DE1626118A1

DE1626118A1 - Gasturbinenstrahltriebwerk

Info

Publication number: DE1626118A1
Application number: DE19671626118
Authority: DE
Inventors: Donald Eyre; Wilde Geoffrey Light
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1966-09-17
Filing date: 1967-09-15
Publication date: 1971-03-11
Also published as: GB1127660A; US3462953A; FR1549323A; SE326604B

Description

EOLLS-EOYGE LIMITED, DEEBY,- EliGLAUD

Gas türbinenstrahltri e bwerk

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinenstrahltriebwerk und insbesondere aber nicht ausschließlich auf ein Hubtriebwerk.

Das Hauptproblem, das bei Gasturbinenstrahltriebwerken, insbesondere bei Hubtriebwerken auftritt, besteht darin, den erzeugten Lärm zu vermindern. Die Lösung dieses Problems, ist insbesondere wichtig, wenn derartige Triebwerke bei Zivilflugzeugen benutzt werden, da diese notwendigerweise so nahe als möglich an Städte oder andere Orte heranfliegen sollen, wo sich Menschenansammlungen befinden.

Es ist bekannt, Gasturbinentriebwerke als Gasgeneratoren zu benutzen, um Gebläse anzutreiben, die den Hauptschub der Anlage liefern. Derartige Gebläse erzeugen infolge der niedrigeren

ö Gasgeschwindigkeiten weniger Lärm als ein reines Strahltriebwerk

°> mit gleichem Schub.

κ» Um jedoch niedrige Gasgeschwindigkeiten und demgemäß einen gerin- «o gen Lärm zu erzielen, müssen die Gebläse und die ihnen zugeordneten Antriebs tür bin en sehr groß konstruiert werden, und dies

BAD ORIGINAL

bedingt wiederum ein hohes Gewicht. Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines Triebwerkes, bei welchem ein großes Gebläse durch eine relativ leichte Turbinenanordnung angetrieben werden kann.

Gemäß der Erfindung weist ein Gasturbinenstrahl triebwerk einen Gasturbinengenerator _r eine Turbine, die von den Abgasen des Generators angetrieben wird, und ein Gebläse auf, das koaxial zu dem Generator liegt und durch die Turbine angetrieben wird, wobei die Turbine wenigstens eine Radialrotorstufe aufweist.

Vorzugsweise wird die eine Radialstufe von der ersten Stufe der Turbine gebildet und es ist wenigstens eine weitere Axialstufe vorgesehen.

Vorzugsweise bestehen Generator, Turbine und Gebläse aus einer integralen Baueinheit.

Die Abgase des Generators können in einem Miscntriehter umgeleitet werden, so daß sie nach vorwärts strömen und den Generator in einigem Abstand umgeben, so daß die Turbine so angeordnet werden kann, daß sie sieh axial nicht über den Generator hinaus erstreckt.

Das Gebläse kann von Lagern in der aus s er en Oberfläche des Generators getragen werden und so konstruiert sein, daß es sich nicht über die axiale Länge des Generators hinaus erstreckt.

Das Gebläse braucht keine Leitschatfeln oder Eragstruktur vor den

Schaufeln zu besitzen. .

109 811/0249

Nachstehend werden Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung; beschrieben! in der Zeichnung zeigen:

. 1 eine schematisehe Schnit-tansicht einer ersten Ausführungs form, der Erfindung, ·

Fig. 2 eine der Figur 1 ähnliche Schnittansicht einer abgewandelten Äusflihrungs form der Erfindung,

Fig.. 5" in einer gleichen Schnittansicht eine weitere Abwandlung der Erfindung*

Fig. 1 zeigt im Schnitt ein Gasturbinenstrahltriebv/erkj bestehend aus einem Gasgeneratorabschnitt 10, einem Türbinenäbschnitt 11 und einem Gebläseabschnitt 12* Der Gasgenerator 10 besitzt ein Gehäuse 14 in dem in'Strömungsrichtung hintereinander ein Niederdruekkompressor 15» ein HochdruckkOmpressor 16, eine Verbrennungseinrichtung 17, eine HoehdrUclcturbine 18 und eine Hiederdruckturbine 19 angeordnet sind* Der Niederdruekkompressor 15und die Niederdrucktürbine 19 sind antriebsmäßig durch eine Welle 20 verbunden_t während der Höchdrucklcompressor 16 und die Hochdruckturbine 18 auf einer gemeinsamen Welle 21 sitzen.

