DE2140337C3

DE2140337C3 - Gasturbinentriebwerk mit wärmebeweglich gelagerter Welle

Info

Publication number: DE2140337C3
Application number: DE2140337A
Authority: DE
Inventors: James Alexander Littleover Derby Petrie
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1970-08-14
Filing date: 1971-08-11
Publication date: 1975-11-20
Also published as: FR2102268B1; DE2140337A1; GB1316452A; DE2140337B2; JPS5217180B1; FR2102268A1; US3709637A

Description

ien Zeichnungen dargestellt und werden im folgen- Die wärmedehnungsbedingte Verschiebung des Ge-

den näher beschrieben. häuses zwischen der Ebene X-X und einer weiteren

£_{S ze}jgt Radialebene Y-Y ist gleich der Summe der Wärme-

F i g-1 schematisch ein Gasturbinentriebwerk, bei dehnungen der zwischen diesen beiden Ebenen gele-

welchem die erfindungsgemäße Lehre anwendbar ist, 5 genen verschiedenen Teile des Gehäuses 18.

F i g. 2 als Einzelheit das Hochdrucksystem des in Das Zwischenstück 23 und die Art seiner Verbin-

pi π 1 dal gestellten Gasturbinentriebwerkes nach dung mit der Welle und mit dem Zusatzteil 20 ist als der Erfindung, Einzelheit in F i g. 4 dargestellt.

F i g 3 ^{eine we}'^tere Ausführungsform des in Das Zusatzteil 20 ist an seinem hinteren Ende mit

pi ο 1 dargestellten Gasturbinentriebwerkes nach io einem Außengewinde 50 und mit axial vorragenden Her Erfindung uad Anschlägen 51 versehen. Das Gewinde 50 greift in

Fi e 4 als Einzelheit die Verbindung zwischen der ein am Zwischenstück 23 gebildetes Innengewinde Welle und dem zylindrischen Zusatzteil. ein, während die Anschläge 51 mit entsprechenden

In FiR 1 ist schematisch ein Bypass-Gaturbinen- Anschlägen an einer Verriegelungsbüchse 52 zusamtriebwerk dargestellt, welches eine Vrrdichteranord- 15 menwirken. Die Büchse 52 ist an ihrer radialen mal eine Brenneinrichtung2, eine Turbine3 und Außenfläche mit radial vorragenden Keilen 53 verseine Schubdüse 4 aufweist. Das dargestellte Trieb- hen, die mit entsprechenden Innenkeilen an dem ZrY ist ein Dreiwellentrkbwerk. Ein Teil der in dem Zwischenstück 23 zusammenwirken. Die gesamte Niederdruckverdichter der Verdichteranordnung 1 Verbindung wird durch eine Mutter 54 festgehalten, verdichteten Luft strömt durch einen Bypasskanal 5 « welche in ein weiteres Innengewinde 55 am /avi-,ind wird vor dem Ausstoß in die Atmosphäre mit schenstück 23 eingeschraubt ist. λ ύ ,Ainpnabeas vermischt Das Zwischenstück 23 ist aus dem gleichen Mate-

^dTn Y' gTA^las H™hdnicksystem des in Fig. 1 rial wie die Welle bzw. aus einem Material mit ge, „eächneten Gasturbinentriebwerks dargestellt. Der ehern Temperaturdehnungskoeffizienten .hergestellt, Ss Laufrad- und sechs Leitradstufen 7 bzw. 8 auf- «5 so daß die Verbindung zwischen dem Zwischenstück weisende Hochdruckverdichter 6 führt der Brennern- und der Welle nach Art einer herkömmlichen Cur-S 2 übe" einen Diffusor 9 unter hohem Druck vic-Kupplung erfolgen kann. Durch die beschriebene tuende Luft zu Über Brenner 10 zugeführter Verbindung des Zwischenstucks 23 mit dem zylindr-B ennstoff w d in der Brennkammer 11 verbrannt. sehen Zusatzteil 20 wird den Auswirkunger, unter-STe he Ben Verbrennungsgase strömen durch einen 3<> schiedlicher Wärmedehnung welche «ne l^kerang

