DE1800925C3 - Gasturbinen Hubgeblasetriebwerk - Google Patents

Description

Uie hrhndung betrifft ein Gaslurbinen-Hubgebläsciriebwerk, bestehend aus einem zentral angeordneten Ciasturbinen-Gasnerierairir, einem von einer Ge-Mäseturbine angetriebenen, den Gasgenerator umschließenden Gebläse und aus einem das komplette Triebwerk umgebenden Außengehäuse.

Bei einem bekannten llubgebläsetriebwerk dieser Bauart werden die Geblaseschaufeln radial außerhalb der Turbinenschaufeln von diesen getragen und die die beiden Schaufelgruppen tragende Scheibe sitzt am Ende einer Welle, die durch zwei Lager abgestützt ist, von denen eines stromoberseitig der Brennkammer und das andere stromunterseitig der Brennkammer radial innerhalb des Gasgenerators liegt. Diese Wellenlager haben im Vergleich zu dem außerordentlich großen Durchmesser des Gebläses einen relativ -,eringen Durchmesser, so daß selbst ein geringes Lagerspiel bereits zu erheblichen Kippausschlägen der Gebläseschaufeln führen kann. Außerdem ergeben sich infolge des langen Hebelarms, an dem die Kräfte angreifen, außerordentlich hohe Lagerbelastungen, so daß sich Schwierigkeiten im Aufbau und in der Anordnung dieser Lager ergeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Schwierigkeiten zu vermeiden und einen Gebläseaufbau mit einer verbesserten Lagerung der Gebläsewelle zu schafiL-.i.

Gemäß der Erfindung wir¹ diese Aufgabe bei einem Gasturbinen-riub»'::bläsetriebwerk der eingangs genannten Bauart dadu ;h gelöst, daß die Sthaufelreihen des Gebläses und der Gebläseturbine je an den F.ndabschnittcn einer sie verbindenden Welle angeordnet sind, die von einem am Außengehäuse abgestützten, als einreihiges Wälzlager ausgebildeten Ilauptlagcr getragen wird, dessen Durchmesser größer als der des Gasgenerators ist.

Bedingt durch diesen großen Lagerdurchmesser werden Kippmomente günstig aufgenommen und ein etwa vorhandenes Lagerspiel kann sich nur unmerklieh und in viel geringerem Ausmaße auswirken als bei den üblichen innen angeordneten Stützlager!!.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß zur Abstützung der Gebläsewelle eines Hubtriebwerks Wälzlager mit derart großem Durehmesser Anwendung finden können, weil hier die Relativdrehzahl verhältnismäßig gering ist, so daß die Laufgeschwindigkeit der Wälzkörper innerhalb vernünftiger Grenzen gehalten werden kann. Bedingt durch den großen Durchmesser des Lagers genügt zur Absiüuung der Gebläsewellc gegenüber dem Gehäuse ein einziges derartiges Lager. Die Lagerausbildung gewährleistet ferner eine günstige Kühlung, weil die von den Brennkammern herrührende Erwärmung auf eine sehr viel größere Fläche \erteilt wird.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Anordnung derart getroffen, daß die Turbinenschaufeln, die das Gebläse antreiben, solche einer Freilauflurbinc sind, die von den Abgasen aus dem Gasgenerator beaufschlagt wird. Dabei ist die Frcilaufturbine zweckmäßigerweise radial bezüglich ilcs Gasgenerators durchströmt.

Nachstehend werden Ausführungsbcispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt eines Hubgebläsetriebwerks gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

F i g. 2 einen Schnitt eines Hubgcblasetriebwerks gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfinduni'.

