DE1626130A1

DE1626130A1 - Gasturbinentriebwerksanlage

Info

Publication number: DE1626130A1
Application number: DE19681626130
Authority: DE
Inventors: Wilde Geoffrey Light
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1967-02-27
Filing date: 1968-02-26
Publication date: 1970-08-20
Also published as: US3505819A; GB1113087A; FR1554395A

Description

DfPL-ING. GURT WALLACH DR. TINO HAIBACH

.'-■■■■-:. ^: 8MUNCHEN2, 26.Februar I96Ö

UNSERZEiCHEN.

Rolls-Royce Limited, Derby/ Derbyshire, England.
Gasturbinentriebwerksanlage

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinentriebwerksanlage.

Die Erfindung geht aus von einer Gasturbinentriebwerksanlage mit einem ringförmigen Hauptströmungskanal, in dem in Strömungsrichtung hintereinander ein Kompressor, eine Verbrennungseinrichtung

/ eine Turbine zum Antrieb des Kompressors vorgesehen sind| wobei außerdem eine freie Turbine vorgesehen ist und ein ringförmiger Gebläsekanal wenigstens teilweise den Hauptströmungskanal umschließt. ■".""""·.

Gemäß der Erfindung ist eine solche Triebwerksanlage in der Weise ausgebildet, daß der Gebläsekanal· wenigstens zwei Gebiäserotorstufen aufweist, die auf einem gemeinsamen Gebläserotor sitzen
und ohne Statorstufen dazwischen angeordnet sind, und daß der
gemeinsame Gebläserotor. im Betrieb durch die freie Turbine angetrieben wird. ,-'■'

Eine Stufe von Auslaßleitschaufeln ist vorzugsweise in dem Gebläsekanal stromunterseltig der Endstufe des Gebläserotors ange-

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ordnet und der mittlere axiale Abstand zwischen der Endstufe des Gebläserotors und einer Auslaßleitschaufel ist zwei- bis dreimal so groß wie die mittlere Sehnenlänge einer Schaufel der Endstufe des Gebläserotors.

Gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung sind die Schaufeln axial aufeinanderfolgender Gebläserotorstufen umfangsmäiSig gegeneinander um einen Betrag gestaffelt, der wenigstens gleich der Hälfte des umfänglichen Abstandes zwischen benachbarten Schaufeln einer Gebläserotorstufe ist.

Vorzugsweise sind die Schaufeln der Gebläserotorstufen hohl und es sind Mittel vorgesehen, um die Grenzschicht zu beeinflussen.

Die freie Uurbine kann mehrere radial gerichtete Rotorstufen aufweisen.·

Die Turbine kann eine axiale Niederdruckstufe und"eine axiale Hochdruekstüfe aufweisen, die im Gegensinn umlaufen.

Vorzugsweise sind die beiden Axialströmungsturbinenrotorstufen ohne dazwischen befindliche Statorstufe ausgebildet.

Das Verhältnis der Massenströmung von Luft'in dem Gebläsekanal zur Massenströmung der Luft im Haupts trömungslcanal ist vorzugsweise wenigstens 4-:l.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben, die in der einzigen Figur einen teilweisen Längsschnitt einer Gasturbinentriebwerksanlage nach der Erfindung zeigt.

Das in der Zeichnung dargestellte Gasturbinenstrahltriebwerk 1 ist symmetrisch um eine Längsmittelachse A-A angeordnet. Das Triebwerk 1 weist ein äußeres Gebläsegehäuse 2 und ein inneres Gebläsegehäuse 3 auf, zwischen denen ein Gebläsekanal k gebildet ist. Radial innerhalb des inneren Gebläsegehäuses J befindet sich der Hauptströmungskanal 5» der zwischen einem äußeren Gehäuse υ und einem inneren Gehäuse V verläuft. Das stromoberseitige Ende des Gehäuses ^f: trennt dio Einlasse von Gebläsekanal 4 und Hauptströmungskanal 5 voneinander.

I:n Hauptströmungskanal 5 sind axial in ctrömungsrichtung hintereinander ein Niederdruekkompressor ···, ein Hochdruckkompressor S, eine Verbrennungseinrichtung 10, eine Hochdruckturbine "1 und eine Niederdrückturbine 12 angeordnet. Die Hochdruckturbine 11 treibt den Hochdrucklcompressor 9 über eine V.*elLe 12, die eine Welle 14 umgibt. Diese innere Welle verbindet' den liiederdruckkömpressor tr mit der NJBderdruCiCturbine 12. Die Wellen Ij: und 14 drehen sich im Gegensinn*

Die Hochdruckturbineh" 11 und 12 besitzen keine"Statorstufen.

Im Betrieb treten die Abgase der Turbinen in einen ringförmigen Abgaskanal 15 c-in, der S-förmig i:r. Llirigsschiiitt gestaltet ist und der

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een lo umkehrt.

den Gasstrom in einer Richtung nach vorn an dem Bogen Von dem Bogen l6 verläuft der Abgaskanal 15 in Achsrichtung,bis ein weiterer Bogenabschnitt 17 erreicht ist, in dem der Abgaskanal ein zweites Mal um l8o° abgelenkt wird, der dann in einem in Strömungsrichtung nach hinten weisenden Abschnitt 18 und einer divergenten Auslaßdüse 19 endet.

