DE2525950A1

DE2525950A1 - Gasturbinentriebwerk in baukastenbauweise

Info

Publication number: DE2525950A1
Application number: DE19752525950
Authority: DE
Inventors: Horst-B Dipl Ing Kreiner; Gerhard Dipl Ing Ruecker; Rudolf Dipl Ing Stegherr
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1975-06-11
Filing date: 1975-06-11
Publication date: 1976-12-16
Also published as: IT1061671B; FR2314362A1; SE7604997L; GB1527646A

Description

MOTOREN- UND TURBINEi-UNION
MÜNCHEN GMBH

München, den 5. Juni 1975

Gasturbinentriebwerk in Baukastenbauweise

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk in Zweiwellenbauart nach dem Baukastenprinzip, wobei betriebsfertige Einheiten (sogenannte Module) entweder zu einem Propellerturbinentriebwerk oder zu einem Hubschraubertriebwerk zusammenbaubar und wiederum einfach lösbar sind.

Als Flugzeugturbinen der Zweiwellenbauart bezeichnet man in der Regel Gasturbinen, bei denen die Gasleistung zumindest in zwei mechanisch voneinander getrennten Turbinen umgewandelt wird. Hierbei treibt eine Turbine den für die Treibgaserzeugung erforderlichen Verdichter an, während die zweite Turbine für den Antrieb eines weiteren Verdichters (z.B. Turbofan), eines Flugzeugpropellers (Turboprop) oder eines Hubschrauberrotors (Wellenleistungstriebwerk) verwendet werden kann.

Bei den Propellerturbinen sind drei prinzipiell verschiedene Konfigurationen bekannt: Solche, bei denen Nutzturbinenantrieb und Getriebe in Strömungsrichtung nach der Nutzturbine angeordnet sind und deren Propeller vorn sitzt und über eim lange, aber bereits relativ langsam laufende und außen am Triebwerk entlang verlaufende Welle angetrieben wird, und andere, deren

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Nutzturbinenwelle durch die in diesem Fall hohle Gaserzeugerwelle nach vorn hindurchgeführt wird und erst dort über ein Untersetzungsgetriebe die Luftschraube antreibt. Drittens kann das Getriebe wiederum in Strömungsrichtung nach der Nutzturbine angeordnet werden, ebenso der Propeller, wobei aber das Arbeitsmedium entgegen der Plugrichtung strömt.

Die Bauart mit außen nach vorn verlaufender Welle ist aber umständlich und baut schwer, während die koaxiale Bauart zwar eleganter und leichter baut, aber mit steigender Drehzahl, also bei Triebwerken der niedrigen Leistungsklassen, wegen der kritischen Drehzahl der Nutzturbinenwelle immer schwieriger wird, vor allem, wenn diese einfach ausbaubar sein soll. Bei der dritten Variante wiederum kann die Abgasführung nicht so strömungsgünstig in die Gondel^integriert werden. Auch wird der Restschub aus dem Abgasstrahl nicht optimal ausgenützt.

Solche Propellerturbinen enthalten eine Vielzahl von Baugruppen, z.B. Gaserzeuger, Nutzturbine, Getriebe etc., die aber regelmäßig nicht in einfacher Weise trennbar sind, so daß beim Abbau von solchen Baugruppen diese selbst in weitere Untergruppen und/oder Einzelteile zerlegt werden müssen.

Hier bringt die sogenannte Modulbauweise eine Verbesserung. Dabei sind im Idealfall einzelne Baugruppen derart ausgestaltet, daß sie komplett fertig montierbar sind und ohne weitere

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Einstellarbeiten in ein Triebwerk eingebaut bzw. gegen einen anderen gleichartigen Modul wieder ausgetauscht werden können.

Bekannte Gasturbinentriebwerke in Modulbauweise haben aber an den Übergangsstellen stets Lager, durch welche die Trennungsebene hindurch verläuft/ so daß z.B. ein solches Lager in den zum einen Modul gehörenden Außenring und den zum anderen Modul gehörenden Innenring aufgeteilt werden muß, wobei der Käfig mit den Wälzkörpern einem der beiden Ringe zugeschlagen werden kann. Diese Aufteilung von Lagern ist aber bei Gasturbinen, insbesondere der niedrigen Leistungsklassen mit ihren hohen Drehzahlen sehr problematisch bzw. unmöglich, weil bei den hier gestellten hohen Anforderungen ein Austauschen von Laufringen oder Wälzkörpern allein, vor allem aber ein Trennen des beim Hersteller zusammengebauten Lagers nicht mehr zulässig ist. Somit ist diese Modulbauweise als nicht konsequent durchgeführt zu bezeichnen.

