DE1814367B2 - Mehrwellen-gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

4. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (28), die den Rotor mit dem Außenring (19) antreibt, mit diesem Rotor im Bereich des stromaufwärtsliegenden Endes des Außenrings verbunden ist.

5. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelkränze (40, 41), die dem einen bzw. dem anderen zweier gegensinnig umlaufender Rotoren eines Verdichterabschnitts angehören, an ihrem inneren Umfang von der einen bzw. der anderen zweier gegensinnig umlaufenden, dem betreffenden Verdichterabschnitt zugeordneten Wellen (26, 27) angetrieben sind, wobei jeder Schaufelkranz eine eigene Antriebsverbindung, die ihn mit der zugehörigen Welle verbindet, besitzt (F i g. 2).

6. Gasturbinentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das als Zweikreis-Strahltrieb- ho werk ausgebildet ist, bei dem in einem getrennten Strömungskanal durch ein Gebläse mit wenigstens einem rotierenden Schaufelkranz Luft gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelkranz (2) des Gebläses mit dem einen (19) der Rotoren des stromaufwärtsliegenden Verdichterabschnitts (11) drehfest verbunden ist.

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinentriebwerk mn einer Turbine und einem Axialverdichter, der aus η (hierbei η > 2) in Strömungsrichtung hintereinander angeordneter, koaxialen Verdichterabschnitten besteht. iobei jeder Verdichterabschnitt von zwei gegens.nrug Umlaufenden Verdichter-Rotoren mit jewe.ls mehreren Schaüfelkränzen gebildet wird, die so angeordnet sind, daß jeweils zwei benachbarte Schaufelkranze gegensinn?e umlaufen, und wobei die Turbine von mindestens zwei voneinander unabhängigen gegens.nmg umlaufenden Turbinenrädern gebildet wird.

Die Verwendung von gegensinnig umlaufenden Verdichter-Rotoren erlaubt eine Vergrößerung des Verdichtungsverhältnisses pro Stufe, so d,ß be, gleichem Gesamtdruckverhältnis und unter Bedmgungen die aerodynamisch akzeptabel sind, die Anzahl der Verdichterstufen verringert werden kann Die Unterteilung des Verdichters in mehrere unabhängige Verdichterabschnitte trägt der Tatsache Rechnung daß das Verhältnis h/r_m (mit A als Sehaulclhohc und ,,, als mittlerem Radius der Schaufeln), das eine charaktenM.. sehe Größe für die mechanische Belastbarkeit der Schaufeln durch Zentrifugalkräfte ist m den vorderen Stufen Kroßer als in den hinteren Stufen ist. so daß die Drehzahl- der verschiedenen Verd.chierabschmtio entsprechend angepaßt werden können.

B»i einem vorbekannten Gasturbinentriebwerk dci eingangs angegebenen Ar, (GB-PS 5 86 277) sind dm Verdichterabschniltc vorgesehen, die jeweils aus einem inneren Verdichter-Rotor und einem äußeren Verdich ter-Rotor zusammengesetzt sind. Zum Antrieb der drei Verdichterabschnitte sind /wci gegensinnig umlaufende Turbinenräder (mit insgesamt die, SchaufelkrSn/en) vorgesehen. Das eine Turbinenrad treibt über cmc zentrisch angeordnete Welle die inneren Vcrd.chtcr-Rotoren des ersten und des dritten Vcrdichtcrabschnius an, während das andere Turbinenrad über eine die Brennkammer von außen übergreifende Hülse die äußerer. Verdichter-Rotoren des zweiten und dritten Verdichterabschnitts antreibt. Der äußere Verd.chter-Rotoi des ersten Verdichierabschnitts und der innere Verdichter-Rotor des zweiten Verdichterabschmits schließlich laufen gemeinsam um. In diesem Fall besteht nur der erste und dritte Verdichterabschnitt aus gegensinnig umlaufenden Rotoren, während im zweiten Verdichterabschnitt beide Rotoren gleichsinnig _ wenn auch mit unterschiedlichen Drehzahlen - umlaufen. Em weiterer Nachteil besteht darin, daß die inneren Verdichter-Rotoren des ersten und dritten Verdichterabschnitts die gleiche Drehzahl haben, so daß einer Anpassung der Drehzahlen der verschiedenen Verdicht-rabschnitte an das Verhältnis h/r_m Grenzen gesetzt sind. Schließlich ist die Antriebsverbindung zwischen den Turbinenrädern und den Verdichterrotoren - insbesondere im Hinblick auf die die Brennkammer von außen umgreifende Hülse - wenig vorteilhaft. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gasturbinentriebwerk der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß die Antriebsverhindnng zwischen den Turbinenrädern und den Verdichter-Rotoren vereinfacht wird und dennoch eine weitgehende Freiheit in der Wahl der Drehzahlen der einzelnen Verdichterabschnitte gegeben ist.