^AcAA der Hochdruck- stellung der Ausgangsgröße des ™^^ dich er 6 sind über eine Welle 14 miteinander ver- 35 dem Turbinenlaufer und dem benachbarten testen

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"'Die we,le 14 is, Über ei„ z»_IMn»che_S Zusage« SÄSttwäÄd^SSSsiTS 20 ,xial festgelegt, dessen stromab gelegenes Ende « ratur aus dem vermemer _{z t}|_tei, ₂₀ _md

Stelle an der Welle 14 befestigt ist und dessen strom- f'^" J£™£ ^L· An der Innenfläche

des Zusatzteils mit der Welle und des Tnebwerksge ge^^ ^^ _{ebenfalls ge}„au vorh

^häÄg auf das Zusautei, ₂. dehn, sich also . J^^ ^^

iS Äteif s*„S, auf Temperatur.nde^ngen an

satzteil 20 aus einem Material mit niedrigerem Tem- ^^^ _{der B};_e„nkammerkühlluft auf desse, „,medebnnngsbedlngte _£« Verseng

^S TSSÄllis.eineHo.tempe !is^ t WeA g^ng au, Nic_kelb.sis. Das _S„»,re Oenause

steht in den kühleren Bereichen, die den Hochdruckverdichter umschließen, hauptsächlich aus Titan, während es in den Bereichen um die Brennkammer und um die Turbine herum aus einer Hochtemperaturlegierung auf Nickelbasis besteht.

Mit dieser Materialkombination und der in F i g. 2 gezeigten Anordnung kann der Dichtspalt zwischen den Dichtrippen 17 und den Leitschaufeln 12 im Nennbetriebszustand des Triebwerks auf einem Wert im Bereich zwischen 0,25 und 0,51 mm gehalten werden.

Dieser Spalt kann bei Inkaufnahme zusätzlichen Gewichts durch die in F i g. 3 dargestellte abgewandelte Ausführungsform des gleichen Triebwerks weiter verringert werden. Identische Teile in F i g. 3 sind mit den gleichen Bezugszahlen wie in F i g. 2 versehen und werden im einzelnen nicht näher beschrieben.

Bei dieser Anordnung ist zwar das zylindrische Zusatzteil, wie mit Bezug auf Fig.2 beschrieben, vorhanden, darüber hinaus ist jedoch der die Brennkammer umschließende Teil des äußeren Gehäuses doppelwandig ausgeführt. Die äußere Wand ist aus Material mit niedrigem Temperaturdehnungskoeffizienten hergestellt.

Die äußere Wand 40 ist verhältnismäßig dünn ausgeführt, da sie nur geringe Belastungen aufzunehmen hat. Sie dehnt sich in bezug auf die gemeinsame Bezugsebene X-X nach hinten, d. h. stromabwärts, aus. Die innere Wand 41 stellt jedoch das Äquivalent für die Gehäusewand 18 dar, welche in F i g. 2 die Brennkammer umschließt. Sie ist stark genug ausgeführt, damit sie den Verdichter 6 zu tragen vermag und dem Druck im Inneren des Triebwerks standhält. Außerdem ist sie an einem Flansch 42 an ihrem stromabwärts gelegenen Ende verankert, so daß sie sich axial in Stromaufwärtsrichtung ausdehnt. Die innere Wand 41 trägt den Verdichter 6 mit Hilfe einer Gleitverbindung 43 an ihrem stromauf gelegener Ende.

Der Ringraum 44 zwischen den Wänden 40 und 41 wird mit Luft aus dem Verdichter versorgt, deren Temperatur und Strömungsmenge ausreichend genau bekannt sind. Diese Luft wird durch öffnungen 45 ir der Innenwand 41 und öffnungen 46 in dem Triebwerksgehäuse stromab von dem Flansch 42 in der Bypasskanal 5 abgelassen und kann noch zur Kühlung weiter stromabwärts gelegener heißer Teile dei Turbine verwendet werden.