Die Konstruktion umd Arbeitsweise der Bauteile des Gasgenerators 10 zur Erzeugung der Abgase ist die gleiche^^ wie bei herkömmlichen Triebwerken, so daß eine ins einzelne gehende Beschreibung entbehrlich ist.

1098Π/0249 BAD GRlGISvJAL

Nachdem die Abgase des Gasgenerators 10 die Niederdruckturbine 19 verlassen, treten sie in den Turbinenabschnitt 11 ein. Die Gase treten zunächst zwischen Statorsehaufein 22 hindurch und dann in eine Schnecke 23 ein. Diese Schnecke 23 bewirkt, daß der Gasstrom in Radialdichtung nach aussen umgelenkt wird, während die Statorschaufeln 22 die Gase nach einer Reihe axial angeordneter Rotorschaufeln 24 richten. Die Schaufeln 24 sind auf der rechten Seite, wie aus der Zeichnung ersichtlich, an einer Querwand 25 befestigt. Nachdem die Gase zwischen den Rotorschaufeln 24 hindurchgetreten sind und einige Energie auf diese Rotorschaufeln übertragen haben, durchlaufen die Gase eine zweite Reihe von Statorschaufeln 26, die an ihren linken Enden an einem Ring 27 befestigt sind, der vom Gehäuse 14 des Gasgenerators 10 getragen wird. Die Statorschaufeln richten die Gase auf eine zweite Reihe der Rotorschaufein 28, so daß die Schaufeln 28 sich in der gleichen Richtung zu drehen suchen, wie die Schaufeln 24. Die Schaufeln 28 formen eine Radiaiströmungsstufe, aber da sie nach hinten gekrümmte Ummantelungen aufweisen, bilden sie eine Schnecke^ durch die die Gase veranlaßt werden, axial nach hinten zu strömen.

Die Schaufeln 28 sind mit der Querwand 25 verbunden und an ihrem äusseren Umfang besitzen sie einen Mantelring 29·

Nachdem die Gase zwischen den Schaufeln 28 hindürchgetreten sind, ergibt sich nunmehr eine Ringströmung durch eine Reihe herkömmlicher Statorschaufeln 30 und durch eine herkömmliche Axialturbinenstufe

109811 /024 θ

Die die Stufe 31 bildenden Schaufeln werden von einer Turbinenseheibe 32 getragen, die über einen Plansch 33 und einen innenflansch 34 mit der Querwand 25 verbunden ist, wodurch eine hohle Ringanordnung geschaffen wird, die auf einem lager 35 um ein festes Rohr 36 herum rotiert.

Um das Rohr 36 gehäusefest zu lagern, erstrecken sich mehrere Arme 37 von dem Gehäuse H durch die Schaufeln 22 nach dem Rohr 36. Ausserdem wird das Rohr 36 durch mehrere Arme 38 getragen, deren Enden Auslaßleitschaufeln 39 des Turbinenabschnitts 11 bilden. .

Die drei Rotorstufen der Turbine sind durch einen Aufbau 40 verbunden, der von dem Mantelring der Rotorschaufein 28 nach unten gezogen ist und ein Einstufengebläse trägt, das von Gebläseschaufeln 41 gebildet wird. Die Schaufeln 41 drehen sich im Lager 35 und einem Lager 42, das das Gehäuse 14 umgibt, so daß sich die Schaufeln koaxial zu dem Gasgenerator drehen können.

i«5t^eUmmantelung 43 umgibt ringförmig; diei Schaufelei%1 und sie

14· wird stromoberseitig durch Streben 44 vom Gehäuse SW getragen und am stromunterseitigen Ende erfolgt die Abstützung der Um mantelung 43 durch Streben 45, die von einem Mantelring 46 radial abstehen, der den Statorring 30 und den Schaufelring 39. und demgemäß die Streben 38 trägt.

Im Betrieb nimmt der Generator Luft auf, die in seinem Niederdruck und Hochdruokkompressor verdichtet wurde und diese Luft wird mit

1 09 81 1/02 4Ö BAD ORIGINAL '^"

- β - ■

Brennstoff gemischt und in der Verbrennungseinrichtung gezündet. Die aus der Verbrennungseinrichtung ausströmenden Gase entspannen sich dann über die Turbinen 18 Und 19 und treiben den Hochdruckkompressor und den Niederdruckkompressor .an. Die Abgase des Generators 10 strömen durch den Turbinenabschnitt und bewirken, daß die drei Stufen der Rotorschaufeln das Gebläse in Drehung versetzen und ebenso die Turbine die von den Lagern 35 und 42 getragen wird. Demgemäß drehen sich die Gebläseschaufel 41 und bewirken, daß Luft in den Einlaß zwischen dem stromoberseitigen Ende der Ummantelung 43 und das Gehäuse 14 gelangt und beschleunigt, sowie durch den Auslaß ausgestoßen wird, der zwisehet dem stromunterseitigen Ende der Ummantelung 43 und dem stromunterseitigen Ende der Abschirmung 46 gebildet wird.

