DE1960479A1

DE1960479A1 - Gasturbinentriebwerksanlage

Info

Publication number: DE1960479A1
Application number: DE19691960479
Authority: DE
Inventors: Wilde Geoffrey Light
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1968-12-04
Filing date: 1969-12-02
Publication date: 1970-08-06
Also published as: FR2025182A1; US3620009A; GB1229007A; DE1960479B2

Description

Patentanwalt Dipl. .ir. u.β. Koch ■ Dr. T. Heibach 2. Dez. 1969

M&icSran 2
kiufmfler8tr.8jel.24027ö

ROLLS-ROYCE LIMITED
Derby, Derbyshire, Grossbrintannien

Gasturbinentriebwerksanlage

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinentriebwerksanlage und insbesondere eine Triebwerksanlage mit einem Turbogebläse, in welchem ein Gebläse von einer Turbine angetrieben wird, welche ihrerseits durch die Abgase eines Gasgenerators betrieben wird.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, den Geräuschpegel derartiger Triebwerksanlagen dadurch herabzusetzen, dass gleichzeitig ein Triebwerk mit einem hohen Nebenstromverhältnis geschaffen wird, wobei die mit niedriger Drehzahl umlaufende Gebläs^einheit zwei im Abstand von einander angeordnete Gebläse umfasst und wobei zwischen den Gebläsen praktisch keine Sogwirkung besteht.

Obwohl es bereits bekannt ist, eine Gasturbinentriebwerksanlage zu schaffen, welche eine Gasgeneratorleitung enthält, die in axialer Strömungsrichtung einen Gasgenerator und eine freie Turbine oder freie Turbinen sowie eine diese Gasgeneratorleitung mindestens teilweise umgebende Gebläseleitung umfasst, können diese Triebwr-rksanlagen nicht alle oben genannten ßwacke erfüllen,,

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gebläse le it änp;

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zwei im axialen Abstand voneinander angeordnete Gebläse umfasst, derart, dass zwischen diesen beim Betrieb praktisch keine Sogvrirkutig zustande kommt, wobei eines der Gebläse antriebsmässig mit dem Gasgenerator und das andere antriebsmässig mit den freien Turbinenmit·· teln verbunden ist.

Vorzugsweise umfasst der Gasgenerator in Strcmungsrichtung Verdichter für Nieder-, Zwischen-, bzw. Hochdruck, v/obei jeder Verdichter antriebjsmässig mit eigenen Turbinen verbunden ist« In einer bevor-, ■k zugten Anordnung ist das stromaufwärtige Gebläse antriebsmässig mit der Zwischendruckturbine verbunden.

Die Antriebsverbindung zwischen der Zwiscjjendruckturbirie und dem stromaufwärtigen Gebläse kann eine innerhalb der Strömungsleitung des Gasgenerators angeordnete Welle umfassen, auf welcher ein Hing von drehbaren Schaufeln angeordnet ist, welche sich in die· äussere Wandung der Strömungsleitung des Gasgenerators erstrecken und an derselben befestigt sind, wobei diese äussere Wandung zur Rotation mit dem stroraaufwärtigen Gebläse verbunden ist.

™ In einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung trägt die äussere V/an dung mindestens zwei weitere Kränze rotierbarer Schaufeln, welche in der Strömungsieitung des Gasgenerators angeordnet sind, wobei einer dieser Kränze stromaufwärts der stromaufbärtigsten Stufe dec Niederdruckverdichter liegt und an der inneren Wandung der Strömungsleitung des·Gasgenerators sur Rotation mit derselben befestigt ist.

Jedes Gebläse kann ein einstufiges Gebläse sein, wobei-die Geblö'ss-leitung vorzugsweise nicht durch eine stromaufwärts des strotnsnfwärtigen Gebläses liegende St?torstufe abgedeckt ist.

Ein Statorkranz kann zwischen clen beiden Geb2"3en ir. der Gebläse-

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leitung angeordnet sein.