Das stromoberseitige Ende des Abschnitts 17 ist mit einer Stätorstufe 20 ausgestattet, von wo die Gase nach einer Zentrifugal-.turbinenrotorstufe 21,einer RadialstrÖmungsturbinenrotorstufe 22 und am stromunterseitigen Ende des Abschnitts 17 nach einer Axialströmungsturbinenrotorstufe 2J> gelangen. Stromunterseitig der Turbine 23 befindet sich eine Stufe von Auslaßleitschaufeln 2k, von denen jede sich in den Gebläsekanal 4 erstreckt und am äußeren Gebläsegehäuse 2*befestigt ist, wodurch die Gehäuse "3 und. 6 getragen werden.

Im Gebläsekanal k befinden sich außerdem zwei Rotorstufen 25,26, die auf einem gemeinsamen Rotor 27 angeordnet sind. Der Ro'tor 27 wird von Lagern getragen und ist an einer Rotorscheibe 28 festgelegt, auf der die Turbinenrotorstufen 21,22 und 27) sitzen. So treiben diese Rot'orstufen 21,22,2^ die Gebläserotorstufen 25,26 _ an.

Zwischen den Gebläserotorstufen 25,26 sind keine Statorstufen oder andere Zwischenstufen mit Beschaufelung vorgesehen.

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Stromuhterseitig der Gebläserotorstufe 26 befinden sich Auslaßleitschaufeln 24, von-denen die Gebläseluft nach einer Gebläsedüse 29 strömt. ■

Der Abstand zwischen der Gebläserotorstufe 26 und den Auslaßleitschaufeln 24 ist zwei- bis dreimal so groß wie die mittlere Sehnenlängefder Schaufeln der Rotorstufe 26. Die Schaufeln der Gebläserotorstufen 25,26 sind hohl, wodurch eine_ Grenz schicht steuerung z.B. dadurch ausgeübt werden kann, daß eine Saugwirkung und/oder ein Ausblasen an der Hinterkante auftritt. ■ . Die obenbeschriebene Anordnung führt zu einem axial kurzen, aber radial großen Gasturbinentriebwerk und ist deshalb in besonderem Maße für ein Vertikalhubtriebwerk geeignet, das' vertikal, d.h. mit seiner Längsachse,normal zum Boden im Plugzeug montiert ist.

Die vorstehend beschriebene Anordnung besitzt mehrere-Merkmale, die den Geräuschpegel der Triebwerksanläge vermindern sollen. In erster linfe sinkt der Gesamtgeräuschpegel ab, wenn das."Nebenschlußverhältnis" oder das Verhältnis der Massenströmung im Mantelstromkanal zu der Massenströmung im Hauptstromkanal ansteigt. Das beschriebene Triebwerk kann ein Nebenschlußverhältnis in der Größenordnung von 4:1 bis 16:1 haben und gemäß einer bevorzugten Ausbildung liegt das Verhältnis, bei etwa 10:1. ·

Zweitens wird Lärm durch eine Rotorstufe erzeugt, die im Saugbereich des Gasstromes liegt, der von der vorhergehenden Statorstufe, hervorgerufen wurde. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung sind keine Statorstufen oder andere Zwischenstufen mit Beschaufelung zwischen den Gebläserotorstufen 25,26 oder zwischen Hochdruckturbine und ' Niederdruckturbine 11 bzw. 12 vorgesehen. Es sind auch keine Einlaßleitschaufeln für Kompressor und Gebläse vorhanden. Bei der er-

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findungsgemäßen Anordnung liegt die Gebläserotorstufe 25 weit stromoberseitig der Gebläserotorstufe 26. Der Rotorstufenabstand ist derart, daß die Rotorstufen 25*26 unabhängig voneinander arbei-' ten, soweit es,sich" um die Kompression der Luft handelt und da sie nicht relativ zueinander drehbar sind, wird eine Saugwirkung zwischen den Läufern im wesentlichen eliminiert.

Schließlich hat es sich gezeigt, daß die Anwendung von zwei.Gebläserotorstufen 25,26 ohne dazwischenliegende Beschaufelung den Vorteil einer Verminderung der Axiallänge des Triebwerkes ergibt, wobei der Lärm im Vergleich mit Einzelstufengebläsen, die Schaufeln mit großer Sehnenlänge aufweisen, vermindert wird. Dies gründet sidi auf der Tatsache,, daß der Geräuschpegel des Gebläses vermindert wird, wenn der mittlere axiale Abstand zwischen der Endgebläserotörstufe und den Auslaßleitsehaufeln zwischen dem Zweifachen und Dreifachen der Sehnenlänge der Gebläserotorschaufel liegt. Demgemäß wird,-wenn zwei Stufen mit "dünnen" Schaufeln anstatt

einer einzigen Gebläsestufe mit Schaufeln großer Sehnenlänge bevermindert nutzt werden, die axiale Länge des Triebwerkes/und der Abstand beträgt nur das Zwei- bis Dreifache der Sehnenlänge der "dünnen" Schaufeln der Endrotorstufe. Außerdem wird im Vergleich mit einer Einzelgebläsestufe mit Schaufeln großer Sehnenlänge der Lärm weiter vermindert, weil die Machzahl der einströmenden Luft auf der zweiten Stufe vermindert ist, nachdem die erste Gebläsestufe durchlaufen war. Der Lärm ist funktionell von der Machzahl abhängig.

