DE3017035A1

DE3017035A1 - Rotoranordnung mit mehrstufiger scheibe

Info

Publication number: DE3017035A1
Application number: DE19803017035
Authority: DE
Inventors: Gary Paul Peters; Robert Lee Rowley; Peter Edward Voyer
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1979-05-17
Filing date: 1980-05-02
Publication date: 1980-11-27
Also published as: DE3017035C2; FR2456835B1; GB2049069A; JPH0424081Y2; JPH0347401U; CA1126658A; JPS55153801A; FR2456835A1; US4310286A; GB2049069B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerke i|nd sie betrifft insbesondere die Rotoranordnungen solcher Triebwerke.

Ein Gasturbinentriebwerk hat einen Gebläseabschnitt_# einen Verdichterabschnitt, einen Brennkaimerabschnitt und einen Turbinenabschnitt. Eine Rotoranordnung mit einem Kompressorsegment und einem Turbinensegment erstreckt sich axial durch das Triebwerk. Eine Welle verbindet das Turbinensegment mit deittfKÖnip^ssorseg- . ment. In dem Kompressorsegment sind Laufschavifeinreihen vorgfesehej^, welche sich radial nach aussen erstrecken. Eine Statoranordnung

umgibt die Rotoranordnung. Die Statoranordnung hat ein äisseres Gehäuse und Statorschaufelreihen, welche sich radial nach innen und axial zwischen benachbarte Reihen der Laufschaufeln erstrecken, Von dem äusseren Gehäuse ragen Streben nach innen. Diese Streben tragen an zwei oder mehreren Stellen Lagergehäuse für die Rotoranordnung. Jedes Lagergehäuse enthält ein Lager an der Triebwerksachse zum Abstützen der RotoranOrdnung.

Das Kompressorsegment hat mehrere axial in Abstand voneinander angeordnete Scheiben. Jedes Scheibenpaar ist über ein Abstandsstück zusammengefasst, das zwischen den Scheiben angeordnet ist und dieselben in Abstand voneinander hält. Die Abstandsstücke und die Teile, einer jeden Scheibe zwischen den Abs tan ds stücken bilden den tragenden Hauptrotorbauteil des Triebwerkes. Entsprechend einer anderen Rotorbauweise ersetzt ein an einer Rotorscheibe angeformter Flügel das benachbarte Abstandsstück und gehört somit zum tragenden Hauptrotorbauteil. Der tragende Hauptrotoebauteil ist konzentrisch zur Triebworksachso konstruirt.

BekanntIi.eUi bewirken Rotorbelcistungen und giroskopische Manöverbelastungen-während dem Betrieb eine Durchbiegung des Rotors. Die Durchbiegung ist direkt proportional zu dem Gewicht der Rotoranordnung und dem Abstand zwischen den Stützlagern. Einige Triebwerkskonstrukteure haben versucht die Durchbiegung herabzusetzten durch Verkürzung des Abstandes zwischen den Traglagern. So ist z. B. entsprechend der QS Patentschrift 2 869 820 die unabgestützte liänge des Kompressorsegmentes verringert durch Anordnung eines Traylagers innerhalb der mit Schaufeln versehenen Länge des Rotors. Andere Konstrukteure haben versucht das Rotorgewicht herabzusetzen.

Falls der Rotor sich durchbiegt fallen die Rotationsachse und der Massenschwerpunkt des Rotors nicht mehr zusammen, und eine Mässenexzofttrizitat E um die Mittellinie tritt auf. Die Massenexzentrizität E bedingt eine nach aussen gerichtete Kraft,welche mit zunehmender Drehzahl der Rotoranordnung ansteigt. Die nach aussen gerichtete Kraft belastet die Rotoranordnung auf Durchbiegung. Bei einer bestimmten Drehzahl, allgemein als kritische Drehzahl bezeichnet, hebt die unausgeglichene nach aussen gerichtete Kraft

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dje Wirkung der Elastizitätskräfte des Rotors, welche einer Durchbiejung entgegenwirken, auf. Falls die kritische Drehzahl erreicht ist nimmt die Rotordurchbiegung ohne weitere Drehzahlsteigerung zu. Die Spitzen der Rotorschaufeln kommen in Berührung mit dem äusseren Gehäuse und bewirken eine beträchtliche Beschädigung. Dementsprechend werden Rotore für Gasturbinentriebwerke üblicherweise dimensionnLert damit die kritische Drehzahl wesentlich oberhajb der BetrLebsdrehzahlen der Rotore liegt.