Es ist prinzipiell möglich, eine Gasturbine für Propellerantriebauch für den Antrieb von Hubschrauberrotoren zu verwenden, jedoch ist hierzu ein völlig anderes Getriebe mit stärkerer Untersetzung erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gasturbinentriebwerk zu schaffen, das aus verschiedenen, einfach trenn- und auswechselbaren Bauelementen oder Modulen besteht, wobei letztere durch

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Zusammenbau wahlweise entweder ein Propellertriebwerk für ein Plugzeug oder einen Antrieb für einen Hubschrauberrotor ergeben. Ferner soll das Triebwerk einfach, kompakt und möglichst leicht sowie einfach wartbar sein. Eine weitere Forderung ist die Umkehrbarkeit der Drehrichtung der Nutzturbine. Ferner sollen außer den Modulen keine zusätzlichen Bauteile wie z.B. Lager erforderlich sein, die in sich getrennt werden müßten, da sie sonst nicht eindeutig einem bestimmten Modul zugerechnet werden könnten.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Nutzturbinenwelle abgasseitig einfach gelagert, koaxial durch die Gaserzeugerwelle hindurchgeführt und mit der zweifach gelagerten hohlen Ritzelwelle des Ritzels des Hauptgetriebes biegesteif und lösbar verbunden ist. Dadurch lassen sich auch die bei kleinen Turbinen mit hohen Drehzahlen und dünnen Innenwellen bestehenden Schwierigkeiten mit der kritischen Drehzahl beseitigen und somit ist diese Bauart auch bei Triebwerken kleiner Leistung durchführbar, ihr geringes Gewicht und Bauvolumen und obendrein auch die vorteilhafte echte Modulbauweise realisierbar und vor allen Dingen alle Lagerstellen eindeutig einem Modul zugeordnet sind.

In weiterer Ausgestaltung ist die im Abgaskanal liegende Lagerung der Nutzturbinenwelle radial elastisch. Dadurch wird die kritische Drehzahl der Welle und damit auch deren zulässige Höchstdrehzahl weiter erhöht.

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In weiterer Ausgestaltung verläuft der Lufteinlauf im wesentlichen achsparallel und Lufteinlauf und Hauptgetriebe liegen im Einlaufgehäuse nebeneinander. Dadurch wird die Gesamtbaulänge des Triebwerkes vermindert und eine komplette Anordnung von Hauptgetriebe, Hilfsgetrieben und Propellergetriebe bei gleichzeitig guter Zugänglichkeit zu allen Inspektionsstellen gewährleistet.

In weiterer Ausgestaltung sind Verdichter, Verdichterturbine und deren Lagerung in einem gemeinsamen Modul vereinigt, wobei der Gaserzeuger beiderseits des Verdichters gelagert ist. Dadurch kann dieser Teil als Gaserzeuger komplett montiert und auch nach Anschluß einer Ersatz-Brennkammer in einem geeigneten heißen Prüfstand für sich getestet und kalibriert werden.

In v/eiterer Ausgestaltung sind Einlauf, Hauptgetriebe und Geräteträger in einem zweiten Modul zusammengefaßt. Dadurch ist auch dieser Modul mit oder ohne Hilfsgeräte in einem eigenen kalten Prüfstand für sich prüf- und einstellbar.

In weiterer Ausgestaltung sind Nutzturbine und Brennkammer in einem dritten Modul zusammengefaßt. Dieser dritte Modul erlaubt das Austauschen defekter Nutzturbinen gegen funktionsfähige, aber auch das Verändern der Drehrichtung durch Austausch von Lauf- und Leitrad gegen entsprechende Teile für die entgegengesetzte Drehrichtung und die einfache Inspektion und Überholung der Brennkammer und der übrigen im Heißgasstrom liegenden Turbinenteile.

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Es ist grundsätzlich wünschenswert, daß die Drehrichtung der Abtriebswelle in einfacher Weise umgekehrt werden kann, z.B. bei zweimotorigen Flugzeugen, wo beide Luftschrauben bei gleicher Drehrichtung ein beachtliches und störendes Drehmoment auf das Flugzeug ausüben, bei einander entgegengesetzter Drehrichtung die beiden Drehmomente sich dagegen aufheben. Auch bei Hubschraubereinbauten gibt diese Möglichkeit zusätzlichen Spielraum, der sowohl bei einmotorigen Hubschraubern als auch bei Zwillingseinbau von Vorteil sein kann. Deshalb ist vorgesehen, daß Laufrad und Leitrad der Nutzturbine für beide Drehrichtungen hergestellt werden und gegeneinander austauschbar sind. Um das Hubschraubertriebwerk in ein Propellertriebwerk umwandeln zu kennen, ist ein eigener Propellergetriebe-Modul vorgesehen, der in einfacher V/eise anbaubar ist.

