DE3127366A1 - Zweiwellen-gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Ein Zweiwellen-Gasturbinentriebwerk gemäss dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 ist beispielsweise durch die US-PS 2 428 830 bekannt.

Durch die gegebenen Widerstandsfähigkeit der verwendeten keramischen Werkstoffe ist die Betriebstemperatur begrenzt, so dass insbesondere bei triebwerken, für die nur ein begrenzter Einbauraum zur Verfügung steht, wie beispielsweise bei Fahrzeugantrieben, eine Verbesserung des Brennstoffverbrauchs und des Wirkungsgrades sehr erschwert ist.

Der £_rfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Zweiwellen-Gasturbinentriebwerk so auszugestalten, dass bei einem gedrängtem Aufbau ein erhöhter Wirkungsgrad in einem weiten Betriebsbereich durch die Möglichkeit höherer ^etriebstemp^eraturen erreicht wird.

' Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen

des Patentanspruchs 1 herausgestellten Merkmale gelöst.

j Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Er-

' findung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

j . ·· Durch die erfindungegemäsee A_uSfrestaltunp: irrt

den keramischen Elementen eine Wärmedehnung gestattet, die

! das Auftreten übermässiger Spannungen verhindert, so dass hochwärmefeste Keramikstoffe, die aber geringere mechanische Festigkeit haben, eingesetzt werden können. Die Leitungen aus Keramik sind ferner so ausgebildet, dass das Triebwerk einen geringen Raumbedarf hat, der den Einsatz

.als_Fahrzeugentrieb^erleichtert.

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In den Zeichnungen ist ein Aus führungfibeiopiel der -Erfindung dargestellt. In den Zeichnungen zeigen

Fig, 1 eine zum Teil geschnittene '^eilan-

sicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Zweiwellen-Gasturbinentriebwerks,

Pig. 2 einen Schnitt nach der Line 2-2 in

Fig.-1 in Richtung der Pfeile gesehen.

Pig. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 in

Pig. 1 in Richtung der Pfeile gesehen.

In Pig. 1 ist ein Teil eines Triebwerksblocks 10 dargestellt, zu dem ein Zwischengehäuse 12 gehört, das an seinen beiden Enden Ringflansche 14 und 16 aufweist. Der Ringflansch 14 ist mit einem Ringflansch 15 eines Verdichterturbinengehäuses 18 verbunden, während der Ringflansch 16 mit einem Ringflansch 20 eines Nutzleistungsturbinengehäuses 22 verbunden ist.

Diese Gehäuse begrenzen ein Hohlraum 24, in dem ein äusserst gedrängt aligebautes Leitungssystem 26 aus Keramik untergebracht ist. Es erhält hierdurch das Triebwerk einen geringen Raumbedarf»

Der'Triebwerksblock 10 weist ein aussen liegendes Brennkammergehäuse 28 auf, das durch einen Deckel 30 verschlossen ist, der durch S_chräuben 32 befestigt ist Diese sind am Rand vorgesehen und sind in Ansätze 34 des Brennkammergehäuses 28 eingeschraubt. Eine Dichtung 35

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schafft einen Druckraum 36, dem verdichtete Luft von einem Verdichter 38 zugefördert wird, der von der ,^erdichterturbine angetrieben ist. Diese Luft wird einer Brennkammer zugeleitet, die aus einem Flammrohr 42 aus Keramik besteht in dem in einer Brennzone 44 Brennstoff in der zugeleitete^ Luft verbrannt wird. Die nicht dargestellte Brennstoffquelle ist über einen Pitting 46 am Deckel 30 angeschlossen. Die erzeugten Treibgase werden aus der Brennzone 44 über eine Auslassleitung 48 aus Keramik weitergeleitet. Die Auslassleitung 48 weist am Auslass 52 des Brennkammergehäuses 28 einen Flansch 50 auf, der, an einen weichen, abdichtenden Lagerstück 54 abgestützt ist.