Die Abgase der Turbine 11 strömen zwischen den Schaufeln 39 hindurch und bilden einen ringförmigen Heißgasstrom.

Der in Fig. 2 dargestellte Gasgenerator 10 ist dem Gasgenerator nach Pig. T identisch und braucht deshalb nicht im einzelnen beschrieben zu werden. --;—---■■—-----

Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Pig. I treten die Abgase in eine Schnecke 50 ein, aber in diesem falle werden die Gase um 180° abgelenkt, so daß sie nach vorn in einem Ringstrom ringa« um das Gehäuse 14 des Gasgenerators strömen, bis sie eine erste Reihe von Statorschaufeln 51 erreichen. Wiederum wird das Gas in den Schaufeln 51 abgelenkt und strömt dann radial durch eine

109811/0241

Stufe von Rotorschaufeln 52 nach außen nach einer zweiten Stufe von Rotorschaufeln 53 und dann nach einem zweiten Radiaistromungsrotor 54, der ebenfalls eine Schnecke bildet und dann nach einer dritten Bähe von Statorschaufein 5& und einer axialen Strömungs— stufe von Rotorschaufeln 56.

Die aerodynamische Auslegung dieser Stufen ist identisch jenen nach Pig*I. ί λ ■

Wiederum trägt der Aufbau 57 Gebläseschaufeln 58 der ,zweiten Rotorstufe, so daß die Gebläsexchaufeln mit den sich drehenden Stufen der Turbine umlaufen. ■

Die Lageranordnung wurde gegenüber der vorbeschriebenen Anordnung geringfügig insofern geändert, als ein Planseh 59 vorgesehen ^ist·» der sich von einem Mantelring der ersten Reihe der Turbinenschaufeln 52 nach hinten erstreckt und von einem festen zylindrischen Bauteil 6l über ein Lager 60 getragen wird.

Der Bauteil 61 wird über Streben 62 von dem Gehäuse l4 getragen, und trägt seinerseits Streben 65, die an ihrem radial äußeren
Ende Auslaßleitschaufeln 64 für den Heißgasström aus der Ttrbine bildehv

Das Gebläse wird wieder von einem Mantel 65 umgeben, aber in diesem Fall hängt der Gasgenerator 10 nicht über den Vorderrand des
Mantels 65 vor und deshalb kann der Mantel 65 nur durch eine Reihe

^ " 109811/0248 ^6aDORIGINAL

66

von Streben/getragen werden, die Portsätze der Leitschaufeln 64 bilden, wobei- eine Ummantelung 6'J zwischen den Streben 66 und den Schaufeln 6*t vorgesehen ist.

Die Statorschaufeln 55 werden in ähnlicher Weise wie die Schaufeln 26 nach Fig.l getragen, jedoch im Falle der Schaufeln 55 tragt ein membranartiger Bauteil 68., -die an dem Bauteil öl fixierte Schaufelreihe.

-Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform ist im wesentlichen identisch zu der Arbeltsweise des Ausführungsbeispieles nach Fig.l. Jedoch werden bei dieser Ausführungsform die Gase um l8o° abgelenkt, sobald sie den* Gasgenerator verlassen, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, daß der größere Teil des Turbinenabschnitts innerhalb der axialen Erstreckung des Gasgenerators liegt, so" daß ein beträchtlicher Anteil axialer Länge eingespart wird. Dies führt insofern zu einer vorteilhaften Ausgestaltung,als der Mantel 65 durch eine einzige Strebenreihe 66 stromunterseitig der Gebläseschaufeln 58 getragen"werden kann, was xiiederum zu einer Verminderung des Lärms führt, der durch das Zusammenwirken von Gebläseschaufeln mit dem Sog der Streben erzeugt wird, die stromoberseltig der Gebläseschaufeln.befindlich sind.