Die Verwendung eines Materials mit niedrigeren: Temperaturdehnungskoeffizienten für die Außen wand verringert die Wärmedehnung des Gehäuses Da außerdem die Temperatur und Menge der Luftströmung auf beiden Seiten der Wand 40 bekanni sind, kann die Temperatur der Wand und damit ihn Ausdehnung leichter berechnet werden.

Gleichzeitig wird die Stromabwärtsverschiebunj

ao des Turbinenläufers dadurch verringert, daß dit Stelle, an welcher das zylindrische Zusatzteil auf di( Welle 14 trifft, weiter stromabwärts verlegt wird. Da durch läßt sich die Stromabwärtsverschiebung dei Turbine leichter vorausbestimmen, weil das Zusatz teil eine größere Länge aufweist.

Bei der Triebwerksanordnung gemäß F i g. 3 kam der Dichtspalt auf einem Wert im Bereich von 0,1'. bis 0,39 mm gehalten werden.

Die Gehäuseöffnungen, durch welche die Brenne:

10 hindurchgeführt sind, müssen so abgedichtet sein daß eine relative Wärmedehnung zwischen dem inne ren und äußeren Gehäuse möglich ist. Dazu ist eini Büchse 50' in dem inneren Gehäuse eingeschraub und ein napfförmiges Teil 51' ist zwischen einen Bund 52' der Büchse und dem inneren Gehäuse an geordnet. Das napfförmige Teil 51' kann sich in be zug auf die Büchse 50' axial und in bezug auf das au ßere Gehäuse radial verschieben.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gasturbinentriebwerk mit einer Welle, die an ihren Enden jeweils in eine axiale Wärmedehnung der Welle gestattenden Lagern — Losla- S gern — gelagert ist, und mit einem mit der Welle verbundenen Läuferteil, das von einem in einer radialen Triebwerksebene am feststehenden Aufbau gehalterten Dichtungsteil durch einen Axialdichtspalt getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, daß an der Welle (14) in ihrem zwischen den Loslagern (15, 16) liegenden Bereich ein sich axial erstreckendes Zusatzteil (20) mit seinem einen Ende befesügt ist, daß das Zusatzteil (20) mit seinem anderen Ende in einer radialen Triebwerksbezugsebene (X-X) im feststehenden Aufbau (18) durch ein Festlager (21) axial festgelegt ist und daß das Material des Zusatzteils (20) einen kleineren Temperaturdehnungskoeffizienten als den des Wellenmaterials aufweist. *°

2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Läuferteil ein Turbinenläufer (13) ist, welcher in an sich bekannter Weise über die Welle (14) mit einem Triebwerksverdichter (6) verbunden ist, und daß das Zusatzteil (20) ein zylindrisches Teil ist.

3. Triebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzteil (20) in an sich bekannter Weise mittels eines Kugellagers (21) in der Triebwerksbezugsebene (X-X) gelagert ist.

4. Triebwerk nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Triebwerksbezugsebene (X-X) stromauf d;s mit der Welle (14) verbundenen Verdichters (6) befindet.

5. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Temperatur des Zusatzteils (20) aus einem Verdichter (6) des Triebwerks ausgetretene Luft über mindestens eine Fläche des Zusatzteils geleitet wird.

6. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse (18) des Triebwerks Teil des feststehenden Aufbaus ist und daß mindestens ein Teil dieses Gehäuses zwischen den beiden genannten radialen Triebwerksebenen (X-X, Y-Y) aus einem Material besteht, dessen Temperaturdehnungskoeffizient niedriger ist als der Temperaturdehnungskoeffizient des übrigen Teils des Gehäuses zwischen den beiden radialen Triebwerksebenen.