Das in Fig. I dargestellte Hubgebläsetriebwerk 1 weist einen Gasturbinengasgenerator 2 auf, der um eine vertikale Achse 3 herum angeordnet ist. Der Gasgenerator! besitzt ein Gehäuse 4, an dessen oberem Ende sich ein Lufteinlaß 5 befindet. Das Gehäuse 4 bildet die Außenwand eines ringförmigen Slrömungskanals 6, in dem in Strömungsrichtung hintereinander ein Niederdruckkompressor 7, ein Hochdruckkompressor 10, eine Verbrennungseinrichtun» 11, eine Hochdruckturbine 12 und eine Niederdruckturbine 13 angeordnet sind. Stromunterseitig der Niederdruckturbine 13 weist der Strömungskanal 6 einen gekrümmten Abschnitt 15 auf, von dem sich ein Teil im wesentlichen radial erstreckt und in einen gekrümmten KanalabschniU 16 übergeht, von dem sich ein Teil in Axialrichtung nach dem stromunterseitigen Ende des Strömungskanals 6 erstreckt.

In dem radial verlaufenden Teil des Kanalabschnitts 15 befindet sich eine Freilaufturbine 20. Die Freilaufturbine 20, die weiter unten im einzelnen beschrieben wird und die von den Abgasen des Gasturbinengasgenc-ators2 angetrieben wird, treibt ihrerseits über eine Antriebsverbindung 23 eine drehbare Wellenanordnung 22 an. Die Antriebsverbindung 23 besitzt einen radial nachgiebigen »Haarnadel«- Querschnitt 24 und ist antriebsmäßig mit dem unleren Endabschnitt 17 der Wellenanordnung 22 verbunden, die parallel zur Achse 3, d. h. axial beziig lieh des Triebwerks 1, verläuft.

Das Triebwerk 1 besitzt ein im wesentlichen zylindrisches feststehendes äußeres Gehäuse 25, das das Außengehäuse eines Gebläsekanals 26 bildet. Innerhalb des Gebläsekana's 26 befindet sich ein Gebläse 27 mit einer Schauie!reihe, die durch die axial verlaufende Wellenanordnung 22 über einen Kegelstumpf 30 angetrieben wird, welch letzterer antriebsmäßig mit dem oberen Endabschnitt 18 der Welle 22 verbunden ist.

Wie aus Fig. I ersichtlich, liegt die Welle 22 in dem Raum zwischen dem ringförmigen Strömungskanal 6 und dem Gebläsekanal 26. Die Welle 22, die somit radial innerhalb des äußeren Gehäuses 25 im Abstand zu diesem liegt, wird von dem äußeren Gehäuse allein dadurch abgestützt, daß sie innerhalb des inneren Laufrings 19 eines Lagers 31 gelagert und von diesem getragen wird. Das I ager 31 hat einen äußeren Laufring 28, der von dem inneren Laufring 19 durch Kugeln 29 distanziert ist, die in RoI!berührung mit den Laufringen 19 und 28 stehen. Der äußere Laufring 28 wird seinerseits durch im wesentlichen radial verlaufende Streben 32 getragen, die am Außengehäuse 25 festgelegt sind. Die Streben 32, die zwischen dem Gebläse 27 und der Freilaufturbine 20 verlaufen, müssen nicht notwendigerweise genau in Radialrichtung verlaufend angeordnet sein, sondern sie können z. B., wie in der Zeichnung dargestellt, vom Außengehäuse 25 schräg nach vorn auf den Lufleinlaß 5 des Triebwerks 1 hin gerichtet sein.

Das Lager 31 liegt außerhalb des unteren Endabschnitts 17 der Welle 22 und in der Nähe desselben. Das Lager 31 liegt ferner in einer Ebene, die den Massenmittelpunkt der Kombination Gebläse 27 und Gasgenerator 2 enthält. Innerhalb der Welle 22 ist ein Lager 33 in der Nähe des oberen Endabschnitts 22 der Welle vorgesehen. Das Lager 33 liegt in einer Ebene, die den Massenmittelpunkt des Gasgenera-

tors 2 enthält. Das Gehäuse 4 des Gasturbinengasgenerators 2 ist innerhalb des Lagers 33 angeordnet und wird von diesem getragen. Das Lager 33 ermöglicht eine relative Drehung zwischen Welle 22 und (iastui binengasgenerutor 2.