Wi ssenschaf t-ler und Ingenieure forschen weiter, um leichte Rotoranordnungen zu entwickeln,welche eine kritische Drehzahl aufweisen, die wesentlich oberhalb der Betriebsdrehzahl der Rotoranordnungen liegt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Rohranordnung zu schaffen, deren kritische Drehzahl wesentlich oberhalb der Betriebsdrehzahl der Rotoranordnung liegen soll, wozu eine Ie i. ehe Bauweise der Rotoranordnung bei guter axialer Steifheit angestrebt wird, ausserdern soll die thermische und die Biegespannung in df-· r Rotorscheibe herabgesetzt werden, damit diese grössere SohdufelbelasLungen aufnehmen kann.

En 11 μι «.-eliend de.· ι Erfindung bilden eine Tandemscheibe und ein kegel.: t uiiipf rörmi gor Haute i. 1, der sich von der Felge der Scheibe eryi reek; in Kombination Ln einer Rotoranordnung eine Struktur mit ein.α ki i tischen Drehzahl, welche wesentlich oberhalb der vorgoi-i t ■ 11' · π' · ιί Be tr j.ebsdrehzahl liegt.

PMn 11.uiμL-merkmal der Erfindung ist die Tandemscheibe. Diese Schei^lj(' ''''I (M ne Bohrung, einen Steg, eine Felge und zwei Schaufelreihen,. ''¹^ sieh von dor Folge nach aussen erstrecken. Ein kegel stump F-¹'-Ήηι ge r Bauteil ragt von der Felge nach innen und schirmt die Bohrung und den Steg von den Hochdruck- und Hochtemperaturgasen ab. Ein Flügel erstreckt sich von der Felge der Scheibe.

[■: i η Ilauptvor te il der Erfindung ist in der Eigenschaft der.kritischen Drehzahl der Rotoranordnung zu sehen. Die kritische Drehzahl 1 icrjh wesentlich oberhalb der vorgesehenen Betriebsdrehzahl für

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Rotoranordnung mit guter Axialsteifheit und geringem Gewicht. Das Schub/Gewichtverhältnis des Triebwerkes wird infolge des geringen Gewichtes der Rotoranordnung verbessert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun mit Bezug <iuf die Zeichnungen ausführlicher beschrieben, es zeigen:

Figur 1 eine vereinfachte Seitenansicht eines Turbogebläsetriebwerkes, wobei ein Teil des Verdichtergehäuses aufgebrochen ist, um Teile der Stator- und Rotoranordnungen zu zeigen.

Figur 2 ein Schema eines Teiles einer Rotoranordnung zur Darstellung der Durchbiegung und der Mässenexzentrizität Etwelche durch das Gewicht der Rotoranordnung bedingt ist.

Figur 3 eine vergrösserte Teilansicht der Rotor- und Statoranord-* nungon nach Figur 1.

Figur 4 eine Schnittansicht entsprechend einem Teil der Figur 2 zur Darstellung eines anderen Ausführungsbeispieles.

Das in Figur 1 dargestellte Turbogebläsetriebwerk hat einen Gebläseabbchnitt 10, einen Verdichterabschnitt 12, einen Brennkammer— dlKjLIin i t L 14 und e i nan Turbinenabschnitt 16. Eine Rotoranordnung 18 icicjt. axial durch den Verdichterabschnitt und den Turbinenab-.•ächnJ tt . Eine State! anordnung 20 umgibt die Rotoranordnung. Ein ringförmiger .Strömungsweg 22 für die Arbeitsmediumgase erstreckt ;· ι ch durch den Verdreh terabschnitt zwischen der Rotoranordnung und •-!••ι St a türanordnung.