Dies wird bei einem Gasturbinentriebwerk mit den eingangs angegebenen Merkmalen erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Turbine η + 1 voneinander unabhängige, jeweils gegensinnig umlaufende Turbinenräder aufweist, die mit π + 1 koaxial ineinander

angeordneten Wellen verbunden sind, und daß jedes Turbinenrad über die zugehörige Welle mit zwei aufeinanderfolgenden Verdichter-Rotoren verbunden ist, wobei jedoch das erste und letzte Turbinenrad jeweils nur mit einem Verdichter-Rotor verbunden ist.

Auf diese Weise werden als Antriebsverbindung zwischen den Turbinenrädern una den Verdichter-Rotoren ausschließlich koaxial ineinander angeordnete Wellen verwendet, die somit einen übersichtlichen, raumsparenden Aufbau ermöglichen. Dennoch, da mehr TurbinenrSder als Verdichterabschnitte vorgesehen sind, können die Drehzahlen der einzelnen Verdichterabschnitte in sehr weiten Grenzen gewählt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. _1;j

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematisierten Längsschnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Zweikreis-Strahltriebwerk,

Fig. 2 eine der F i g. 1 entsprechende Ansicht einer anderen Ausführungsform,

Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie lll-lll der F ig. 2.

Die F i g. 1 zeigt ein Zweikreis-Sirahltriebwerk mit einem Gehäuse 1. Ein Einiriitslaufrad 2, das aus einem Strömungskanal 3 Luft ansaugt, fördert Luft in einen äußeren Kreis 4 und einen dazu parallel geschalteten inneren Kreis 5, die voneinander durch eine Wand 6 getrennt sind.

Die Luft des inneren Kreises wird in einem aus mehreren Abschnitten bestehenden Verdichter 7 mit gegensinnig umlaufenden Schaufelkrän/en verdichtet, in einer Brennkammer 8 verbrannt und danach in einer Gasturbine 9 entspannt. Am Ausgang der Turbine werden die Verbrennungsgase durch einen Strömungskanal 10 einer Strahldüse (nicht dargestellt) zugeführt.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Verdichter 7 zwei Abschnitte 11,12 auf; es versteht sich jedoch von selbst, daß die Erfindung nicht auf diese Zahl beschränkt ist. Die Turbine 9 besteht aus drei unabhängigen Laufrädern 13, 14, 15. Die Zahl dieser Laufräder ist somit um Eins größer als die Zahl der Verdichterabschnitte. Von den drei Laufrädern 13, 14, 15 rotieren jeweils zwei benachbarte in entgegengesetzter Richtung. Die dargestellten feststehenden Leitschaufelkränze 16,17 sind nicht unbedingt erforderlich, da die Laufräder 13,14,15 gegensinnig umlaufen.

Der erste Verdichterabschnitt 11 besteht aus zwei Rotoren 18, 19, die in entgegengesetzter Richtung umlaufen. Die Schaufelkränze der beide" Rotoren sind mit den Bezugsziffern 20, 21 bezeichnet. Die Schaufelkränze 21 des äußeren Rotors sind an ihrem äußeren Umfang mit einem gemeinsamen Außenring verbunden.