lim c^;ne tatsächliche Drehung des Gasturbinengasgenerators 2 zu verhindern, ist der letztere mit Klauen 34 ausgestattet, die mit Klauen 35 am Stator 36 der Freilaufturbine 20 in EingritT stehen. Der Stator 36 ist über Verstrebungen 37 mit den Streben 32 verbunden. Die Klauen 34 und 35 brauchen auf den Gasturbincngasgeneralor 2 nur eine verhältnismäßig leichte Abstützung auszuüben. So kann sich der Gasnirbinengasgenerator 2 nicht drehen, weil er über die Klauen 34, 35, den Stator 36, die Bauteile 37 und die Streben 32 mit dem festen Außengehäuse 25 verbunden ist.

Is ist ersichtlich, daß die Lagen :ig eiriesGasturbineiigasgenerators2 in der beschriebenen Weise sehr viel leichter ist als die Alternative, bei der der Gasgenerator innerhalb eines massiven zylindrischen 'Bauteils gelagert ist, der vom Außengehäuse sowohl über die Streben 32 als auch über sich axial erst reckende Bauteile getragen werden müßte, die sich \oii den Streben wegerstrecken.

So wird die Welle 22, in der der Gasgenerator 2 angeordnet ist, selbst nur durch das einzige l.-iger 31 getragen. Dies ist möglich, weil das Lager 3! einen außergewöhnlich großen Durchmesser im Vergleich mit in der Zeichnung nicht-dargestelllen Lagern hat, die /. B. die Hochdruckwelle bzw. die Niederdruckwelle des Gasgenerators 2 tragen. Deshalb läßt irgendein geringes Spiel im Lager 31 nur eine sehr geringe Schwenkbewegung der Welle 22 zu und dieso*. k! 'ine Spiel wird sogar während des Laufs des Gebläses 22 durch die große aerodynamische Axialbelastung aufgenommen, die vom Gebläse 27 auf die Welle 22 übertragen wird.

Normalerweise wäre es unmöglich, ein Lager 31 mit einem so großen Durchmesser zu benutzen, weil mit F.rhöhung des Lagerdurchmessers die Laufgeschwindigkeit derKugeln29 des Lagers bei gegebener Drehzahl der Welle zunimmt. Im vorliegenden Fall wird jedoch zur Verminderung des Lärms die Drehzahl des Gebläses 27 niedrig gehalten und deshalb braucht das Lager 31 keine hohen Drehzahlen aufzunehmen und es kann daher ein Lager mit einem großen Durchmesser benutzt werden, das die vorstehend erwähnten Vorteile bietet.

Die Freilaufturbine 20 besteht aus drei Reihen 40, 41, 42 Rotorschaufeln, die innerhalb des Kanalabschnitts 15 liegen. Die Rotorschaufeln der Reihen 40, 41 und 42 erstrecken sich axial auf gegenüberliegenden Seiten zentraler Ringkörper 43, 44, 45, von denen ein jeder aus einem massiven Metallkörper und nicht aus einem Rohrkörper besteht, wobei der massive Ringkörper koaxial zum Gasgenerator 2 und demgemäß parallel zur Welle 22 liegt.

Der zentrale Ringkörper 43 ist mit dem Aufbau 23 verbunden, um diesen und damit auch die Welle 22 anzutreiben. Der zentrale Ringkörper 43 ist nicht mit irgendwelchen Lagern versehen und wird nur durch seine Verbindung über den Aufbau 23 mit der Welle 22 abgestützt. Die zentralen Ringkörper 44 und 45 werden ebenfalls nicht durch irgendwelche Lager abgestützt. Die zentralen Ringkörper 43, 44, 45 sind miteinander verbunden. Die Verbindung zwischen den Ringkörpern 43 bis 45 wird von einem massiven scheibenförmigen Metallkörper 48 gebildet, der in einer Ebene im wesentlichen senkrecht zur Achse der Welle 22 liegt.