■Das Flammrohr 42 und die Auslassleitung 48 liegen in einer Achse 56, die geneigt zur Längsachse 58 der ^verdienterturbinenwelie 60 und einer Längsachse 62 der Nutzleistungsturbinenwelle 64 liegt. Die Turbinenwellen 60 und 64 liegen parallel zueinander ,sind aber zueinander versetzt, so dass zwischen ihnen das -leitungssystem 26 aus Keramik untergebracht werden kann.

Dieses besteht aus einem spiraligen ^uehäuse 66 mit einer Einlassleitung 68, die an einer abgedichteten Stelle 70 mit der Auslassleitung 48 der Brennkammer verbunden ist. Die Einlassleitung 68 hat hierzu eine erweiterte Mündung 72, während die Mündung 74 der Auslassleitung 48 hinterschnitten ist. In dem so gebildeten Ringraum ist eine hochtemperaturbeständige Schnurdichtung 76 eingelegt, die aus Aluminium- , Bor- und Siliziumoxid be-

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α β β * ·» ο » ίΐ β · ** ο ο

a ·« · ♦ * β ο ο

6 β φ ρ

O β" O

οο ö ο e

steht.

' Das Gehäuse 66 aus Keramik begipizt einen Raum 82, der nach einer Evolvente gleicher Geschwindigkeit verläuft und die Treibgase gleichförmig zu den Eintrittskanten 84 eines Kranzes 86 von ^eitschaufeln 88 leitet. Jede Leischaufel 88 passt.in Schlitze 89 und 91, die in dem ^uehäuse 66 bzw. einer Gegenplatte 90 gebildet sind. Das Gehäuse 66 haf ausserhalb einer Schulter 80 einen Umfangsflansch 78. Die Schulter 80 passt gegen ein ^xeil der G_egenplatte 90, die mit einem Umfangsflanseh 92 versehen ist, so dass ein Ringraum 94 zur Aufnahme einer ^chnurdichtung 96 gebildet ist, die ebenfalls aus Aluminium-, Bor- und Siliziumoxid besteht. Die ^uegenplatte 90 hat eine zentrale Öffnung 98 zur Aufnahme einer Nabe 100 des aus Keratoik bestehenden Verdichterturbinenrades. Die Nabe 100 hat an der Aussenseite eine Verringerung 104, diernit der erdichterturbinenwelle 60 durch einen wärmedanratenden Stopfen 106 verbunden ist, so dass Wärme von . dem im betrieb heissen Verdichterturbinenrad 102 nicht zu kühleren aussen liegenden teilen des Triebwerks übertragen wird.

Das Ende der ^verdichterturbinenwelle 60 ist von einer Dichtung 108 umgeben, die von einem an einer Halteplatte 112 befestigten Dichtungsgehäuse 110 umgeben ist, wobei eine äussere Halteplatte 114 mehrere ringförmige Dichtungselemente 116,118 und 120 abdichtend gegen

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den Umfang des Endes der Verdichterturbinenwelle 60 hält.Die Welle 60 selbst ist über ein Lager 122 in einem Lagerstuhl 124 abgestützt, der an einem Segment 126 des erdichterturbinengehäuses 18 sitzt. Eine Dichtungsplatte 128 ist durch eine Dichtung abgedichtet gegen eine an der ^egenplatte sitzende Rückplatte 132 von den aussen liegenden Teilen der Abdichtung durch einen wärmedämmenden Block 134 mit hohem K-Beiwert getrennt. Das Verdichterturbinenrad ¹^ wird radial einwärts durchströmt, so dass die Treibgase von den Austrittskanten 136 der ^eitschaufeln 88 den Eintrittskanten 138 von ^erdichterturbinenschaufeln 140 zugeleitet werden und von deren Austrittskanten 142 öiner zentralen Auslassleitung zuströmen, die im ^ehäuse 66 gebildet ist. Diese folgt der radialen Kante 146 der Verdichterturbinensehaufein 140.