Der zweite Verdichterabschnitt 1? ist genauso wie der erste Verdichterabschnitt 11 ausgebildet und weist somit zwei gegensinnig umlaufende Rotoren 22, 23 mit Schaufelkränzen 24, 25 auf, wobei der äußere Rotor ebenfalls mit einem gemeinsamen Außenring verbunden ist. <■*

Die Laufräder der Turbine und die verschiedenen Verdichterabschnitte sind durch Wellen 26, 27. miteinander verbunden. Die Welle 26 verbindet das Hochdruckrad 13 der Turbine mit dem inneren Rotor des Hochdruck-Verdichterabschnitts; die Welle 27 6s verbindet das Mitteldruckrad 14 der Turbine mit dem äußeren Rotor 23 des Hochdruck-Verdicliterabschnitls sowie mit dem inneren Rotor 18 des Niederdruck-Verdichterabschnitts; die Welle 28 verbindet das Niederdruckrad 15 der Turbine mit dem äußeren Rotor 19 des Niederdruck-Verdichterabschnitts. Die Welle 28 treibt außerdem das Eintrittslaufrad 2 an. Allein das Mitteldruekrad 14 treibt gleichzeitig zwei Rotoren an, die zwei aufeinanderfolgenden Verdichterabschnitten angehören. Die beiden.anderen Turbinenräder 13 und 15 treiben dagegen jeweils nur einen einzigen Verdichterrotor an. Allgemein arsgedrückt: Bei einem Triebwerk, das η + 1 Turbinenräder aufweist, treiben allein die π — 1 mittleren Turbinenräder gleichzeitig zwei zu aufeinanderfolgenden Verdichterabschnitten gehörenden Rotoren an, während die beiden äußeren Turbinenräder jeweils nur einen einzigen Rotor antreiben.

Die Zentrierung der verschiedenen rotierenden Bauteile wird nun erläutert. Die Welle 26, die den inneren Rotor 22 des Hochdruck-Verdichterabschnius antreibt, ist durch ein vorderes Lager 29, das von einem stromaufwärts liegenden Flansch des äußeren Rotors des Hochdruck-Verdiehterabschniits getragen wird, und durch ein hinteres Lager 30. das sich am Gehäuse abstützt, gelagert.

Die Welle 27, die den äußeren Rotor 23 les Hochdruck-Vcrdichterabschnitis und den inneren Kuim i8 des Niederdruek-Verdichterabschnius antreibt, besieht aus zwei Abschnitten, die durch eine Keilnunerbindung 31 miteinander verbunden sind. Der stromaufliegende Abschnitt 27:i dieser Welle, der die beiden Rotoren miteinander verbindet, ist durch ein vorderes Lager 32 und ein hinteres Lager 33. die sich am Gehäuse abstützen, gelagert.

Der stromabwärtslicgende Abschnitt der Welle 21, der vom Turbinenrad 14 weggeht, ist vorne durch die Keilnutverbindung 31 und hinten durch ein Lager 34. das sich an der Welle 28 abstützt, gelagert.

Die Welle 28, die das Eintrittslaufrad 2 und den äußeren Rotor 19 des Niederdruck-Verdichterabschnitts antreibt, wird durch ein Lager 35. das in dein vorderen Lagerzapfen des inneren Rotors des Niederdruck-Verdichterabschnitts angeordnet ist, und durch ein hinteres Lager 36, das sich am Gehäuse abstützt.

gelagert.

Der äußere Rotor 23 des Hochdruck-Verdichterabschnitts ist vorne mittels einer Keilnutverbindung 37 auf der Welle 27.·* und hinten durch ein Lager 38, das sich aiii Gehäuse abstützt, gelagert.

Die Lager 29, 33, 34, 35 und 38 sind vorzugsweise Rollenlager, während es sich bei den Lagern 30, 32, vorzugsweise um Kugellager handelt.

Wie bereits erwähnt, hat ein derartiges Triebwerk den Vorteil, daß nur eine beschränkte Anzahl von unabhängigen Wellen zwischen der Turbine und dem Verdichter verwendet wird, daß eine bessere Lastaufteilung zwischen den verschiedenen Bauteilen des Verdichters und der Turbine erzielt wird und daß in sämtlichen Verdichtcrabschnitten mit höherem Wirkungsgrad als bei den bekannten Triebwerken gearbeitet wird. Ferner ist der innere Rotor 22 des Hochdruck-Verdichterabschnitts »frei«, d.h., er ist das einzige Bauteil, das (über die Welle 26) vom Hochdruck-Turbinenrad 13 angetrieben wird. Seine Drehzahl wird somit nicht durch einen mit ihm gekoppelten Rotor mit Außenring begrenzt, einen Rotor also, der aufgrund seines Außenrings erhöhten Zentrifugalkräften ausgesetzt ist. Durch diesen inneren Hochdruck-Verdichterrotor verfügt man somit über einen Verdichterteil, den man bis an die Grenzen seiner

Möglichkeit ausnutzen kann, was dem Gesamtwirkungsgrad zugute kommt.