, -ι Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung einen Tei" der Ro-I. )i. miplnuhg 18 des Verdichterabschnittes 12 unter der Biegebelasturi'j. l; i e Rotoranordnung hat drehende Bauteile wie z. B. den tragenden Möiupt ro torbau teil 24 und Schaufelreihen, z. B. die Schaufeln 26, welche von dem tragenden Hauptrotorbauteil nach aussen ragen.

IJ ie RoIOLcfcnordnung hat eine Welle 28 und einen kegelstumpfförmigen Bauteil 30 zwischen der Welle und dem tragenden Hjauptbauteil. Ein

vorderes Traglager 32 und ein hinteres Traglager 34 dienen zum Abstützen der Welle der Rotoranordnung. Die Rotoranordnung hat eine Drehachse A. Die strichpunktierten Linien zeigen die Durchbiegung der· stillstehenden Rotoranordnung infolge des Gewichtes derselben.

Der Massenmittelpunkt der Rotoranordnung ist durch die Linie M dargestellt. Die Exzentrizität E des Massenmittelpunktes im Zentrum . ; des Rotors ist eingezeichnet. ^:

Figur 3 zeigt den hinteren Teil der Rotoranordnung 18 am hinteren Ende des Verdichterabschnittes 12. Die Rotoranordnung hat eine .; Tandemscheibe 36 und eine benachbarte stromaufwärtige Scheibe 38. ; Di i stromaufwärtige Scheibe hat eine Bohrung 40, einen Steg 42 und ο ine Umfangsfelge 44. Die Bohrung hat eine kreisförmige öffnung 46. _: Die Felge hat einenUmfangsschlitz 48. Eine Reihe stromaufwärtiger Rotorschaufeln, dargestellt durch die einzige Rotorschaufel 50,ist ; in ien Schlitz eingesetzt. Die stromabwärtige Scheibe hat eine ' Bohrung 52, einen Steg 54 und eine Felge 56. Die Bohrung hat eine kreisförmige öffnung 58. Die Felge hat einen ersten Umfangsschlitz 6o und eine zweiten Umfangsschlitz 62. Eine erste Reihe Laufschaufeln, dargestellt durch die einzige Laufschaufel 26, ist in dem ersten Schlitz 60 der Tandemscheibe 36 angeordnet. Eine zweite Reihe Laufschaufeln, dargestellt durch die einzige Laufschaufel 64, ist in dem zweiten Schlitz 62 angeordnet. Der zweite Schlitz ist axial in Abstand von dem ersten Schlitz vorgesehen und eine erste Sehe jbenflache 66 befindet sich zwischen den Schlitzen. Der zweite Schlitz ist ebenfalls in Abstand von dein Schlitz 48 der stromaufwärtiqen Scheibe 38 angeordnet und eine zweite Scheibenfläche 68 : befindet sich auf der stromabwärtigen Scheibe zwischen diesen bei- i dt.·η Sch I i. tzen . J

Uie Statoranordnung 20 hat ein äusseres Gehäuse 70. Eine stromauf-

wärt i'je Reihe von Statorschaufeln, dargestellt durch die stromauf- ■

wärt-.ige Statorschaufel 72, ragt von dem Gehäuse nach innen in die ;

Nähe der zweiten Scheibenfläche 68. Eine stromabwärtige Reihe von !

Stator schaufeln, dargestellt durch die Statorschaufel 74, ragt von j

dem äusseren Gehäuse nach innen in die Nähe der ersten Scheibenflä- ^; ehe 66. Kine Statorschaufelreihe, dargestellt durch die einzige

Schaufel 76, ragt nach innen und befindet sich in axialem Abstand !

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von der Rotoranordnung. Ein Spalt 78 befindet sich zwischen dieser Statorschaufelreihe und der Rotoranordnung.