In weiterer Ausgestaltung wird Leistung von der Gaserzeugerwelle über ein Stirnradgetriebe zum Geräteträger übertragen. Diese Getriebeart ist technisch leicht beherrschbar und für den Antrieb der insgesamt achsparallel liegenden Hilfsgeräte besonders geeignet.

In weiterer Ausgestaltung ist der Hilfsgeräteträger im Hauptgetriebe integriert. Dadurch wird vorhandener Bauraum ausgenutzt, ohne Länge und Höhe des Triebwerks zu vergrößern.

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In v;eiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das Zwischenrad des Geräteantriebs konzentrisch zur Welle des Großrades des Hauptgetriebes gelagert, wodurch Baulänge des Hauptgetriebes eingespart wird, ohne dabei die Breite zu vergrößern. Es ist für die prinzipielle Anordnung unerheblich, ob das Zwischenrad auf einem eigenen Achsstummel (wie in der Zeichnung) oder direkt auf der Welle des Hauptgetriebegroßrades sitzt.

In v/eiterer Ausgestaltung werden die Untersetzungen des Haupt- und Propellergetriebes so gewählt, daß durch das Hauptgetriebe allein eine für einen Hubschrauberantrieb günstige Abtriebsdrehzahl erreicht wird, während bei Hinzufügung des Propellergetriebes die Abtriebsdrehzahl weiter auf eine für einen Propellerantrieb günstige Drehzahl abgesenkt wird. Danach wird in einfacher Weise die Umrüstung von Hubschrauberantrieb auf Propellerantrieb durch Hinzufügen eines weiteren Moduls möglich.

Das Propellergetriebe ist vorzugsweise ein Planetengetriebe, wodurch dieses Getriebe leicht und klein wird. Dieses bildet einen eigenen Modul.

In weiterer Ausgestaltung ist die lösbare Verbindung zwischen Nutzturbinenwelle und Hauptgetrieberitzelwelle durch eine verschließbare Öffnung im Gehäuse zugänglich und lösbar. Dadurch wird die Trennung von Gaserzeuger-Modul und Nutzturbinenmodul besonders einfach durchführbar.

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In der einzigen Figur der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Triebwerk im Schnitt dargestellt.

Dieses Triebwerk stellt eine als Propellertriebwerk geeignete Version dar. Sie besteht aus vier als "Module" bezeichnete Baugruppen. Der erste Modul ist der Gaserzeugermodul 1. Er besteht im wesentlichen aus Verdichter 5* Verdichterturbine 6, der als Kohlwelle ausgeführten Gaserzeugerwelle 7 mit dem Hilfsantriebsritzel 8 und deren Lagerungen 9, 10 und dem zugehörigen Gehäuse 11, zu dem die beiden Anschlußflansche 12 und 1J> gehören. Außerdem enthält er den Gaseintrittskrümmer 14 und den Leitlcranz 15 zur Verdichterturbine. An ihn schließt verdichtersei tig der Hauptgetriebemodul 2 an, der in Plugrichtung zeigend den Einlauf 16, darunter die hohle Ritzelwelle 17 mit Ritzel 18 ■and lösbarer Steckverbindung 19, darunter das Großrad 2o mit der Hauptgetriebeabtriebswelle 21, der ersten Hilfsgetriebewelle 22 und der auf der Hauptgetriebeabtriebswelle gelagerten hohlen Hilfsgetriebezwischenwelle 2j5 und den Hilfsgeräten enthält. Im Hauptgetriebegehäuse 24 ganz unten befindet sich der Ölsumpf 25 r.it dem Anschlu.3 für die ölabsaugung. Zum Befestigen an den Gaserzeugermodul einerseits dient der Plansch 26, zum frontseitigen Verschließen der Deckel 27, an dem wahlweise ein Propellergetriebe angeschraubt werden kann.