Vorzugsweise sind die Statoren so angeordnet, dass sie ale Last zwischen dem die Gebläseleitung bildenden GeblMsegehä'use und dem die Strömungsleitung des Gasgenerators bildenden Hauptgehäuse auf- , nehmen.

Das Gebläsegehäuse kann eine Schalenkonstruktion sein. Dadurch 'wird es möglich, das Gebläsegehäuse unmittelbar mit dem Aufbau eines Flugzeugs zu verbinden, wenn die Triebwerksanlage der Erfindung in einem Flugzeug eingebaut werden soll.

Ein Kranz von Auslassleitschaufeln kann stromabwärts des stromabwHrtigen Gebläses angeordnet sein, wobei die Schaufeln eine Düse fUr die Gebläseleitung bilden.

Die freie Turbine ist vorzugsweise eine dreistufige Turbine, wobei eine der Stufen an ihrem a'usseren Ende mit einem rotierbaren Teil der inneren Wandung der Gebla'seleitung verbunden jet, nuf welchc-H'Toil das stromabwärtige Gebläse zur Rotation damit montiert ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgernden, beispielsweisen Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnung horvor, welche einen Längsschnitt durch eine Hälfte einer erfindungsgemässen Gasturbinentriebwefksanlage darstellt.

Die Zeichnung zeigt eine Gasturbineutriebswerksanlage 10 mit einer ISngsweise verlaufenden, mittigen Symmetrieachse 11 , welche auch die Rotationsachse der umlaufenden Teile des Triebwerksanlage 10 bildet.

Die Triebwerksanlage 10 hat zwei ringförmige, im wesentlichen

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konzentrische Strömungsleitungen, nämlich eine Ströfflungsleitung für den Gasgenerator 12 und eine Strömungsleitung 13, die die Strötnungsleitung 12 des Gasgenerators-umgibt. Diese beiden Strömungsleitungen 12 und 1j5 werden durch die entsprechenden inneren und h'usseren Itfandungen der Strömungsleitung des Gasgenerators bzw* des Gebläsege·= häuses gebildet. ·

In der Hauptleitung 12 befinden sich, in Strönmngsrichtung, ein vierstufiger Niederdruckverdichter 15, ein sechsstufiger Hochdruck·= verdichter 16, eine Verbrennungsanlage 17, eine einstufige Hochdruckturbine 18, eine dreistuf ige Zwischendruckturbine 19 und eine ein.™ stufige Niederdruckturbine 20.

Die Hochdruckturbine 18 ist über eine Wellenleitung 22 mit dem Hochdruckverdichter \6 verbunden; die Niederdruckturbine 20 1st Über eine konzentrisch in der Wellenleitung 22 angeordnete Wellenleitung 23 mit dem Niederdruckverdichter 15 verbunden. Die Zwischen—. druckturbine 19 ist durch e'ine Welle 2k, welche radial zwischen äen beiden Wellenzugen 22 und .23 und konzentrisch zu diesen liegt, mit einem Kranz von Schaufeln 26 verbunden, der in der Strömungsleitung 12 des Gasgenerators dicht stromabwärts der letzten Stufe des Niederdruckverdichters I5 angeordnet ist.

Das äussere Ende des Schaufelkranzes 26 ist in einem Stück mit jenöu Teil der äusseren Wandung der Gebläseleitung 12 gebaut* der sich von dieser Stelle stromaufwärts erstreckt. An dieser Wandung ist ein Kranz von Schaufeln 29 befestigt, der axial zwischen dor drittel"; und vierten Stufe des Niederdruckverdichters 15 liegt und ein weiterer Kranz von Schaufeln 30 ist stromaufwärts der stroraaufwäi'tigston Stufe des Niederdruckverdxchters 15 angeordnet« Die inneren

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Enden des Ringe 30 sind mit einem Teil 31 der inneren Wandung der Strömungsleitung 12 des Gasgenerators verbunden und rotieren mit diesem. Die Schaufelringe 30, 29 und ZS arbeiten mit der angesaugten Luft und wirken daher gewissermassen als Zwischendruckverdichter.