Die Tandetttscheibe 36 ist mit der Welle 28 über den kegelstumpfförmigen Bauteil 30 verbunden. Der kegelstumpfförmige Bauteil ist einteilig mit der Welle und der Scheibe ausgebildet und ist mit der Felge 56 der stromabwärtigen Scheibe verbunden. Die Tandemschei· be ist über einen Umfangsflügel 80 an der stromaufwärtigen Scheibe angeschlossen. Der Flügel hat einen Flansch 82. Der Flügel ist an der stromaufwärtigen Scheibe durch mehrere Bolzen und Muttern befestigt/ dargestellt durch den einzigen Bolzen 84 und die Mutter 86. Jeder Bolzen ragt durch eine zugeordnete Bohrung 88 in dem Flügelflansch und durch eine zugeordnete Bohrung 90 in der Felge der sfcromaufwärtigen Scheibe.

Die Figur 4 zeigt ein anderes A.usführungsbei spiel der Erfindung mit einer anderen konstruktiven Ausbildung der Verbindung der e; tr uniabwärt igen Scheibe mit der Welle über einen kegelstumpfförmigen Bauteil.

Der kogtils-tunipfförmige Bauteil 30 hat eine inneren Teil 92 und einen äusseren Teil 94. Der innere Teil hat einen inneren Flansch ^1J6 und einen äusseren Flansch 98. Der äussere Teil hat einen inneren Flansch 100 und einen äusseren Flansch 102. Die Welle 28 hat einen Flansch I04_/der mechanisch am inneren Teil des kegel-

.stumpfförmigen Bauteiles befestigt ist, z. B. durch mehrere Bolzen Und Muttern, dargestellt durch den einzigen Bolzen 108 und Mutter 1.06.

ΙΧ.·ΐ Innere Teil ist am äusseren Teil des kegelstumpfförmigen Bau-I L'i.IUH befestigt, z. B-. durch mehrere Bolzen und Muttern, dargestellt durch den einzigen Bolzen 110 und die Mutter 112. Der a unsere Teil des kegelstumpfförmigen Bauteiles ragt'nach aussen und ist an der Folge 56 der Tandemscheibe 36 befestigt. Der äusyorc: Toil des kegels tumpf förmigen Bauteiles ist mechanisch an der Tandonisaheibe befestigt, z. B. durch mehrere Bolzen und Muttern, dargestellt durch den einzigen Bolzen 114 und die Mutter 116.

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Jede Schraubverbindung erleichtert die Herstellung und die Wartung der Rotoranordnung. Da jede Schraubverbindung eine kleine, kLassische,flache und plattenförmige Struktur dargestellt bedeutet eino Herabsetzung der Anzahl der Schraubverbindungen eine Steigerung der axialen Steifheit einer Rotoranordnung.

Während dem Betrieb des Gasturbinentriebwerkes wird Luft in dem Gebläseabschnitt 10 und dem Verdichterabschnitt \2 verdichtet zur Bildung des Hochdruck- und Hochtemperaturarbeitsmediums. Das Arbeitsmedium strömt aus dem Verdichterabschnitt in den Brennkammerabschnitt 14. In dem Brennkammerabschnitt wird Kraftstoff in der verdichteten Luft verbrannt zur Steigerung der Energie des Arbeitsmediums. Sowohl durch das Verdichten als auch durch die Verbrennung wird die Temperatur des Arbeitsmediums wesentlich gesteigert.