Fig.3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches im wesentlichen der Fig.2 .gleich ist. Gewisse Unterschiede werden nachstehend im einzelnen beschrieben. ·

1098 11/0249

Der Gasgeneratorabschnitt 10 ist wiederum identisch jenem nach Fig.l und wie bei der Ausführungsform nach Fig.2 werden: die von dem

_ durch die Schnecke

Generator erzeugten Gase um l8o/ abgelenkt. Diese Gase strömen nach vorn um.das Gehäuse des Gasgenerators und treten durch eine erste Reihe von StatOrschaufeln 7"Gr hindurch, die normale AxialstrÖmungssehaufeln sind. Nachdem sie durch die Statorschaufern 70 hindurchgetreten sind, treffen die Gase auf eine erste Rotorstufe 7"1, die an Stelle der Statorstufe 51 gemäÄ Fig.2 folgt. In dieser S£ufe werden die Gase nach außen abgelenkt, so daß sie in Radialrichtung strömen. Dann treten die Gase durch eine radiale Statorstufe. 72, eine radiale Rotorstufe 73 ^unc^ eine Ablenkstufe 7% hindurch, in der die Gase wieder derart abgelenkt werden, daß sie in Axialrichtung strömen. Nachdem die Gase aus der Statorstufe 74 herausgetreten sind, treten -sie in eine herkömmliche Axialströmungsturbinenstufe 75 ein und treten durch Leitschaufeln "(6 hindurch und. gelangen von dort in die Atmosphäre. Aus einem Vergleich, mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig.2 ist ersichtlich, daß die Anordnung derart ge-. ändert wurde, daß in dem Turbinenabschnitt die Rotorstufen die Stelle der Statorstufen gemäß dem vorhergehenden Ausführungsbxeispiel einnehmen und umgekehfct. Es sind auch einige Abänderungen in der mechanischen Konstruktion getroffen. So wird die Axialturbinenstufe 75 von einer herkömmlichen Turbinenscheibe 77 getragen, die dann mit der Stufe 71 verbunden ist. Die gesamte rotierende Anordnung von Turbine und Gebläse wird wieder von zwei Lagern 78 und 79 getragen. Die Lager 78 sind in gleicher Weise angeordnet wie die Frontlager in Fig,2, während das Lager 79 von der Außenseite des Strömungskanals für die umgelenkten Gase nach der Innenseite versetzt wurde, und zwar

10981T/0249

-.-_■- ίο -

nach dem Inneren dieses Kanals in der Nähe des Generatorgehäuses. Dies bedeutet, daß dieses Lager 79 einen kleineren Radius aufweist₄ als das Lager 60 nach Fig.2, was wieder eine Vereinfachung ergibt:.

Bei allen beschriebenen Ausführungsbeispielen sind getrennte Ströme für die Luft des Gebläses und für die heißen Abgase des Turbinenabschnitts vorgesehen. Es ist gemäß einer Abwandlung möglich, die Ausbildung so zu treffen, daß die Gase vom Turbinenauslaß mit dem aus dem Gebläse austretenden Luftstrom vermischt werden, indem z.B'. die heißen Gase durch mehrere radial verlaufende Pinger geleitet werden, deren stromunterseitige Seiten weggeschnitten sind, so daß die heijsßen Gase in den Gebläseströmungsfluß in Gestalt von einer Mehrzahl radial verlaufender Ströme eingeführt werden. In dieeem Fall wäre es zweckmäßig, nur radiale Strömungsstufen bei dem Turbinenabschnitt vorzusehen.

Sämtliche beschriebenen Ausfuhrungsbeispiele mit Ausnahme des zuletzt beschriebenen weisen eine Reihe von Radialströmungsturbinenstufen auf, denen eine Axialströmungsstufe folgt. Dies ergibt insofern einen grundlegenden Vorteil, als die Axialströmungsstufe auf einem relativ großen Radius angeordnet werden kann, wodurch es leichter wird, eine langsame Gebläseströmung zu erhalten, ohne daß ein Getriebe vorgesehen wird, während die Benutzung von Radialströmungsstufen im Strömungskanal zwischen der Axialstufe und dem Generatorausgang die Möglichkeit schafft, daß mehr Leistung in einem Raum erzeugt wird,-.der anderenfalls vergeudet wird, so daß die Zahl der Axialetrömungsstufen auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden kann.

109811/0249

Strahltriebwerke gemäß der Erfindung können so ausgelegt werden, daß sie ein Nebenschluß verhältnis von 10: 1 hatten und; eine einzige Gsbläsestufe kann vorgesehen werden, die eine Umfangsgeschwindigkeit von nur etwa 240 m pro Sekunde (800 Fuß pro Sekunde) hat, so daß ein relativ geringer Lärmpegel erzeugt wird. . "■

Die Auslässe von Gebläse und Heißgasstrom haben eine im wesentlichen tei!kugelförmige Gestalt. Hierdurch wird die Möglichkeit, geschaffen, daß eine Schvrenkdüse zur Schubablenkung benutzt wird, ohne daß wesentliche Dichtungsprobleme auftreten.