Die F i g. 2 betrifft eine weitere Ausführungsform der Erfindung. In dieser Figur findet man die in der Fi g. I gezeigten wesentlichen Bauteile wieder, für die dieselben Bezugsziffern verwendet wurden, und zwar das Eintrittslaufrad 2, den Verdichter 7 mit zwei Abschnitten 11, 12, die Turbine 9 mit unabhängigen Laufrädern 13, 14, 15 und die Wellen 26, 27, 28. Wie im Fall der F i g. 1 wird der Rotor 19 (mit dem Außenring) des Niederdruck-Verdichterabschnitts 11 gemeinsam mit dem Eintrittslaufrad 2 vom Niederdruck-Laufrad 15 der Turbine 9 über die Welle 28 angetrieben, während der innere Rotor 18 dieses Verdichierabschnitts über die Welle 27 vom Mitteldruck-Laufrad 14 der Turbine angetrieben wird.

Die in dieser Figur dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in der Fig. 1 dargestellten im wesentlichen durch den Aufbau des Hochdruck-Vcrdichterabschniüs 12 und den Antrieb der gegensinnig rotierenden Schaufclkränzc 40, 41 des Verdichters durch die Hochdruck- und Mittcldruck-Laufräder 13,14 der Turbine 9. Zweck dieser Anordnung ist einerseits, den Außenring des Hochdrtick-Verdichterabschnilts überflüssig zu machen, und andererseits gegensinnig rotierende, unabhängige Schaufelräder vorzusehen, die getrennt voneinander steuerbar sind, so daß höhere Drehzahlen und somit eine Steigerung des Druckverhältnisses pro Stufe möglich sind.

Wie die F i g. 2 zeigt, werden die Schaufclkrän/c 40,

41 des Hoctidruck-Verdichterabschnitts von Scheiben

42 b/w. 43 getragen, die unabhängig voneinander mittels Kugellager 44, 45 im Gehäuse gelagert sind. Diese Scheiben weisen jeweils einen axialen Ansatz auf. der in einem innenverzahnten Rad 46 (für die Scheiben 42) bzw. 47 (für die Scheiben 43) mündet, jedes der Zahnräder 46 steht mit einem Ritzel 48 in Eingriff, das mit einer Welle 49 dichfest verbunden ist. Die Welle 49 ist mittels Lager 50, 51 im Gehäuse gelagert. In gleicher Weise steht jedes Zahnrad 47 mit wenigstens einem Ritzel 52 in Umgriff, das mit einer Welle 53, die mittels Lager 54, 55 im Gehäuse gelagert ist, drehfest verbunden ist. Die Anzahl der Ritzel 48, 52. die den Zahnrädern 46,47 zugeordnet sind, beträgt vorzugsweise drei pro Zahnrad; die Ritzel sind über den Umfang verteilt angeordnet.

jede der Wellen 49 und 53 ist mit einem zusätzlichen Zahnrad 56 bzw. 57 drehfest verbunden, die an dem der Turbine zugewandten Ende der betreffenden Welle angeordnet sind.

Die Ritzel 56, deren Anzahl im gewählten Beispiel drei beträgt (s. Fi g. 3), stehen mit einem innenverzahnten Zahnrad 58 in Eingriff, das mit der Welle 26 fest verbunden ist. In gleicher Weise stehen die Zahnräder 57, deren Zahl ebenfalls drei beträgt, mit einem weiteren innenverzahnten Zahnrad 59 in Eingriff, das mit der Welle 27 drehfest verbunden ist.