Das heisse Arbeitsmedium gibt Wärme durch Konvexion und Strahlung an die Triobwerksbauteile ab. Die Wärmeabgabe ist unmittelbar proportional zu der Temperatur des Arbeitsniedi ums. An den hinteren Stufen des Verdichterabsehni.ttes 12, wie z. B. in der Nähe der T ami (.'111.HCI κ? i be 36 kann die Temperatur des Arbeitsmediums 500 G bei IMn(M(I Druck von etwa 20 b ir erreichen. Ein Teil dieses Ilochcl ι uck.) rbe i t.üiaedi ums strömt durch den Spalt. 78 zwischen der Felge bh dt»» Tundemscheibe und der Statorschaufelreihe 76. Das Hochdruckmedium kann, infolge des kegelstumpfförmigen Bauteiles 30, de j in der Nähe der Felge 56 mit der Scheibe verbunden ist, nicht in Berührung mit dem Steg 54 der Tandemscheibe gelangen. Der ki'ijolstumpfförmige Bauteil verhindert unerwünschte Biegespannungen lnColge der Druckbelastung des Steges durch das Arbeitsmedium. l^Jl"-r steg ist ein klassischer Bauteil in Form einer flachen Platte und ist gegen Axialbelastungen nicht widerstandsfähig. Der kegelstumpf förmige Bauteil verhindert auch grosse Temperaturgefälle in der Scheibe durch Ausschalten des unmittelbaren Wärmeüberganges -■on den Hoch temperaturgasen auf den Steg. Falls die Hochtemperateur-'jase in unmittelbarer Berührung mit dem Steg und der Bohrung der Scheibe wären, so wurden grusse Temperaturgefälle und dementsprechend thermische Spannungen entstehen. Dieses Problem wird noch •im. stärkt durch die Kühlmittelströmung durch die öffnung 58 in der Höh rung der Scheibe. Durch die Herabsetzung der thermischen Span-

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inungejn und. durch die Ausschaltung dejfc durch*den Gasdruck beding-*; 'ten Biegespannungen wird die gesamte* Spannung ausfreichend unter die Dauei-fteiStigkeit "der Scheibe herabgesetzt, danftt die Scheibe bei äüsrjiiehender unterer Dauerwechselfestigkeit weitere mechanirsehe ?Spännu/igerk aufnehmen kann. ;. ' *

Die Behre|.j|er Erfindung nutzt den Vorteil. höhereEj mechanischer BeiastungSjJähigkeit de£ Tandemscheibe 36 aus durch Anordnen einer zweiten Säfiäu fei reihe auf der Tandemscheibe < Der ffaupfeteil der

durchvdie Zweite Schaü^elreihe 64 bedingten mechafhischen Belastung wijfd 'htytk d^r Scheibe 36 aufgenommen. In einigen A^asführungsfceispielen_:, ,iiislseliundexe' f ür raili.tärLsche Anwenduncfen, wtLrd der restliche Teil der?mechanischen Belastung durch die stromaulfwärtige Scheibe 58 unä den;|kegelstümpff.örmigen Bauteil aufgänomme|ii Entsprechend der ßrf i-n^&ig benötigt "die Tandemscheibe keine Gewichtszunahme zur '" '^u -■ "*----- tftgx durch die zweite Sdhaüfelreihe bedingten mechanischfen ff, ausserdem ist keine getrennte stromaüfwärtige Scheine

Belasjtur

erfoiüerliii^h. Dementsprechend wiegt die Roto t anordnung de- Erfindung weniger al-j| .bekannte _r übliche Ro'toranordnungen und hat d« mentsprechend|iiihe=|bessere ^r.|.tisotie Drehzahl. " ■;

Bei.iTi iäbstrilmen jäer Geissen Gase aus dem Brennkammerabschnitt 14 urip derfStrÖmung dieser Gase durch den Turbinehabschnitt I6v wird !Energie vop deä, Keissen Gasen auf die Rotoranordnung 18 über-

'--■$.--'<- ¹S ■ ^;i - -■ ■ I . ■-■ ■

trage|i. Die Ra tor anordnung leitet die Rotationsen^rgie mit einer

Drähz^ihl vqn 13ÖOO imdrehu«gen pro Minute von demf Turbinenabschnitt über'.pie; :ifelie 2 8 und den kegelstuinpfförmigen Bauteil 30 zu dem Verdiljhte'räbschnitt. Der kegelstumpffeörmige Bauteil ist an die Tandciitischeibe 3^ des Verdichterabschnittes in der; Nähe der Felge 56; ar|||_;eSö|i?|osse}i. Der Anschluss des kegelstumpf"föjhnigen Bauteiles an diSs Scribe in de>V Mähe - der Felge desselben scfiläesst den klassifSGh^I Bauteil Xn Form einer flachen Platte lius, wie er in bokartri ten piotoranordlnungen ; anzutreffen ist. Durchs die Vermeidung der e;ihJEr^!flachen, piatteniörmigen Bauteiles anhaftenden axialen wird die , kjffttische Drehzahl, der Rotorfconstruktion ge-