Die infolge der Zentrifugalkräfte auftretenden Belaslungen und die Ciasbelastungen in den oberen Abschnitten der Schaufeln der Reihen 40 bis 42 suchen letztere um ihre zentralen Ringkörper 43 bis 45 zu verdrillen, so daß ein Drehmoment im Gegenuhrzeigersinn aufgeprägt wird. Dieses Drehmoment

ίο im Gegenuhrzeigersinn wird jedoch im wesentlichen durch ein im Uhrzeigersinn wirkendes Drehmoment ausgeglichen, das infolge der Belastungen erzeugt wird, welche von Zentrifugalkräften und Gaslasten herrühren, die auf die unteren Abschnitte der Schaufein der Reihen 40 bis 42 einwirken. So bewirkt die Anordnung der zentrale^ Ringkörper 43 bis 45 im Gegensatz zu der altenu-'iven Ausbildung, bei der Verbindungen zwischen den Reihen 40 bis 42 an ihren oberen oder unteren Enden vorgesehen werden, eine Kompensierung der Zentrifugal- und Gasbelastungen. Außerdem wird es durch diesen Kräfteausgleich möglich, eine leichtere Lagerung für die Reihen 40 bis 42 zu wählen, als dies anderenfalls möglich wäre. Der Grund dafür liegt darin, daß.

wenn die Ringe an einem Ende der Rotorschaufeln angreifen würden, ein Drehmoment nur in einem Sinne erzeugt würde und der Aufbau müßte hinreichend stark bemessen werden, um diesem Drehmoment widerstehen zu können.

Innerhalb de:, Kanalabschnitts 15 befindet sich eine Verkleidung 46 stromoberseitig der Freilaufturbine 20 und eine Verkleidung 47 ist in dem Kanalabschnitt 16 stromunterseitig der Freilaufturbine 20 vorgesehen. Die Verkleidung 46 unterstützt die Führung der Gasströmung durch den Kanalabschnitt 15 und unterstützt auch die Fuhrung des Strömungsmittels nach den Schaufeln der Reihen 40 bis 42. so daß die Wirkung der Strömungswiderstände, die durch die zentralen Ringabschnitte 43 bis 45 gebildet werden, vermindert wird. Die Verkleidung 47 führt in gleicher Weise die die Reihe 42 verlassende Strömung derart, daß sie um 90 ' umgelenkt wird, wobei ebenso die Wirkung der Strömungswiderstände vermindert wird, die von dem zentralen Ringkörper 45 herrühren.

Falls erforderlich, können die Verkleidungen 46, 47 mit Schaildämpfuugsmaterial (in der Zeichnung ■nicht dargestellt) ausgestattet sein.

Das in Fig. 2 dargestellte Hubgebläsetriebwerk 51 weist einen um eine Vertikalachse 53 herum augeordneten Gasgenerator 52 auf. der ein Innengchäuse 54 besitzt, an dessen oberem Ende sich ein I.ufteiii-Iaß55 anschließt.
Das Jnn.engehau.se 54 formt die Außenwand eines ringförmigen Strömungskanals 56, in welchem in Strömungsrichtung hintereinander ein Niederdruckkompressor 57, ein Hochdruckkompressor 60, eine Verbreniringseinrichtung 61, eine Hochdruckturbine 62 und eine Niederdruckturbine 63 angeordnet sind.

Der Niederdruckkompressor 57 ist mit der Niederdruckturbine 63 über eine Welle 64 verbunden und der FIochdruckkompressor60 ist mit der Hochdruckturbine 62 über eine Welle 65 verbunden. Diese Niederdruck- bzw. Gebläseturbine 63 sitzt auf dem hinteren Endabschnitt 94 der Welle 64.

