ein Ausströmen der komprimierten Luft über die Stirnseite des Läufers in die Turbinenabgasströmung. Die Verbrennungsgase sind gegenüber der komprimierten Luft, die aus dem Auslaßende der Verdichterkanäle ausströmt, durch eine ringförmige Dichtung 76 zwischen der Ummantelung 54 und dem Läufer 16 getrennt. Aus einer Reihe von Gründen können bei dem beschriebenen Triebwerk höhere Turbineneinlaßtemperaturen als bei üblichen Gasturbinentriebwerken zugelassen werden.
Einer der Gründe besteht darin, daß die Verbrennungsgase in die Turbinenkanäle 12 am Umfang des Läufers eintreten und bis zu einem gewissen Grad abgekühlt werden, bevor sie die hoch beanspruchten Zonen an den radialen inneren Enden der Wände 78 erreichen, die die Kanäle begrenzen. Diese Anordnung steht im Gegensatz zu bestimmten herkömmlich ausgeführten Gasturbinen, bei denen die Verbrennungsgase zwischen den Turbinenschaufeln in axialer Richtung strömen. Ein anderer Grund besteht darin, daß die die Turbinenkanäle begrenzenden Wände 78 durch die gesamte Strömung der komprimierten Luft gekühlt werden. Ferner strömt die komprimierte Luft an den Wänden 78 nahe am Umfang des Läufers entlang, wo die Turbinengase ihre höchste Temperatur aufweisen. Es findet daher eine besonders starke Wärmeübertragung auf die komprimierte Luft statt, und die Metalllemperaturen werden ziemlich niedrig gehalten. Außerdem bewirkt die durch die Fächerschaufeln 14 hindurchtretende Luft eine Kühlung des Läufers.
Die axiale Länge des in den F i g. 1 bis 5 gezeigten Gasturbinentriebwerks wird dadurch auf ein Minimum verringert, daß die Verdichterkanäle, die Turbinenkanäle und die Fächerschaufeln sämtlich an einem einzigen Läufer vorgesehen sind. Das Triebwerk kann daher in einem sehr begrenzten Raum untergebracht werden. Es kann z. B. bequem in den Flügel eines VTOL-Flugzeuges eingebaut und zur Schuberzeugung verwendet werden.
Bei der gezeigten Triebwerksausführung begünstigt das nahe Zusammenlegen der Strömung der verdichteten Einlaßluft und der Turbinenabgase die Anwendung eines Wärmeaustauschsystems zur Verbesserung des spezifischen Brennstoffverbrauches des Triebwerks. Bei der Triebwerksausführung gemäß der Erfindung können verschiedene Arten von Wärmeaustauschsystemen, bei denen die Temperatur der Verdichterauslaßströmung in einem Wärmeaustauscher durch die Wärme der Abgase erhöht wird, und unterschiedliche Anordnungen von Komponenten des Systems vorgesehen werden.
Es wird beispielsweise darauf hingewiesen, daß es möglich ist, die Strömung der verdichteten Luft axial durch den Läufer in eine Richtung zu leiten, die entgegengesetzt zu derjenigen in den Zeichnungen verläuft, vorausgesetzt, daß die Verdichterkanäle zu diesem Zweck abgeändert sind. In bestimmten Fällen kann die Verbrennungsluft dem Verdichter an dem Ende des Läufers einfacher zugeführt werden, an dem die Turbinengase ausströmen, und in diesem Fall wird eine solche Anordnung bevorzugt.

Claims

Patentansprüche: 1. Gasturbinentriebwerk mit einem Läufer, der axiale Verdichterkanäle und radiale Turbinenkanäle enthält, und mit einer Verbrennungskammer, die mit den Verdichterkanälen verbunden und so angeordnet ist, daß sie den Turbinenkanälen zur Drehung eines Fächer-Schaufelrades heiße Gase zuführt, dadurch gekennz e i c h n e t, daß die Fächerschaufeln (14) von den Verdichter- und Turbinenkanälen (10, 18 bis 20 und 12, 22 bis 24) radial nach innen versetzt angeordnet sind, und daß die Verbrennungskammer (58) gegenüber dem Läufer (16) radial nach außen versetzt angeordnet ist, wobei die Fächerschaufeln (14), die Verdichter- und Turbinenkanäle und die Verbrennungskammer (58) alle in einer gemeinsamen Ebene liegen, die senkrecht zur Läuferachse verläuft.
2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Turbinenkanäle (12, 22 bis 24) eine Zentripetalturbine bilden, deren axial gerichtete Auslaßöffnungen (24) von den Auslaßöffnungen (20) der Verdichterkanäle (10, 18 bis 20) radial nach innen versetzt angeordnet sind. 3. Triebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (16) eine Anzahl von Lamellen (26) aufweist, die in zur Drehachse senkrechten Ebenen Seite an Seite in relativ zueinander festen Lagen und um die Drehachse gegenseitig verdreht zusammengebaut sind, und daß die Lamellen (26) zwei radial im Abstand voneinander angeordnete Sätze von Löchern aufweisen, die sich zwischen entgegengesetzten Seiten hindurch erstrecken, sowie einen Satz von Schlitzen, die sich vom Umfang des Läufers (16) nach innen erstrecken, und daß die Lamellen derart in einem Drehsinn versetzt eingereiht sind, daß die radial äußeren Sätze von Löchern die Verdichterkanäle (10), die radial inneren Sätze von Löchern die Fächerschaufeln (14) und die Schlitze die Turbinenkanäle (12) bilden. 4. Triebwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die axialen Verdichterkanäle (10) durch gekrümmte hohle innere Teile eines Satzes von im allgemeinen radial verlaufenden Schaufeln gebildet und die radialen Turbinenkanäle (12) durch die gekrümmten Außenflächen (78) der Schaufeln gebildet sind.