DE2018077A1 - Gasturbinenmanteistromtriebwerk - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE, . *■'

-DlPL.-]NG. GÜNTHER KOCH
DR. TINO HAIBACH

8 München 2, 15· April 1970 uNSERZEicHEN: 12 6ll - K/vM

Rolls-Royce Limited, Derby, Derbyshire, England. Gasturbinenmantelstromtriebwerk

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinenmantelstromtriebwerk, bei welchem ein Gebläse im Nebenstromkanal des Triebwerks untergebracht ist. . ■ ■

Die Erfindung geht aus von einem Gasturbinenmantelstromtriebwerk mit einem Kompressor, einer Verbrennungseinrichtung und einer Turbine und ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Hauptgebläse sich völlig über den Mantelstromkanal erstreckt und ein zweites Gebläse stromoberseitig des Hauptgebläses angeordnet ist, welches sich nur teilweise über den Mantelstromkanal erstreckt und von der Turbine angetrieben wird.

Vorzugsweise ist die Spitzengeschwindigkeit beider Gebläse so gewählt, daß eine relative Schaufeleinlaßmachzahl erhalten wird, die immer kleiner als 1 ist. Das Hauptgebläse kann auf einem Gehäuse gelagert sein, dessen Schaufeln durch den . Kompressor angetrieben werden.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen: Pig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß

ausgebildeten Mantelstromgasturbinenstrahltriebwerks, Pig. 2 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform des Triebwerks nach Pig.I,

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Pig. 5 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform des Triebwerks nach ELg.2.

Gemäß Pig.l besteht das Gasturbinenmantelstromtriebwerk aus einem Kompressor 10, einer Verbrennungseinriehtiang 12 und einer Turbine 14.

Die Verdichtungsanlage 10 besteht aus einem mehrstufigen Kompressor 16, welcher durch eine Turbine 18 über eine Welle 20 angetrieben wird und außerdem weist die Verdichtungseinrichtung einen herkömmlichen Hochdruckkompressor 22 auf ₃ der von einer Turbine 24 über eine Welle 26 angetrieben wird. Ein Hauptgebläse 28 nimmt den gesamten Querschnitt des Mantelstroiakanals 30 des Triebwerks ein und ist auf einem drehbaren Gehäuse 52 angeordnet, das Reihen von "Stator"-Schaufeln besitzt (diese nehmen aus der Luft Energie auf und wirken daher als Turbinenschaufeln), die zwischen den Reihen der Kompressorschaufeln 36 des Niederdruckkompressors 16 angeordnet sind. Das Hauptgebläse 28 hat die Gestalt eines Speichenrades mit einer Nabe und einer Anzahl radialer Schaufeln oder Speichen, die an einem Hing 38 angreifen,und mehreren Gebläseschaufeln, die an diesem Hing befestigt sind. Ein Sekundärgebläse 40 ist stromoberseitig des Hauptgebläses gelagert und die Schaufeln des Gebläses erstrecken sich nur soweit in den Mantelstromkanal, wie der Teilungsring des ^auptgebläses. Das Sekundärgebläse 40 ist auf einer Welle 42 montiert» die von einer Turbine 44 angetrieben wird und drehbar mit dem Teilungsring 38 ist. Die Welle 20 und das Gehäuse 32 drehen sich in der gleichen Richtung,wie durch den Pfeil A dargestellt, und die übrigen Wellen 26 und 42 können sich entweder in der gleichen Richtung oder in der Gegenrichtung sowohl relativ zur Welle 20 als auch relativ zueinander bewegen.

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Das zum Antrieb des Hauptgebläses 28 erforderliche Drehmoment wird aerodynamisch über die Niederdruckkompreseor-"Stator"-Schaufeln übertragen, die von den Schaufeln 34 gebildet werden, welche als Turbinenschaufeln arbeiten. Ein ausreichendes Drehmoment wird von der Turbine 18 über die Welle 20 geliefert und demgemäß über die Ni ederdruclckompressorschauf ein 3>6, um die Kompressor- "Stator "-Schaufeln anzutreiben und um den erforderlichen Gesamtdruckanstieg über dem Kompressor 16 zu liefern*

Sowohl das Hauptgebläse als auch das Sekundärgebläse arbeiten mit genügend niedrigen Spitzengeschwindigkeiten, um zu gewährleisten, daß die Machzahlen der Einlaßströmung an den Schaufelspitzen kleiner ist als 1. Diese Anordnung vermeidet unerwünschten · Lärm, der dann auftritt, wenn die relative Einlaßströmung eine Machzahl von größer als 1 hat.

Eine Hauptschwierigkeit bei Gebläsen mit geringem Naben/Spitzenverhältnis, wie es der Fall ist bei herkömmlichen Triebwerken mit hohem Mantelstromverhältnis, besteht darin, daß die Spitze schneller läuft als für einen maximalen Wirkungsgrad der Schaufel er- · forderlich, wenn der Schaufelfuß einen zufriedenstellenden Druckanstieg liefert. Durch Anordnung des Sekundärgebläses 40 kann sowohl ein zufriedenstellender Druckanstieg am Schaufelfuß des Hauptgebläses als auch am Einlaß des Kompressors 16 erlangt werden, so daß die Spitzengeschwindigkeit des auptgebläses vermindert wird, was wiederum zu einem verminderten Geräuschpegel des Gebläses führt.