7. Triebwerk nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Gehäuses eine innere Wand (41) und in radialem Abstand davon eine äußere Wand (40) aufweist, wobei die äußere Wand das Dichtungsteil (19) trägt und aus dem genannten Material mit niedrigem Temperaturdehnungskoeffizienten besteht, und daß Einrichtungen vorgesehen sind, welche aus einem Verdichter (z.B.6) des Triebwerks austretende Kühlluft in den zwischen der inneren und äußeren Wand gebildeten Raum (44) einleiten.

8. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit dem verhältnismäßig niedrigen Temperaturdehnungskoeffizienten eine Nickel-Kobalt-Stahl-Legierung ist.

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinentriebwerk mit einer wärmebeweglich gelagerten Welle gemäß Oberbegriff des vorstehenden Anspruchs 1.

Ein solches Gasturbinentriebwerk ist aus der CH-PS 4 85 946 bekannt, welche Maßnahmen zur Verringerung der auf den Rotor wirkenden Axialkräfie 'vorschlägt. Die Welle des bekannten Triebwerks ist an ihren beiden Enden in Loslagern gelagert, die eine axiale Wärmedehnung des Rotors gestatten. Die axiale Festlegung der Welle erfolgt etwa in Wellenmitte durch ein Festlager. Bei dem bekannten Triebwerk sind keine Maßnahmen zur Beherrschung der Giöße eines Axialdichtspalts bei sich ändernden Temperaturen und den damit verbundenen Wärmedehnungen der einzelnen Triebwerksteile getroffen.

Bei Hochleistungs-Gasturbinentriebwerken, in deren Arbeitsmittel hohe Drücke und Temperaturen erzeugt v/erden, hat jedoch das Entweichen von Arbeitsmittel durch Dichtspalte hindurch, insbesondere in der ersten Turbinenstufe, in welcher die Drücke und Temperaturen am höchsten sind, eine erhebliche Verringerung der Gesamttriebwerksleistung zur FoI !je.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Gasturbinentriebwerk gemäß Oberbegriff des vorstehenden Anspruchs 1 einen Axialdichtspalt zwischen einem mit der Welle verbundenen Läuferteil und einem Dichtungsteil am benachbarten feststehenden Aufbau insbesondere im Nennbetriebszustand des Triebwerks möglichst klein zu halten, um das Entweichen von Treibmittel durch diesen Dichtspalt hindurch zu verringern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des vorstehenden Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung bringt den technischen Fortschritt, daß durch die mittelbare axiale Festlegung der Welle mittels eines Zusatzteils mit kleinerem Temperaturdehnungskoeffizienten als demjenigen der Welle die durch die Wärmedehnung bedingte axiale Verschiebung des Läuferteils der axialen Wärmedehnung des Triebwerksgehäuses bzw. des feststehenden Aufbaus angepaßt werden kann. Die Größe des Axialdichtspalts zwischen dem Läuferteil und dem feststehenden Aufbau ändert sich dadurch bei sich ändernden Temperaturen nur in sehr kleinen Grenzen.

Aus der CH-PS 3 14 750 ist zwar ein Triebwerk bekannt, bei welchem die Welle mittels eines kein Drehmoment übertragenden Wellenansatzes axial festgelegt ist, jedoch ist dieser kurze, konische Wellenansatz des bekannten Triebwerks in keiner Hinsicht mit dem Zusatzteil des erfindungsgemäßen Triebwerks vergleichbar, da er nur der Befestigung der Welle auf dem diese axial festlegenden Lagei dient.

Bevorzugte Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den vorstehenden Unteransprüchen angegeben.

Die jeweils erforderliche Lage der Verbindungs stelle zwischen dem Zusatzteil und der Welle laß sich aus den Längen der Welle, des Zusatzteils um des Triebwerksgehäuses und den Betriebstemperatu ren dieser Teile errechnen.

Die Wandung des Zusatzteils ist vorzugsweise se dünn wie möglich gehalten, um ein schnelles Anspre chen auf Temperaturänderungen zu gewährleisten.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind ii