Es könnte festgestellt werden, daß der große Toträum hinter der Turbine die Ursache eines erhöhten Ividerstandes wird, da sich dort eine Region mit niedrigem Luftdruck bildet. Dies kann jedoch dadurch vermieden werden oder vermindert werden, daß dieser Raum entlüftet wird, indem z*B» die hinteren Streben hohl ausgebildet und an ihren Enden nach der Luft hin offen sind.

Gemäß einer abgex?andelten Ausführungsform könnte der Gasgenerator auch umgekehrt werden/ so daß er die Luft aus dem Gebläse-ausgang aufnimmt. Hierdurch könnte die l80°-Ablenkung der Generatorabgase vermieden werden und es könnte der Vorteil erzeugt werden, daß der Generatoreinlaß gegen das Einsaugen von Fremdkörpern geschützt bleibt. Außerdem könnte der Generator aufgeladen werden. Es würde jedoch nötig, die Abgase von dem Turbinenabsehnitt an der Strömung der Einlaßluft für den Generator vorbeizuführen imd das könnte ein weiteres Problem darstellen.

Patentansprüche ;

109811/0249

Claims

■■■.-.■ - 12 - Patentansprüche: -

1. Gasturbinenstrahltriebwerk mit einem Gasturbinengasgenerator und einer weiteren Turbine, die durch die Abgase des Generators angetrieben wird, und mit einem koaxial zum Generator liegenden Gebläse, das durch die weitere Turbine angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Turbine (11) wenigstens eine Radialrotorstufe ■(24-,52,-75). aufweist. . «

2. Gasturbinenstrahltriebwerk nach Anspruh 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasgenerator (10), die weitere Turbine (11) und-das Gebläse (12) sämtlich koaxial zueinander angeordnet sind.

3· Gasturbinenstrahltriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse (12) innerhalb der axialen Erstreckung des Gasgenerators (10) liegt.

4. Gasturbinenstrahltriebwerk nach Anspruch ^, dadurch g e k e η ·η· ζ e i c h η e t , daß die weitere Turbine (11) auch innerhalb der axialen Erstreckung des Gasgenerators (10) liegt.

5. Gasturbinenstrahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,.

daß wenigstens eine Axialströ'mungsstufe (51*56,75) in der weiteren Turbine vorgesehen ist.

1098 1 1 /0249

162611 a

6. Gasturbinenstrahltriebwerk, nach Anspruch I, dadurch g e k e η η ζ. e i cn η e t , daß die weitere Turbine wenigstens eine Rotorstufe (28,54*71) aufweist, in der die Richtungder Strömung aus"der Radialrichtung in die Axialrichtung oder umgekehrt wechselt.

7. Gasturbinenstrahltriebwerk nach Anspruch 2, - ' dadurch gekennz ei chn et , daß eine Schnecke (50) vorgesehen ist, die die Abgase des Generators nach vorn in einem Ringstrom den Generator umgebend leitet, so daß die weitere Turbine vor dem: stromunter sei tilgen Ende des Gasgenerators angeOrdnet werden kann..

&. Gasturbinenstrahltriebwerk nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η ζ ei. c h η et , daß das Gebläse (12) von Lagern (42,78) auf dem äußeren Gehäuse des Gasgenerators getragen wird. "-.".' ,""-".-. -

9. Gas^irbinenstrahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennz el chn et , · daß das Gebläse (12) mehrere radial verlaufende Schaufeln (41,58) und einen Mantel (45,65) aufweist, der die Schaufeln umgibt; und daß der Mantel von dem Gehäuse des ,Gasgenerators nur durch Streben getragen wird, die sbrOmunterseltig der Geblässschaufeln liegen.- - · ^: : . ν

10 9 a 11 /D2 4

10. Gasturbinenstrahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch "gekennzeichnet,

daß die Abgase der Turbine durch Mischvorrichtungen ausgelassen werden, die bewirken, daß sich die Abgase mit dem Gebläseausgang vermischen.

11. Gasturbinenstrahltriebwerk nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet^ daß die Mischvorrleitungen aus mehreren, in Radialrichtung verlaufenden Auslaßdüsen bestehen.

12. Gasturbinenstrahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Gasgenerator ein Zweiwellengasturbinengasgenerator ""' ist.

1098Ti