Die Welle 28, die den äußeren Rotor 19 des Niederdruck-Verdichterabschnitts sowie das Einlrittslaufrad 2 antreibt, ist vorne mittels eines Lagers 60 und hinten mittels eines Lagers 61 gelagert, die sich beide am Gehäuse abstützen. Die Welle 27, die den inneren Rotor 18 des Niederdruck-Verdichierabschnitts und die Schaufelkränze 41 des Hochdruck-Verdiehterabschnitls antreibt, ist vorne mittels eines Lagers 62, das sich am Gehäuse abstützt, und hinten mittels eines Lagers 63, das von der Welle 28 getragen wird, gelagert. Die Welle 26, die die Schaufelkränze 40 antreibt, ist im Gehäuse mittels zweier Lager 64, 65 gelagert. Die Lager 60, 62, 64 sind vorteilhafterwcise Kugellager, während die Lager 61,63,65 vorzugsweise Rollenlager sind.

Im Betrieb treibt das Hochdruckrad 13 der Turbine das Zahnrad 58 und somit über die Zahnräder 56,48 und 46 die Schaufelkränze 40 des Hochdruck-Verdichterabschnitts an.

Das Mitteldruckrad 14 der Turbine treibt in umgekehrter Richtung über die Welle 27, das Zahnrad 59, die Zahnräder 57 und 52 und die Zahnräder 47, die Schaufelkränze 41 des Hochdriick-Verdichterabschnitts an.

Die Übersetzungsverhältnisse zwischen den Zahnrädern 48 und den Zahnrädern 46 bzw. zwischen den Zahnrädern 52 und den Zahnrädern 47 sind im dargestellten Beispiel für sämtliche Stufen des Hochdruckabschniits gleich; es versteht sich jedoch von selbst, daß diese Verhältnisse den jeweiligen Verhältnissen entsprechend für jede Stufe gesondert gewählt werden könnten.

Der Verzicht auf die äußere Hülse im Hochdruck-Vcrdichtcrabschnitl gibt, wie bereits erwähnt, die Möglichkeit, die Drehzahl der Schaufclkränzc zu erhöhen, somit das Gcsamtvcrdichtungsvcrhältnis des Verdichters zu vergrößern und somit bei gegebener Temperatur am Eintritt der Turbine den Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks zu verbessern.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Gasturbinentriebwerk mit einer Turbine und einem Axialverdichter, der aus π (hierbei /7 5= 2) in Strömungsrichtung hintereinande- angeordneten koaxialen Verdichterabschnitten besteht, wobei jeder Verdichterabschnitt von zwei gegensinnig umlaufenden Verdichter-Rotoren mit jeweils mehreren Schaufelkränzen gebildet wird, die so angeordnet sind, daß jeweils zwei benachbarte Schaufelkränze gegensinnig umlaufen, und wobei die Turbine von mindestens zwei voneinander unabhängigen, gegensinnig umlaufenden Turbinenrädern gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (9) η + 1 voneinander unabhängige, jeweils gegensinnig umlaufende Turbinenräder (13— 15) aufweist, die mit η + 1 koaxial ineinander angeordneten Wellen (26-28) verbunden sind, und daß jedes Turbinenrad (14) über die zugehörige Welle (27) mit zwei aufeinanderfolgenden Verdichter-Rotoren (18, 23) verbunden ist, wobei jedoch das erste und letzte Turbinenrad (13 bzw. 15) jeweils nur mit einem Verdichter-Rotor (22 bzw. 19) verbunden ist.

2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch I. bei dem jeder Verdichterabschnitt aus einem inneren Rotor und einem äußeren Rotor besteht, wobei der innere Rotor über eine erste Welle, die am inneren Umfang der den Rotor bildenden Schaufelkränzc angebracht ist, und der äußere Rotor über eine zur ersten Welle koaxialen zweiten Welle und einen Außenring, der am äußeren Umfang der den äußeren Rotor bildenden Schaufelkränze angebracht ist, antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die vom gleichen Turbinenrad angetriebenen beiden Verdichter-Rotoren (18, 23). die zwei aufeinanderfolgenden Verdichterabschnitten angehören, von einem inneren und einem äußeren Rotor gebildet werden.

3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Rotor (18) stromaufwärts vom äußeren Rotor (23) angeordnet