Zusamnit*nfassend kann festgehalten werden, dass der kegelstumpf£ör-

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¹¹¹¹ ίο ßciu Um L und die Tandemscheibe in Kombination die Konstruktion !■i-K-t Rulur jiKJidimnq 18 gestatten, welche eine kritische Drehzahl ,lulwrisi ^iJi¹ wesentlich oberhalb der Be L riebsdrehzahl der Rot Qran H'lnunq I i eq L, und zwar: (1) durch Herabsetzung des Gewichtes iIim kotor anordnung im Vergleich zu bekannten Rotoranordnungen, und (2) durch Schaffen einer in Axialrichtung steifen Verbindung -/.wischen dem Teil des Verdichterabschnittes der Rotoranordnunq und der Welle dec Rotoranordnung.

I¹I:. ist dem Fachmann geläufig, dass durch Auswahl des Gewichtes dt μ. Kotordnordnung und der Steifheit der in Axialrichtung steifen Ve'-bindung die kritischen Drehzahlen der Rotoranordnung genau fesL-Mi-leqL werden können. Γη einer solchen Rotoranordnung kann die Hc r ι obsd rrlr/.ah 1 zwischen zwei kritischen Diehzahlen oder wesentlich oberhalb <-Ι<·ι ersten kritischen Drehzahl der Rotor anordnung L ie<|i-n

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

IJ Rotoranordnung für ein Gasturbinentriebwerk mit axialem Strömungsweg für die Arbeitsmediumgase, wobei die Rotoranordnung wenigstens zwei Laufschaufelreihen aufweist, welche Schaufeln sich von der Rotoranordnung nach aussen durch den Strömungsweg erstrecken, gekennzeichnet durch eine Rotorwelle, eine Rotojjscheibe mit einer Bohrung, einem Steg und einer Felge mit einem eisten Schlitz zur Aufnahme einer ersten Laufschaufelreihe und einem zweiten Schlitz zur Aufnahme einer zweiten Laufschaufelreihe und mit einem j kegelstumpfförmigen Bauteil, der sich von der Rotorwelle nach j aussen zu der Rotorfelge erstreckt zum Abschirmen der Bohrung und j des Steges der Rotorscheibe gegen die Arbeitsmediumgase.
2. Rotoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kegelstumpfförmige Bauteil an der Welle und der■Rotorscheibö angeformt ist.

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3. Rotoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kegelstumpfförmige Bauteil einen ersten Teil aufweist, der sich von der Welle nach aussen erstreckt und einen zweiten Bauteil aufweist, der von der Scheibe nach innen ragt, wobei der erste Bauteil und der zweite Bauteil zwischen der Scheibenfelge und der Welle mechanisch miteinander verbunden sind.
4. Rotüranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der kegelstumpfförmige Bauteil mechanisch an der Rotorscheibe befestigt ist.
5. Rohranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der kegelstumpfförmige Bauteil mechanisch an der Welle befestigt ist.
6. Rohranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil des kegelstumpfförmigen Bauteiles ein äusseres Ende und ein inneres Ende aufweist, wobei das äussere Ende mechanisch an dem zweiten Teil des kegelstumpfförmigen Bauteiles befestigt ist und das innere Ende mechanisch an der Welle befestigt ist.
7. kotoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass (.-im· zweite, benachbarte Rotorscheibe mechanisch an der Felge der ersten Rotorscheibe befestigt ist, wobei die. zweite, benachbarte Rot.orsohoibe eine Felge mit einem Schlitz für eine dritte Laufschaufel reihe aufweist.
8. Roloranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Rotorscheibe an der Felge einen Umfangsflügel aufweist, der mechanisch an der zweiten benachbarten Rotorscheibe an der

l''e 1'.je derselben befestigt ist.

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