Die Auslassleitung 144 nimmt das mit einem

Plansch 148 versehene Ende einer zylindrischen Einlassleitun 150 auf, die Teil eines Gehäuses 152 aus Keramik für die liutzleistungsturbine ist. Die Einlassleitung I50 arbeitet .-!1 :3 \>i ffuHor und kehrt den von der Verdichterturhine ab-• :·trennenden Treibgasstrom unter Umlenkung nach unten um.

Zum Erzielen des gedrängten Aufbaus tritt die Einlassleitung 150 an der Einlassleitung 68 zur ^erdichterturbine vorbei. Die Treibgase gelangen damit in den Bereich eines j Kutzleistungsturbinenrades 154, das auf einer Mutzleistunirsj turbinenwelle 64 in einer im Gehäuse 152 gebildeten Kammer 156 sitzt. Die

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Kammer wird durch eine ^egenplatte 158 aus Keramik begrenz;, Das ^uehäuse 152 aus Keramik hat einen Umfangsflansch 160, der zu einem Umfangsflansch 162 der ^egenplatte 158 passt, und an beiden sind die Kanten 164 ,166 so ausgebildet, dass ein Ringraum 168 zur Aufnahme einer Schnurdichtung 170 entsteht, die aus einem hochwärmefestem Werkstoff besteht. Das Nutzleistungsturbinenrad 154 besteht aus Keramik und tritt mit seiner N_nbe 172 durch eine Öffnung 174 eines Lagerstuhls 176, der aussen an der "egenplatte 158 sitzt. Das Ende der Nutzleistungsturbinenwelle 64 ist in einem Lager 178 abgestützt. Eine Dichtung 180 dichtet gegen eine Verlängerung 182 der Welle 64 ab, die mit einem wärmedämmenden Zapfen^ersehen ist, der die Verbindung zwischen der Welle und der Nabe herstellt. Das Nutzleistungsturbinenrad 154 weist mehrere radiale Schaufeln 186, deren Kopf 188 einer Hülle 190 entspricht, die durch die Innenwand des Gehäuses 152 gegeben j 3t. Jede Nutz] ei rtungf: turbinenschaufel 186 hat eine Eintrittskante, der die Treibgase aus einem Kranz von Leitschaufeln 194 zugeleitet werden, die radial auswärts des Nutzleistungsturbinenrades 154 angeordnet sind, denen sie über einen durch eine Evolvente gleicher Geschwindigkeit begrenzten Raum 196 des Gehäuses zuströmen, und aus dem Eintrittsleitung 150 austretend gleichmässig verteilt werden. Die G_eg_enpi_a-tte 158 weist eine zentrale Platte 197 auf, die gegen den Lagerstuhl 176 durch einen O-Ring 199 abgedichtet ist.

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Das ^uehäuse 152 hat eine zentrale Auslassleitung 198 , j deren Fläche 200 die aus dem Nutzleistungsturbinenrad 154 austreten· Treibgase zu einer Auslassleitung 204 aus Keramik leiten, wobei zur Auslassleitung 198 eine Abdichtung durch eine Dichtung 208 erfolgt. Die Auslassleitung 204 ist mit einem zylindrischen Teil 207 zwischen Segmenten der Einlassleitung 150 angeordnet und hat eine sich erweiternde Mündung 210, die abgedichtet an die heisse Seite eines Drehspeicherwärmetauschers angeschlossen ist.

Das keramische Leitungssystem 26 stellt somit einen durchgehenden -^eitungsweg für die Treibgase aus hochwärmebeständiger Keramik dar, der gasdicht von der Brennkammer 40 beginnend bis zum Auspuff verläuft.

In der ^erdichterturbine können Temperaturen

{ von über 1O93°C auftreten. Durch die Diffusorwirkung in

dem leitungssystem 26 treten nur geringe Druckverluste _; ein, obwohl ein gedrängter Aufbau mit Umkehr der Ströiiiur:,^;·!· i ch t,unp; vorliegt. Der ^erinpie Raumbedarf dieses

! Leitungssystems 26 führt wiederum zu einem geringen ^aun-

bedarf des gesamten Triebwerks, der für bestimmte Einbau-I

Verhältnisse günstig ist. Die Verwendung der keramischen Bauteile gestattet den Betrieb mit erhöhten Temperaturen, ohne übermässigen Abrieb der Teile oder Verlust der -^esti* keit. Der Betrieb mit höheren Temperaturen führt aber zu kleineren Brennstoffverbrauch.

Die keramischen Bauteile werden von dem sie umgebenden Triebwerksblock 10 getragen, sind aber von

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diesem thermisch isoliert. Diese vorteilhafte Abstützimg ist in Fig. 2 deutlicher dargestellt. An jedem der Umfangrflansche 78 und 92 sind mehrere über den Umfang verteilte Lappen 214 und 216 gebildet. Sie liegen in einer Fläche 218 gegeneinander an (Fig.1) und bilden eine im wesentlichen rechteckige zapfenartige erbindung zwischen den durch sie verbundenen Teilen, die eine vordere Fläche 220 und eine hintere Fläche 222 haben und ferner Seitenflächen ??4 und 226. ]Jer 'L'riebwerkebLock hat e.in spinnenähnlich aufgebautes Tragsystem 228 mit vorderen und

hinteren Speichen 230 und 232, die im ^uehäuse 12 am Flanscjh 14 und im Verdichtergehäuse 18 angegossen sind (Fig„1)_f wobei deren Enden 234 und 236 abgebogen mit ebenen Flächen neben den Flächen- 220 und 222 liegen. Wärmedämmende Schichten 238 und 240 liegen in dem Raum und nehmen die zusamnenstossenden Lappen 214,216 verschieblich auf, wodurch Wärmedehnungen zum Triebswerksblock 10 ausgeglichen werden. Das -L'ragsystem 228 hat ferner Speichen 242 und mit, abgebogenen Enden und Führun^s Π ächen 24 6 und 248, die die Flächen 224 und 226 der ^appen 214 und 216 abstützen, um das keramische Leitungssystem 26 an über den Umfang verteilten Stellen des ehäuses 66 abzustützen,,

Ein ähnliches Tragsytem ist zur Abstützung des keramischen ^ehäuses 152 und der ^Gegenplatte 158 für die Nutzleistungsturbine vorgesehen. Über den Umfang des Gehäuses 152 und der ^egenplatte 158 verteilt sind zu-

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passende Lappen 250 und 252 vorgesehen. Deren Flächen arbeiten in gleicher Weise mit einem Tragsyatem 254 zusammen das Speichen 256 und 258 enthält. Der Flansch 16 hat mehrere Seitenarme 260 und 262, die die keramischen 'J-'eile in ümfangsrichtung zum Triebwerksblock 10 festlegen.

Eine wärmedämmende Sperre 264 ist zwischen jeder Speiche

und den Flächen der Lappen 260 und 262 gebildet, um die

heissen keramischen ^τβ11β gegen den metallischen Triebwerksblock zu isolieren, wobei Wärmedehnungen der keramischen l'eile ohne übermässige Spannungen gestattet sind. Durch die erfindungsgemässe Ausbildung ist die Zuverlässigkeit der keramischen Leitungswege in einem weiten -^etriebsbereich der Turbinen auch bei starken Tem-

j peraturschwankungen gewährleistet, da auch bei diesen ■ keine übermässigen Spannungen in den keramischen '^eilen entstehen. Es können diese also aus hochwärmefesten Werkstoffen gewählt werden, die im allgemeinen eine geringere mechanische Festigkeit aufweisen.

Bei einer ausgeführten Anlage bestand der · Triebwerksblock 10 aus Gußeisen mit Kugelgraphit an den vorderen und hinteren Abstützungen des Sehäuses 66 aus Keramik an den Flächen 220 bzw. 232. Die keramischen Bestandteile des Leitungssystems 26 bestanden aus geaintorte Alphn-Si ] iziumcnrbid und die üchiirdichtun^en aus Aiurnin i urj Bor- und Siliziumoxid.

Die wärmedämmenden Werkstoffe an den Trag-

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systemen Gestanden aus Bornitrid und wurden an vier Stellen der Speichen vorgesehen.

Die Dichtungsplatte 128 wurde aus Mullit ΑΙρΟ,-SiOp hergestellt. Dieses bildet eine vorzüglichen Wärmedämmstoff und kann auch zur Erstellung der Zapfen 106 und 184 an den Turh^inenwellen verwendet werden.

Claims (3)

1. n₉.κ.wanner ^{109 495} 31273ο

   3o!ivaraiiea 9 . :

   BERLIN 19

   9.JuIi 1981 W-w-3478

   General Motors Corporation, Detroit, Michigan, V.St.A.'

   Zweiwelien-Gasturbinentriebwerk

   Patentansprüche :

   r 1 J Zv/eiwellen-Gasturbinentriebwerk mit einem Triebwerksblock (10) bestehend aus einer Brennkammer (40), einer Verdichterturbine (102) und einer Nutzleistungstur-

   bine (154), gekennzeichnet durch

   folgende Merkmale: Keramik/

   a) Ein erstes Gehäuse (66)/bildet eine Kammer für die Verdichterturbine und weist eine zentrale Auslassleitung (144) und eine gekrümmte Einlassleitung (68) auf;

   j b) die Einlassleitung erstreckt sich rings um die Auslassleitung und ist zur Achse (58) des Verdichterturbinenraries (102) geneigt und mit dem Auslass der Brennkam- i iner (40) verbunden, um Treibgase der ^verdichterturbinf; zuzuleiten

   c) ein zweites Gehäuse (152) aus Keramik bildet eine Kammer für die Nutzleistungsturbine, die mit ihrer Turbinenradachse (62) parallel zur Verdichterturbinenradachse (58) versetzt ist;

   d) das zweite Gehäuse weist eine.. Einlassleitung (150) auf, die neben der Einlassleitung (68) zur ^verdichter-

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   turbine vorbeitretend mit deren Auslassleitung (140) verbunden ist und den ^ersatz zwischen den beiden Turbinenachsen überbrückt und dabei' eine geringe axiale Strömungslänge aufweist, um Strömungsverluste zwischen Verdichterturbine und Nutζleistungsturbine gering zu halten;

   e) das zv-fite Gehäuse (152) enthält eine zentrale Auslasc-. leitung (198)

   f) das erste und das zweite Gehäuse sind durch Verbindungs elemente ( 228,254) mit dem Triebwerksblock (10) verbunden , die die keramischen Teilö gegen mechanische und thermische Spannungen isolieren.
2. 2. Zweiwellen-Gasturbinentriebwerk mit einem Drehspeicherwärmetauscher, gekennzeichnet durch das weitere Merkmal:

   g) Ein drittes Gehäuse (204) aus Keramik enthält eine rohr förrnitfe, mit der· zentralen Auslassleitung (198) des zweiten Gehäuses (152) verbundene ^eitung (206), die W mit einem sich erweiternden Teil (210) zum Einlass des Drehspeicherwärmetauschers erstreckt.
3. 3. Zweiwellen-Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale :

   h) das erste Gehäuse weist eine erste Gegenplatte (90) mit einem Umfangsflansch (92) und eine erpte spirnlire Hülle (66) aus Keramik mit einem Umfangsplansch (78)

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   α © β *

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   auf, die in den flanschen zusammengefügt die Kammer für die ^erdichterturbine begrenzen;

   i) das zweite Gehäuse aus Keramik weist eine zweite Gegenplatte (158) und eine zweite spiralige Hülle (152) auf, die über Umfangsflansche ( 160 bzw.162) miteinander verbunden die Kammer für die Nutzleistungsturbine berrenzen;

   k) die Umfangsflaneehe (78,92,160,162) der ^uegenplatten und der Hüllen sind mit dem Triebwerksblock (10) über die ^verbindungselemente (228,254) unter Isolation der keramischen ^xeile gegen mechanische und thermische Spannungen verbunden.