Als dritter Modul schließt sich hinter der Verdichterturbine der Nurzturbinenmodul J5 an, welcher außer dem Nutzturbinenrad 28 und dessen in einem Lager 29 sitzender Nutzturbinenwelle ^O auch den

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Nutzturbinenleitapparat 3I und den rückwärtigen Teil der Brennkammer 32 mit dem ringförmigen Flammrohr 33 enthält. Beim Abtrennen des Nutzturbinenmoduls ist zu beachten, daß außer den Schrauben des Flansches auch die lösbare biegesteife Verbindung zwischen Nutzturbinenwelle und Hauptgetrieberitzelwelle gelöst werden muß, ähnlich wie beim Trennen von Hauptgetriebe und Gaserzeuger.

Als vierter Modul, der allerdings nur für die Propellerturbinen-Ausführung benötigt wird, schließt sich vorn am Hauptgetriebe der Propellergetriebemodul 4 an. Er ist mit einem Flansch an das Hauptgetriebe angeschraubt und enthält ein zur weiteren Drehzahluntersetzung dienendes Planetengetriebe J>h, das mittels einer Knüppelwelle 35 mit Sonnenrad 36 und Kerbverzahnung 37 mit der Abtriebswelle des Hauptgetriebes drehmomentübertragend verbunden ist.

Die Trennlinien zwischen den einzelnen Modulen sind strichpunktiert eingezeichnet und trennenGserzeugermodul und Nutzturbinenmodul (Linie I-l), Gaserzeugermodul und Hauptgetriebe (Linie II-Il) sowie Hauptgetriebemodul und Propellergetriebemodul (Linie HI-IIl).

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Claims

Patentansprüche

1J Gasturbinentriebwerk in Zweiwellenbauart nach dem Baukastenprinzip, wobei betriebsfertige Einheiten (sogenannte Module) entweder zu einem Propellerturbinentriebwerk oder zu einem Hubschraubertriebwerk zusammenbaubar und wiederum einfach lösbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzturbinenwelle (30) abgasseitig einfach gelagert, koaxial durch die Gaserzeugerwelle (7) hindurchgeführt und mit der zweifach gelagerten hohlen Ritzelwelle des Ritzels des Hauptgetriebes biegesteif und lösbar verbunden ist.

2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Abgaskanal liegende Lagerung der Nutzturbinenwelle radial elastisch ist.

Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lufteinlauf im wesentlichen achasparallel verläuft und Lufteinlauf (16) und Hauptgetriebe im Hauptgetriebegehäuse (24) nebeneinander liegen.

Gasturbinentriebwerk nach den-Ansprüchen 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß Verdichter (5), Verdichterturbine (6) und deren Lagerung im gemeinsamen Gaserzeuger-Modul (1) vereinigt

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sind, wobei die Welle des Gaserzeugers (7) beiderseits des Verdichters gelagert ist.

5. Gasturbinentriebwerk nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Einlauf (16), Hauptgetriebe, Geräteträgerantrieb und Geräte im Hauptgetriebe-Modul (2) zusammengefaßt sind.

6. Gasturbinentriebwerk nach den Ansprüchen 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß Nutzturbine und Brennkammer zum Nutzturbinen-Modul (j5) gehören.

7. Gasturbinentriebwerk nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Laufrad (28) und Leitschaufelkranz (21) der Nutzturbine für beide Drehrichtungen hergestellt und betreibbar sind.

8. Gasturbinentriebwerk nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Propellergetriebe den Propellerturbinen-Modul (4) bildet und zur Umwandlung des Hubschrauber-Triebwerks in ein Propellertriebwerk dient.

9. Gasturbinentriebwerk nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die 4 Module durch Lösen von j? Planschen und 1 Spannschraube trennbar sind.

10. Gasturbinentriebwerk nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die Hilfsantriebe erforderliche Wellenleistung vom vorderen Teil der Gaserzeugerwelle über ein Stirnradgetriebe zum Geräteträger übertragen wird.

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11. Gasturbinentriebwerk nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsgerateträger im Hauptgetriebe integriert ist.

12. Gasturbinentriebwerk nach den Ansprüchen 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stirnrad des Getriebezuges zum Geräteträger konzentrisch zur Abtriebswelle der ersten Hauptgetriebestufe drehbar gelagert ist.

13. Gasturbinentriebwerk nach den Ansprüchen 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Untersetzung des Propellergetriebes so bemessen ist, daß ohne dieses die passende Abtriebsdrehzahl für einen Hubschrauber, mit diesem dagegen für einen Propellerantrieb erreicht wird.

If. Gasturbinentriebwerk nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsschraube für die lösbare Verbindung zwischen Nutzturbinenwelle und Hauptgetrieberitzelwelle durch eine verschließbare öffnung im Gehäuse zugänglich lab·

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