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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die oebXäseläufer 2j> und 26 gestaffelt zueinander angeordnet. Mit anderen Wor-_ ten heißt dies, daß, wenn man axial in den Gebläsekanal 4 hineinschaut, die Schaufeln der Rotörstufe 26 zwischen den Schaufeln der Rotorstufe 25 sichtbar werden. Die Wirkung dieser Anordnung besteht darin, daß die Auslaßleitschaufel.24 etwa die doppelte Zahl von
Luftwirbeln empfängt,als es der Fall ware, wenn keine Staffelung
vorgenommen würde und demgemäß wird auch die Frequenz des Lärms
etwa verdoppelt. Infolgedessen kann dann die Frequenz aus dem
hörbaren Bereich sich entfernen, so daß der wahrnehmbare Geräuschpegel des Triebwerkes weiter vermindert wird* '

Eine Zahl von Bauteilen" des TriebweVkes kann aus synthetischem ·
Kunstharzmaterial hergestellt werden, wobei das Gesamtgewicht des
Triebwerks .vermindert wird.

innerhalb des Rahmens der Erfindung sind weitere Abwandlungen möglich. So könnte das Triebwerk im Hauptströmungskanal5 ein Einwellentriebwerk Sein und nicht ein Zweiwellentriebwerk, wie in der
Zeichnung dargestellt. Außerdem braueht die Gebläserotoranordnung
gemäß der Erfindung nicht mit der dargestellten Umkehrströmungsanordnung im Hauptstromkanal 5 kombiniert zu sein, sondern sie könnte mit einer Gasströmungsanordnung kombiniert werden, bei der die
Gase von der Turbine radial um etwa 90° nach außen und dann wiederum um 90° nach hinten abgeleitet werden,

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Patentansprüche :

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Claims

-. lßAßt3Q.

P a t e η t a"n ε ρ r ü c h e : 1. Gasturbinenstrahltriebwerksanlage mit einem ringförmigen Hauptströmungskarsl, in dem in Strömungsrichtung hintereinander ein Kompressor, eine Verbrennungseinrichtung und eine Turbine zum Antrieb des Kompressors vorgesehen sind, und bei der ein . wenigstens teilweise den Hauptströmungskanal umgebender ringförmiger Gebläsekanal vorgesehen ist, der wenigstens zwei Gebläserotorstufen aufweist, die auf einem gemeinsamen Gebläserotor montiert sind,

dadurch gekennzeichnet, daß der HauptStrömungskanal (5) auch eine freie Turbine (21,22,23) besitzt, die darin gelagert ist, daß der gemeinsame Gebläserotor (27) im Betrieb durch die freie Turbine (21,22, 23) angetrieben wird, und daß die Gebläserotorstufen(25,26) keine Statorstufe zwischen sich besitzen.

2. Triebwerksanlage nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Stufe von Auslaßleitschaufeln (24) in dem Gebläsekanal· (4) stromunterseitig der Endgebläserotorstufe (26) vorgesehen ist, daß der mittlere axiale Abstand zwischen der Endgebläserotorstufe (26) und" einer Auslaßleitschaufel (24) zwei- bis dreimal so groß ist wie die mittlere Sehnenlänge einer Schaufel (26) in der Endgebläserotorstufe..

D 0 9 8 3 U I 0 U 6 3 ^T - ' -■ ■-' - 8AD ORi_GiWÄL

J5. Triebwerksanlage nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln axial aufeinanderfolgender Gebläserotorstufen (25,26) in Umfangsrichtung zueinander in einem. Betrag gestaffelt sind, der etwa die Hälfte zwischen benachbarten Schaufeln der Gebläserotorstufe beträgt.

4. Triebwerksanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k en η ζ e i c h η e t , daß die Schaufeln der Gebläserotorstufen hohl ausgebildet sind und daß Mittel zur Grenzschichtbeeinflussung vorgesehen sind.

5· Triebwerksanlage nach den Ansprüchen 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, '

daß die freie Turbine mehrere RadialstrÖmungsrotorstufen (21,22) besitzt.

6. Triebwerksanlage nach den Ansprüchen 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine eine axiale Niederdruckrotorstufe (12) und eine axiale Hochdruckrotorstufe (.11) aufweist, die im Gegensinn umlaufen.

7. Triebwerksanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Axialströmungstürbinenrotorstufen (11,12) ohne dazwischenliegende Statorstufe aufeinanderfolgen.

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8. Triebwerksanlage nach den Ansprüchen 1 bis '/, dadurch gekennzeichnet ,

daß das Verhältnis der Massenströmung der Luft im Gebläsekanal . (4) zur Massenströmung der Luft im Hauptströmungskanal (5) wenigstens 4:1 ist.

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