Stromabwärts der Niederdruckturbine 20 befindet sich eine freie Turbine 35 mit drei Eotorstufen 36, 37 und 38. Abwärts der Rotorstufe 38 ist ein Kranz von Auslassleitschaufeln 39 angeordnet, aus welchem die Abgase beim Betrieb in eine nicht dargestellte Abgasleitung und eine ebenfalls nicht dargestellte Düse strömen.

In der GeblSseleitung 13 befindet sich ein stromauf war tig.es einstufiges Gebläse kO, welches von einer sich schräg erstreckenden Welle oder Strebe 4-1 angetrieben wird, die zwischen dem äusseren Ende des Schaufelkranzes 29 und dem innerßn Ende des Gebläses liegt. Es ist zu bemerken, dass das Gebläse kO radial mit dem Schaufelkranz fluchtet und somit stromaowärts der stromaufwärtigen Kante der Gebläseleitung 13 liegt. Stromaufwärts der Gebläsestufe *fO befindet sich kein Stator und keine Einlassleitschaufeln; wie im folgenden erklärt wird, hat dies eine gute Wirkung auf die Verringerung des von der Gebläseleitung 13 kommenden Geräuschpegels.

In der Gebläseleitung 13 ist ein zweites einstufiges Gebläse k5 angeordnet, welches von einer Rotorstufe 37 der freien Turbine 35 angetrieben wird, wobei der Antrieb dadurch Übertragen wird, dass das aus sere Ende des Kranzes 37 an einem Teil h-6 der inneren Wandung der Gebläseleitung 13 befestigt ist und mit diesem umläuft, wobei die Schaufeln der Gebläsestufe h*? am selben Wandungsteil kS befestigt sind.

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Wie zu ersehen ist, liegt die Gebläsestufe k5 axial hinter der Niederdruckturbine 20 und fluchtet in wesentlichen radial ait der stromaufwärtigen Stufe 36 der freien Turbine 35. Die beiden ein«· stufigen Gebläse *fO und ^5 stehen daher in einem wesentlichen axialen Abstand voneinander, wobei der Abstand derart ist, dass es beim Betrieb zu keiner Sogwirkung zwischen diesen beiden Gebläsen kommen kann, wie im Einzelnen im folgenden erläuter'. ist.

Zwischen der äusseren und inneren Wandung der Gebläseleitung 13 befindet sich ein Hing von Streben k3 und stromabwärts dieses - . Ringes befindet sich ein Statorkranz *t9. Die Statoren des Kranzes k9 sind spiralenförmige Statoren, welche in der das stromauf wärtige Gebläse verlassenden Luft eine gewisse Turbulent schaffer. Ausserdem sind nicht dargestellte Mittel vorgesehen, um einen Grenzschichtsog an den entsprechenden Hinterkanten der Statoren 49 zu schaffen, um den Sog zu unterdrücken oder zu verringern. Die Kränze kB und k9 sind so aufgebaut, dass sie einen lasttragenden Aufbau zwischen dem Gebläsegehäuse und dem Haupttriebwerksgehäuse bilden. Um die Last auf zufriedenstellende Art und Weise auf die Statoren zu verteilen, ist das GeblMsegehäuse eine Schalenkonstruktion, die unmittelbar mit dem Aufbau des Flugzeugs verbunden sein kann.

Stromabwärts des hinteren Geblases A-5 ist ein Kranz von Auslassleitschaufeln 50 angeordnet? diese Auslassleitschaufeln 50 können einen DUsenaufbau für die Gebläseleitung 13 bilden.