Das Triebwerk 51 wjeist ein im wesentlichen zylindrisches feststehendes äußeres Gehäuse 66 auf, das den Außenmantd eines Gebläsekanals 67 bildet, 'n

dem Gcbläsckanal 67 befindet sich ein Gebläse 70 mit einer Schaufelreihe, die von der Welle 64 über einen kegelstumpfförmigcn Aufbau 71 angetrieben wird, welch letzterer mit dem oberen Endabschnitt 72 der Welle 64 verbunden ist.

Der kcgelstumpfförmige Aufbau 71 ist mit dem Gebläse 70 über Schaufeln 73 der ersten Stufe des Niederdruckkompressors 57 und einen drehbaren Kanalmantel 74 verbunden. Fig. 2 läßt erkennen, daß das Gebläse 70 und die Welle 64 nur dadurch getragen werden, daß sie innerhalb eines äußeren Laufrings 75 eines Lagers 76 angeordnet sind und von diesem getragen werden. Das Lager 76 besitzt einen inneren Laufring 77, der im Abstand zu dem äußeren Laufring 75 durch Kugeln 80 gehalten wird. Der innere Laufring 77 wird seinerseits von dem Innengehäuse 54 getragen, das seinerseits von dem äußeren Gehäuse 66 über im wesentlichen radial verlaufende Streben 81 abgestützt ist.

Durch die Streben 81 verläuft eine Welle 82. die ein Getriebe 83 oder eine andere Hilfseinrichtung mit den Wellen 64, 65 des Triebwerks 51 verbindet. Das Getriebe 83 liegt in dem äußeren Gehäuse 66. In dem Innengehäuse 54 befindet sich eine Schmiermittclzuführungsvorrichtung und das TricbwerksbrennstofTsystcm, das insgesamt mit dem Bezugszeichen 84 bezeichnet ist. Die Schmiermittelzuführungsvorrichtung schmiert nicht nur das Lager 76, sondern auch das andere Lager des Triebwerks 51, z. B. jene Lager 85. in denen das untere Ende der Wellen 64 und 65 läuft.

Die Welle 64 wird ihrerseits allein durch das einzige Lager 76 abgestützt. Dies ist möglich, weil das Lager 76 einen außerordentlich großen Durchmesser im Vergleich z. B. mit dem Lager 85 besitzt. Die Benutzung eines solch großen Lagers wurde bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 diskutiert und es ist daher unnötig, die Vorteile und Möglichkeiten zu wiederholen.

Die Abgase des Gasgenerators 52 treten in die Atmosphäre über eine Abgasdüse 86 aus, die sich von der Achse 53 des Triebwerks 51 nach außen erstreckt. Die Abgasdüse bildet dadurch einen Abgaskörper. Der Gcbläsekanal 67 endet in einer Schubdüse 90.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Gnsturbinen-Hubgebläsetricbwerk, bestehend aus einem zentral angeordneten Gasturbinen-Gasgenerator, einem von einer Gebläseturbine angetriebenen, den Gasgenerator umschließenden Gebläse und aus einem das komplette Triebwerk umgebenden Atlßengehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelrcihcn des Gebläses (27, 70) und der Gebläscturbine (42,63) je an den Endabschnitten (30,23; 74, 94) einer sie verbindenden Welle (22, 64) angeordnet sind, die von einem am Außengehäuse (25, 66) abgestützten, als einreihiges Wälzlager ausgebildeten Hauptlager (31, 76) getragen wird.

dessen Durchmesser größer als der des Gasgenerators (2, 52) ist.

2. Gasturbinen-Hubgebläsetriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenschaufeln (42), die das Gebläse (27) antreibcn, solche einer Freilaufturbine (20) sind, die von den Abgasen aus dem Gasgenerator (2) beaufschlagt wird.

3. Gasturbinen-Hubgebläsctriebwerk nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Freilaufturbine (20) radial bezüglich des Gasgenerators durchströmt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen