DE3210218A1

DE3210218A1 - Turbine fuer ein gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE3210218A1
Application number: DE19823210218
Authority: DE
Inventors: Richard Paul Morrow Ohio Johnston
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1981-03-26
Filing date: 1982-03-19
Publication date: 1982-10-07
Also published as: DE3210218C2; JPH0223683B2; GB2095764B; IT8220265A0; US4433955A; FR2502691B1; GB2095764A; JPS57173505A; IT1150489B; FR2502691A1

Description

Beschreibung

Turbine für ein Gasturbinentriebwerk

Die Erfindung betrifft eine Turbine für ein Gasturbinentriebwerk.

Die Erfindung schafft eine neue und verbesserte Turbinenanordnung, in der die Radialachsen der Turbinenlaufschaufeln und der Turbinenleitschaufein so angeordnet sind, daß sie im wesentlichen normal zu der mittleren Strombahn der durch die Turbine strömenden Gase sind.

Die erfindungsgemäße Turbinenanordnung für ein Gasturbinentriebwerk verringert Verluste an den Laufschaufelspitzen und erhöht deshalb den Triebwerkswirkungsgrad. Die Turbine nach der Erfindung enthält einen im Querschnitt ring-

förmigen Gasströmungsweg und mehrere Laufschaufel- und Leitschaufelkränze. Die Laufschaufelkränze enthalten mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete Laufschaufeln, und die Leitschaufelkränze enthalten mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete Leitschaufeln. Der Strömungsweg ist so angeordnet, daß in wenigstens einem Teil desselben die mittlere Strombahn der durch den Strömungsweg strömenden heißen Gase von der Triebwerkslängsachse weg geneigt ist. Die Radialachsen der Laufschaufeln und der Leitschaufeln sind in diesem Teil des Strömungsweges so geneigt, daß die Achsen zu der mittleren Strombahn im wesentlichen normal sind.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist der Strömungsweg so angeordnet, daß an seinem stromabwärtigen Ende die mittlere Strombahn zu der Triebwerkslängsachse im wesentlichen parallel ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines Gas

turbinentriebwerks mit der Turbine nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Längsschnittansicht der oberen

Hälfte der Turbine nach der Erfindung und

Fig. 3 eine Längsschnittansicht der oberen

Hälfte einer bekannten Turbine.

Fig. 1 zeigt ein typisches Gasturbinentriebwerk 8. Das Triebwerk 8 ist im wesentlichen konzentrisch um eine durch eine strichpunktierte Linie dargestellte Längsachse 10 angeordnet und enthält einen Fan 12, einen Verdichter 14, eine Brennkammer 16, eine Hochdruckturbine 18 und eine Niederdruckturbine 20. Luft wird in dem Verdichter 14 verdichtet und strömt dann in die Brennkammer 16, in der sie mit Brennstoff vermischt und gezündet wird. Die sich ergebenden expandierenden heißen Gase strömen über die Laufschaufeln der Hochdruckturbine 18 und der Niederdruckturbine 20 und versetzen beide Turbinen in Drehung. Die Hochdruckturbine 18 dreht den Verdichter 14 über eine Welle 22. Die Niederdruckturbine 20 dreht den Fan 12 und andere Teile über eine Welle 24. Fig. 1 zeigt zwar ein Turbofan-Triebwerk, die im folgenden beschriebene Erfindung kann jedoch bei jeder Art von Gasturbinentriebwerk benutzt werden.

Fig. 2 zeigt den Niederdruckturbinenabschnitt 20 des Triebwerks 8. Der Turbinenabschnitt enthält einen im Querschnitt ringförmigen Gasströmungsweg 30, der eine radial innere und eine radial äußere Begrenzung 32 bzw. 34 aufweist. Diese Begrenzungen können beispielsweise aus Ummantelungen und Bändern bestehen. Die heißen Gase, die die Brennkammer 16 verlassen, strömen über den Strömungsweg 30, versetzen die Turbine 20 in Drehung und verlassen dann das Triebwerk 8 über dessen stromabwärtiges Ende.

Die mittlere Strombahn, die durch eine strichpunktierte Linie 36 angedeutet ist, ist eine Stromlinie, die durch eine Geschwindigkeit und eine Strömungsrichtung gekennzeichnet ist, bei denen es sich um die mittlere Geschwindigkeit bzw. die mittlere Strömungsrichtung der Teilchen

3210213 t

der Gase in sämtlichen Punkten längs des Gasströmungsweges 30 handelt. Der Gasströmungsweg 30 ist so angeordnet, daß in stromabwärtiger Richtung auf wenigstens einem Teil des GasStrömungsweges die mittlere Strombahn 36 von der Triebwerkslängsachse 10 weg geneigt ist. Diese Anordnung gestattet eine schnelle Erweiterung oder einen hohen Grad an Neigung des Gasströmungsweges 30 radial nach außen. Das ist erwünscht, weil die Laufschaufeln 44 in den vorderen Stufen der Turbine dadurch einen größeren radialen Abstand von der Triebwerkslängsachse 10 und somit einen längeren Hebelarm haben als in dem Fall von Laufschaufeln, die sich in einem nichtgeneigten oder eine geringere Neigung aufweisenden Strömungsweg befinden. Der längere Hebelarm gestattet eine wirksamere übertragung von aerodynamischer Energie von den durch den Strömungsweg strömenden Gasen auf den Turbinenrotor.

Vorzugsweise ist der Gasströmungsweg 30 so angeordnet, daß an seinem stromabwärtigen Ende die mittlere Strombahn 36 im wesentlichen parallel zu der Triebwerkslängsachse 10 ist. Der Triebwerksschub ist dadurch im wesentlichen parallel zu der Triebwerkslängsachse 10 gerichtet.

Die Niederdruckturbine 20 enthält wenigstens einen und vorzugsweise mehrere Laufschaufelkränze 40, die gegenseitigen Abstand aufweisen und sich mit mehreren Leitschaufelkränzen 42 abwechseln, wobei die Laufschaufelkränze und die Leitschaufelkränze in dem Strömungsweg 30 angeordnet sind. Jeder Laufschaufelkranz 40 enthält mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete Laufschaufeln 44, die auf geeignete Weise gemeinsam befestigt sind, beispielsweise an einer Rotorscheibe, die sich um die Triebwerkslängsachse 10 dreht. Jeder Leitschaufelkranz 42 weist mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand

_ Jg _

angeordnete Leitschaufeln 46 auf, die gemeinsam auf geeignete Weise befestigt sind. Die Leitschaufelkränze 4 2 sind jeweils um die Triebwerkslängsachse 10 angeordnet und bleiben feststehend, um die heißen Gase aus der Brennkammer so zu richten, daß sie stromabwärts von ihnen über die Laufschaufeln 44 strömen. Die Laufschaufeln 44 und die Leitschaufeln 46 erstrecken sich vorzugsweise im wesentlichen über die gesamte Strecke zwischen der radial inneren und der radial äußeren Begrenzung 32 bzw. 34 des Strömungsweges 30.

Die Turbinenanordnung nach der Erfindung ist gegenüber bekannten Turbinenanordnungen dadurch besonders vorteilhaft., daß in ihr die Laufschaufeln 44 und die Leitschaufeln 46 im wesentlichen normal zu der mittleren Strombahn 36 der durch den Gasströmungsweg 30 strömenden Brennkammergase angeordnet sind. Diese Anordnung bewirkt, daß die Gase aus der Brennkammer in Richtung der Profilsehne über die Oberflächen der Laufschaufeln 44 strömen, und verringert die Tendenz der Gase, in Schaufellängsrichtung zu den radial äußeren Enden der Laufschaufeln zu strömen. Dadurch werden Spitzenverluste verringert, und der Turbinenwirkungsgrad wird vergrößert.

Die Laufschaufeln 44 und die Leitschaufeln 46 haben radiale Achsen, die durch strichpunktierte Linien 50 dargestellt sind und sich in Schaufellängsrichtung durch deren radial innere und radial äußere Enden erstrecken. Die Laufschaufeln 44 und die Leitschaufeln 46 sind so angeordnet, daß ihre radialen Achsen 50 im wesentlichen normal oder rechtwinkelig zu der mittleren Strombahn 36 sind. Mit "im wesentlichen normal" ist gemeint, daß die radialen Achsen

50 und die mittlere Strombahn 36 ausreichend angenähert einen rechten Winkel miteinander bilden, damit die gewünschte Verringerung der Strömungsverluste an den Schaufelspitzen erreicht wird. Zum Erzielen dieser Beziehung in dem Teil des Strömungsweges 30, wo die mittlere Strombahn 36 von der Triebwerkslängsachse 10 weg geneigt ist, sind die radialen Achsen 50 unter einem Winkel von weniger als 90° gegen die Triebwerkslängsachse 10 nach vorn geneigt. Gemäß Fig. 2 bilden beispielsweise die Achsen 50 einer Laufschaufel 44a und einer Leitschaufel 46a einen Winkel von a bzw. a¹ mit der Triebwerkslängsachse 10.

In dem Teil des Strömungsweges 30, in welchem die mittlere Strombahn 36 paralleler zu der Triebwerkslängsachse wird, sind die Laufschaufeln 44 und die Leitschaufeln 46 ebenfalls so angeordnet, daß ihre radialen Achsen 50 im wesentlichen normal zu der mittleren Strombahn 36 sind. Entsprechend haben in diesem Teil des Strömungsweges 30 die radialen Achsen 50 eine geringe oder keine Vorwärtsneigung und bilden deshalb einen Winkel mit der Triebwerkslängsachse 10, der näher bei 90° liegt. Beispielsweise bilden die radialen Achsen 50 der Laufschaufel 44b und der Leitschaufel 46b Winkel b bzw. b' mit der Triebwerkslängsachse 10. Vorzugsweise sind die radialen Achsen 50 der Laufschaufeln 44 und der Leitschaufeln 46 sämtlicher Laufschaufelkränze 40 und sämtlicher Leitschaufelkränze 42 der Turbine 20 so angeordnet, daß sie zu der mittleren Strombahn 36 im wesentlichen normal sind. Zur Erzielung maximaler baulicher Festigkeit ist es vorzuziehen, die Fußteile 52, die nicht in dem Gasströmungsweg 30 angeordnet sind, von sämtlichen Laufschaufeln 44 so auszurichten, daß ihre radialen Achsen zu der Triebwerkslängsachse 10 normal sind.

- χ -AO

Fig. 3 zeigt eine typische bekannte Turbinenanordnung. Ein Teil der mittleren Strombahn 6 0 ist von der Triebwerkslängsachse 62 weg geneigt. Die radialen Achsen 64 der Laufschaufeln 66 und der Leitschaufeln 68 sind jedoch nicht nach vorn geneigt. Wenn die mittlere Strombahn 60 geneigt ist, geht sie daher unter einem Winkel über die Laufschaufeln 66 und die Leitschaufeln 68 hinweg. Ein Teil der heißen Gase wird dadurch die Tendenz haben, in Schaufellängsrichtung an der Laufschaufel entlangzuströmen, was zu unerwünschten Spitzenverlusten und zu einer entsprechenden Verringerung des Triebwerkswirkungsgrades führt. Weiter wird der Neigungsgrad, der dem im Querschnitt ringförmigen GasStrömungsweg 70 gegeben werden kann, durch das maximale Ausmaß an zulässigen Spitzenverlusten begrenzt. Der Turbinenkonstruktion wird somit eine konstruktive Beschränkung auferlegt, die durch die nichtgeneigten Laufschaufeln 66 und Leitschaufeln verursacht wird. ■

Die Turbinenanordnung nach der Erfindung, die in Fig. 2 gezeigt ist, verringert deshalb Spitzenverluste in Turbinen, die stark geneigte mittlere Strombahnen 36 haben. Weiter gestattet die Erfindung, den im Querschnitt ringförmigen Gasströmungsweg 30 konstruktiv so auszubilden, daß er eine Neigung hat, die größer ist als es bei der in Fig. 3 gezeigten bekannten Turbinenanordnung praktisch möglich wäre.

Claims

Ansprüche :

1.) Turbine für ein Gasturbinentriebwerk, das im wesentlichen konzentrisch um seine Längsachse (10) angeordnet ist, die eine Brennkammer (16) des Triebwerks verlassende heiße Gase empfängt und durch diese in Drehung versetzt wird, gekennzeichnet durch:

a) einen im Querschnitt ringförmigen Gasströmungsweg (30), der um die Triebwerkslängsachse (10) angeordnet ist, eine radial innere und eine radial äußere Begrenzung (32, 34) aufweist und so angeordnet ist, daß in stromabwärtiger Richtung auf wenigstens einem Teil seiner Länge die mittlere Strombahn (36) der durch ihn hindurchströmenden heißen Gase von der Triebwerkslängsachse

(10) weg geneigt ist; und

b) mehrere Laufschaufelkränze (40) und Leitschaufelkränze (42), die in gegenseitigem Abstand

_ ο —

und miteinander abwechselnd in dem Strömungsweg (30) angeordnet sind und jeweils mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete Laufschaufeln (44) bzw. Leitschaufeln (46) aufweisen, wobei die Laufschaufeln und die Leitschaufeln von wenigstens einigen der Lauf- und Leitschaufelkränze innerhalb des Teils des Strömungsweges (30), wo die mittlere Strombahn (36) von der Triebwerkslängsachse (10) weg geneigt ist, radiale Achsen (50) haben, die unter einem Winkel (a, a¹) von weniger als 90° gegen die Triebwerkslängsachse (10) geneigt sind, so daß die radialen Achsen im wesentlichen normal zu der mittleren Strombahn (36) sind.

2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsweg (30) so angeordnet ist, daß an seinem stromabwärtigen Ende die mittlere Strombahn (36) im wesentlichen parallel zu der Triebwerkslängsachse (10) ist.

3. Turbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsweg (30) so angeordnet ist, daß der Winkel, den die mittlere Strombahn (36) mit der Triebwerkslängsachse (10) bildet, vom stromaufwärtigen zum stromabwärtigen Ende des Strömungsweges abnimmt.

4. Turbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in stromabwärtiger Richtung der Strömungsweg (30) in der Höhe seines ringförmigen Querschnittes größer wird.

5. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Achsen (50) der Laufschaufeln (44) und der Leitschaufeln (46) sämtlicher Laufund Leitschaufelkränze (40, 42) der Turbine (20) so an-

geordnet sind, daß sie zu der mittleren Strombahn (36) im wesentlichen normal sind.

6. Turbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufeln (44) Fußteile (52) aufweisen, die außerhalb des Strömungsweges (30) angeordnet sind und radiale Achsen haben, welche zu der Triebwerkslängsachse (10) normal sind.