Mit Hinsicht auf die vorangehende Beschreibung des Aufbaus der erfimdungsgemässen Triebwerksanlage soll eine Anzahl von Vorteilen hervorgehoben werden, welche diese Konstruktion vom Standpunkt

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der Wirksamkeit und des geringen Geräuschpegels kennzeichnen.

Es ist zu ersehen, dass jedes Gebläse von-einer vielstuf ige:-. Turbine angetrieben wird, sodaes die Drehzahl des Gebläses verhältnismässig niedrig gehalten werden kann und die Gebläsespitzen eine für eine hohe Leistung annehmbare Geschwindigkeit haben. Die Verwendung von vier selbstständigen Antriebswellen ermöglicht es, die Leistungen der Verdichter und Gebläse auf ein HÖchstmass zu bringen, wobei diese Teile unabhängig voneinander und mit ihren optimalen Drehzahlen umlaufen.

Die erfindungsgemässe Triebwerksanlage ist auf ein hohes NebenstromverHKltnis, a.B. im Bereich von 2-6_f ausgelegt und bei Triebwerken dieser Art stellt das vom Gebläse oder von den Gebläsen herrührende Geräusch einen beträchtlichen Anteil des gesamten Geräusches dar. Ee hat sich nun herausgestellt, dass sich durch die Verwendung von einstufigen Gebläsen ohne Einlassleitschaufeln ganz beträchtliche Verringerungen im Gesamtgeräusch der Gebläse erzielen lassem. Wenn jedoch nur ein einstufiges Gebläse gebraieht wttrde, würde das notwendige Druckverhältnis eine verhältnismässig hohe Gebläse-

dreheahl erforderlich machen, die ihrerseits wiederum ein verhältnismässig grosses Geräusch bedingt. -

Erfindungsgemäss wird die Verdichtung durch zwei im Abstand voneinander angeordnete Gebläsestufen erzeugt. Wenn diose beiäsn Stufen nahe bei einander angeordnet wären, würde es zwar zu einer gewiesen Verminderung des Gesaratgeräusches im Vergleich mit einer einzigen Stufe kommen, u.zw. infolge der Verkleinerung der Drehsahl_t wobei dabei aber das Gesamtgeräusch durch die Wechselwirkung awischen den Sögen der aufeinander folgenden Stufen grosser wird.

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Dadurch j dase die beiden Stufen kO und k5 dee Gebläses genügend weit von einander entfernt sind, wird die Wechselwirkung zwischen den Sägen bedeutend vermindert, sodass auch der Geräuschpegel des. Gebläses wesentlich geringer ist. . ■

Ausserdem rotiert bei einstufigen Gebläseanordnungen die Nabe oder Wurzel des Gebläses im Vergleich mit seiner Spitze verhältniemässig langsam und dies erfordert den Einsatz einer sehr gewölbten oder gekrümmten Schaufel an der Nabe. Dieser stark gekrümmte Abschnitt stellt aber eine Quelle erhöhten Geräusches dar, infolge der ■| Relativgeschwindigkeit von Luft und Schaufel an diesem Schaufelteil.

Die Verwendung eines zweistufigen Gebläses beseitigt diesen Nachteil, da hier das GGSchwindigkeitsvorhSltnie zwischen Spitze und Wurzel herabgesetzt werden kann, was weiter zur Verminderung des Gesamtgerausches der Triebwerksanlage beiträgt.

Streben oder Leitschaufeln können natürlich zum Abstutzen der Gebläseleitung vorgesehen sein, wobei auf die Wechselwirkung zwischen den umlaufenden und stehenden Stufen zurückzuführendes Geräusch dadurch bedeutend verkleinert werden kann, dass diese Ψ Streben oder Leitschaufeln in genügenden Abstand stromabwärts der betreffenden Gebläsestufen angeordnet werden.