Im Vergleich mit einem herkömmlichen Dreiwellentriebwerk mit Front gebläse und hohem Mantelstromverhältnis, bei dem die niedrige Gebläsespitzengeschwindigkeit erforderlich ist, bietet die Erfindung eine Anzahl von Vorteilen. Zunächst 1st eine geringere Anzahl von Turbinenstufen erforderlich, weil das Drehmoment zum

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Antrieb des Hauptgebläses 28, das mit niedriger Drehzahl läuft, aerodynamisch über die "Stator"-Schaufeln y\ von den schEuallauf enden Schaufeln J56 übertragen wird. Letztere werden mit einem genügend hohen Drehmoment von der schnellaufenden Turbine 18 versehen, so daß sie das Hauptgebläse 2δ mit niedriger Drehzahl antreiben können und es wird der erforderliche Druckanstieg über dem Niederdruckkompressor l6 erzeugt. So kann z.B. ein Gebläsetriebwerk mit hohem Nebenschlußverhältnis, welches elf Turbinenstufen besitzt, auf ein Triebwerk mit nur fünf Turbinenstufen reduziert werden.Das Sekundärgebläse 40 erzeugt den über dem inneren Abschnitt des Mantelstromkanals erforderlichen Druckanstieg, der das Drehmoment liefert, welches vom Hauptgebläse gefordert wird, um das von den "Stator"-Schaufeln 34 übertragene Drehmoment auszugleichen. Das Sekundärgebläse erfordert ein kleines Drehmoment, das von einer mäßig belasteten Turbine 44 geliefert wird. Dies gewährleistet einen hinlänglich geringen Gesamtlärmausgang.

Ein höheres Kompressionsverhältnis des Mantelstromes kann durch die Erfindung erlangt werden und zwar infolge des Vorhandenseins des Sekundärgebläses, das den Verwirbelungswinkel der Strömung

auf einen Ring von Auslaßleitschaufeln 46 im Bereich der Schaufelfüße der Leitschaufeln reduziert. So wird die hohe Auslaßleitschaufelfuß-Diffusionsbelastung weggenommen, die den herkömmlichen Frontgebläsetriebwerken mit geringer Spitzengeschwindigkeit zugeordnet ist.

Die Triebwerksauslegung gemäß Fig.2 ist ähnlich jener nach Fig.l mit dem Unterschied, daß der Niederdruckkompressor 16 von herkömmlicher Gestalt ist, d.h. das Gehäuse 22 und die zugeordneten Reihen von Statorschaufeln sind tatsächlich stationär und nicht, wie bei der Ausführungsform nach Fig.l, drehbar und außerdem ist

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das Hauptgebläse 28 auf einem Lager 50 auf dem Gehäuse 32 drehbar. Bei dieser AusfUhrungsform wird das Hauptgebläse 28 von einem Sekundärgebläse 40 angetrieben und der innere Abschnitt 28a des Gebläses 28 wirkt als rotierender "Stator". Der Vorteil dieses Systems besteht darin, daß die Arbeit von dem Sekundär gebläse 4-0 nach dem Hauptgebläse 28 in einer einzigen Stufe übertragen wird, was zur Folge hat, daß eine geringere Zahl von Stufen im Niederdruckkompressor 16 erforderlich wird. Das Triebwerk wird somit leichter und mechanisch weniger komplex, da es unnötig ist, das Gehäuse 32 drehbar zu lagern.

Pig. 3 zeigt eine abgewandelte Ausfiihrungsform des Triebwerks nach Fig.2, wobei das Hauptgebläse 28 nicht auf dem Gehäuse gelagert ist, wobei jedoch der innere Abschnitt 28a nach innen eingezogen und auf Lagern 32 mit relativ geringem Durchmesser gelagert ist.

Pat entansgrüche _

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Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1/ Gasturbinenraantelstroratriebwerk mit einer Kompressionsanlage, einer Verbrennungseinrichtung und einer Turbinenanlage, dadurch gekennzeichnet, daß ein drehbares Hauptgebläse sich über den Gesamtquerschnitt des Mantelstromkanals erstreckt und daß ein Sekundärgebläse stromoberseitig des Hauptgebläses angeordnet ist und sich nur teilweise über den Querschnitt des Mantelstroinkanals erstreckt, wobei das Sekundärgebläse durch die Turbine angetrieben wird.

   2. Triebwerk nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet , daß die Kompressoranlage einen Niederdruckkompressor aufweist, der ein drehbares Gehäuse besitzt, auf welchem das Hauptgebläse gelagert ist.

   j5. Triebwerk nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressoranlage einen Niederdruckkompressor mit einem äußeren Gehäuse aufweist und daß das Hauptgebläse frei drehbar auf Lagern läuft, die auf dem äußeren Gehäuse des Niederdruckkompressors angeordnet sind.

   4. Triebwerk nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressoranlage einen Niederdruckkompressor aufweist und daß das Hauptgebläse frei drehbar auf einem Lager läuft, das stromunterseitig des Sekundärgebläses und stromoberseitig des Einlasses des Niederdruckkompressors angeordnet ist.

   5. Triebwerk nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärgebläse innerhalb eines Teilungsringes drehbar ist, der vom Hauptgebläse getragen wird.

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   6. Triebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Spitzengeschwindigkeit von Hauptgebläse und Sekundärgebläse eine relative Einlaßströmung mit einer Machzahl von weniger als 1 ergibt.

   7· Triebwerk nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenanlage eine Hochdruckstufe, eine Zwischendruckstufe und eine Niederdruckstufe umfaßt, daß die Hochdruckstufe einen Hochdruckkompressor über eine erste Welle antreibt, daß die Mitteldruckstufe einen Niederdruckkompressor über eine zweite Welle antreibt und daß die Niederdruckturbisenstufe das Sekundärgebläse antreibt.

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