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Claims

Patentansprüche

asturbinentriebwerksanlage mit einer Gasgeneratprleitung, die in axialer Richtung einen Gasgenerator und eine freie Turbine oder freie Turbinen, söw'ie eine diese Gasgeneratorleitung mindestens teilweise umgebende Gebläseleitung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebläseleitung (13) zwei derart im Abstand von einander angeordnete Gebläse (40,45) umfasst, dass zwischen diesen beim Betrieb praktisch keine Sogwirkung zustande kommt, wobei eines der GeblSse (40) antriebsmässig mit dem Gasgenerator und das andere Gebläse (45) antriebsmässig mit den freien Turbinenmitteln (35) verbunden ist.

2. TriebWerksanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasgenerator in StrSmungsrichtung Verdichter für Niederdruck (15), Zwischendruck (30,29¹,2β) bzw. Hochdruck (16) umfasst, wobei jeder Verdichter antriebsmässig mit eigenen Turbinen (i8, 19, 20) verbunden ist.

3. TriebWerksanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das stromaufwärtige Gebläse (40) antriebsmässig mit der Zwischendruckturbine (19) verbunden ist.

h» TriebWerksanlage nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsverbindung zwischen der Zwischettdruckturbine (19) und dem atromaufwMrtigen Gebläse (kO) eine innerhalb der Strömungsleitung (12) des Gasgenerators angeordnete Welle (24) umfasst, auf welcher ein Kränz (29) von drehbaren Schaufeln angeordnet ist, welche sich in die äussere Wandung (27) der Ströraungsleitung des Gasgenerators erstrecken und an derselben

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befestigt sind, wobei dies© Museere Wandung (27) zur Rotation mit dem stromaufwMrtigen Gebläse'CfO) verbunden ist.

5. Triebwerksanlage nach Anspruch. h_t dadurch gekennzeichnet, dass die äusser© Wandung (2?) mindestens zwei weitere Kränze (26,30) von rotierbaren Schaufeln trügt, welche in der Strömungsleitung des Gasgenerators angeordnet sind, wobei seiner dieser Kränze (30) stromaufwärts der stromaufwärtigaten . "tufe des Niederdruck· Verdichters (15) liegt und an der inneren Wandung (31) der Strömungsleitung des Gasgenerators zur Rotation mit derselben . befestigt ist. ■

6. Triebwerkeanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Gebläse (^0,^5) ein einstufiges Ge- . blase ist.

7. Triebwerksanlage nach einem der vorangehenden Ansprache, dadurch gekennzeichnet, dass die GebläseIeitung (13) nicht durch eine stromaufwärts des stromaufwärtigen Gebläses (kO) liegende Statorstufe abgedeckt ist. .

8. Triebwerksanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,, dass ein Statorkranz (48,^9) zwischen den beiden Gebläsen (^0,^5) in der GebläseIeitung (13) angeordnet ist.

9. Trieb Werksanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass

die Statoren (48,^9) so angeordnet sind, dass sie die Last I zwischen dem die Gebläseleitung (13) bildenden Gebläsegehäuse und dem die Strtfmungsleitung (12) des Gasgenerators bildenden Hauptgehäuse aufnehmen. '

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10« Triebwerkeanlage näöh Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das GebiSsegehHuee eine Schalenkonstruktion ist,

11« Triebwerkeanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet_t date ein Kranz Von Aüölaaeleitschaufeln (50) etromabwSrte dee stromabwHrtigen QeblMsee (45) angeordnet iet, wobei die Schaufeln (50) eine DUa* für 4i« GeblMeeleitung bilden.

12. Triebwerkeanlag* aach einem der vorangehenden Ansprüche_t dadurch gekenjUkeichnet« das» die freie Turbine eine dreistufige Turbine (35) ist, Wobei eine der Stufen (37) an ihrem Mueeeren Bade mit eines retierbaren Teil (46) der inneren Wandung der GeblKseleitun« (13) ^»rbundec i*t, auf welchem Teil (46) das stroeabvHrtige aeblKee (45) our Bitati·* daeit Kontiert iet.

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