DE3315914C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1.

Schon der Axialspalt im äußeren Durchmesserbereich der radialen End­ stufe eines kombinierten Axial-Radialverdichters ist von entscheiden­ dem Einfluß auf den Wirkungsgrad und das Betriebsverhalten des Ver­ dichters und somit des gesamten Triebwerkes. Für ein Triebwerk der 1000 kw-Leistungsklasse bedeutet z. B. eine Vergrößerung des genannten Spaltes um 0,1 mm auf 0,3 mm eine Verschlechterung des Ver­ dichterwirkungsgrades um rund 1%; daraus resultiert eine Ver­ schlechterung des spezifischen Brennstoffverbrauchs um rund 1,6% bei einer gleichzeitigen Verschlechterung der durchsatzbezogenen Leistung um mehr als 2%.

Bei bereits bekannter Triebwerksbauweise mit einschaligem Verdichter­ gehäuse und Festlageranordnung im Verdichtereinlauf sind vergleichs­ weise große Spaltänderungen zwischen Montage, Leerlauf- und Vollast­ betrieb in Kauf zu nehmen, da der Wärmedehnungsanteil des Verdichter­ gehäuses gegenüber den anderen Anteilen dominant ist.

Bei einer Anordnung des Gasgeneratorfestlagers hinter dem Radialver­ dichter und vor der Hochdruck- bzw. Verdichterantriebsturbine wäre zwar schon eine vergleichsweise akzeptable Spalthaltung erzielbar; hierbei bedingt jedoch die Festlagerversorgung und -entsorgung Kom­ promisse beim Durchtritt der betreffenden Versorgungsleitungen durch die Hauptströmung, und zwar insbesondere im Bereich des Diffusor­ systems, wodurch wiederum nicht unerhebliche Nachteile hinsichtlich des Verdichterwirkungsgrades in Kauf genommen werden müssen, und zwar als Folge sogenannter "Nachlaufdellen", die durch vergleichsweise dickwandige Diffusorschaufeln wegen der Versorgungshindurchführung durch die letzteren verursacht werden. Es bedingt also der erhöhte Wärmeanfall eines in der besprochenen Weise zu verwendenden Gas­ generatorfestlagers als Kugellager gegenüber einem Loslager eine er­ höhte Schmierstoffzu- und -abfuhr, woraus die schon erwähnten ver­ gleichsweise großen Versorgungsleitungsquerschnitte resultieren, die zu einer nicht unerheblichen, unerwünschten Versperrung der Haupt­ strömung führen, wodurch sich die vergleichsweise stark ausgeprägten "Nachlaufdellen" ergeben. Mit allgemeinen Worten ausgedrückt, ge­ staltet sich somit die besprochene Festlageranordnung hinsichtlich einer optimalen Wärmeabfuhr als Folge der örtlichen Triebwerksumgebung vergleichsweise schwierig.

Darüber hinaus bereitet es nach wie vor vergleichsweise große Schwie­ rigkeiten, insbesondere hinsichtlich der zu verwendenden Ver­ dichtergehäuse- und/oder Rotorwerkstoffe derart auf der "sicheren Sei­ te" zu liegen, daß im Benehmen mit dem eingangs umrissenen Problem­ kreis die gewünschte Spaltoptimierung erzielt werden kann, insbe­ sondere im Hinblick auf starke Lastschwankungen bzw. häufig auf­ tretende instationäre Betriebszustände.

Aus der dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 als Stand der Technik zugrunde gelegten DE-OS 21 65 528 ist eine mechanisch justierbare und fixierbare Einstellvorrichtung des Schaufelspalts bekannt; und zwar mittels Stellschrauben am Schlitz, der zugleich Luftabblaseschlitz stromab des Axialteils des Verdichters ist und der die Deckscheibe des Radialverdichters von der zum Axialverdichterteil gehörenden Gehäuse­ schale (innen) trennt; dabei sollen die Deckscheibe und/oder diese Gehäuseschale in axialer Richtung relativ zur betreffenden beschau­ felten Rotorposition justiert werden können. Im bekannten Fall sitzen die Innenschale - hier bezüglich der Gehäuseschale des Axialver­ dichterteils - und Außenschale, unter Einschluß eines Ringraums, mit verhältnsimäßig großen Bauteilsitz- und Paßflächen aneinander auf; mit anderen Worten, liegt im bekannten Fall keine von Spannungs-, Deh­ nungs- sowie aerodynamischen Einflüssen möglichst unbeeinflußte Ge­ staltbarkeit der tragenden Außenschale vor, zumal Innen- und Außen­ schale des Verdichtergehäuses unmittelbar gemeinsam einen Ringraum für die Luftabblasung einschließen sollen, der mit benanntem Schlitz in Verbindung steht. Im bekannten Fall liegen ferner keine gezielten ge­ häuseseitigen Material- und Dehnungsvorgaben vor, die u. a. in Abstim­ mung auf axiale, radiale thermische Wandungen des Rotors eine über den gesamten Betriebszustand selbsttätige, mit möglichst geringen Wir­ kungsgradeinbußen verbundene Schaufelspaltoptimierung erzielen lassen könnten.

Die DE-OS 29 50 752 behandelt einen Berstschutzring, insbesondere ei­ nes Gebläsekanals eines Fan-Gasturbinentriebwerks, der in das Ge­ bläsegehäuse eingebunden sein kann. Dabei soll der Berstschutzring über einen im wesentlichen starren Zylinder durch Verwebung, Knüpfung oder Wickeln von Einbettungsfasern hergestellt werden. Im bekannten Fall können mehrere Schichten um den betreffenden Zylinder gewickelter Bahnen von Fasern, wie aromatische Polyamid-Fasern oder Glas-, Kohle- oder Metallfasern bzw. "Kevlar-Fasern" vorgesehen sein.

Die US-PS 43 77 370 behandelt eine Berstschutzreinrichtung an einem äußeren Gehäuse eines Gasturbinentriebwerks. Zwischen radial abgewin­ kelten Endteilen einer den Rotorschaufeln unmittelbar benachbarten inneren Gehäusestruktur kann ein spezieller Berstschutzring einge­ schraubt sein, der radial innen aus Stahl-Waben, radial außen aus Leichtmetall-Waben bestehen soll; zwischen diesen beiden Waben-Strukturen soll eine zwischen Stahlmänteln eingebettete, ge­ schäumte Kunstharzmatrix angeordnet sein, in die in Umfangsrichtung gewickelte Polyimid-Fasern eingebettet sein sollen.

Aus der GB-PS 8 88 109 ist ein Gasturbinentriebwerk mit einem kom­ binierten Axial-Radialverdichter bekannt. Dabei weist das gemeinsame Verdichtergehäuse eine tragende einstückige Außenschale auf, die am stromaufwärtigen Ende fest mit einem Teil des Ansauggehäuses und am stromabwärtigen Ende, zusammen mit der Deckscheibe des Radialver­ dichters, mit dem Diffusorgehäuse verbunden ist; die den Axialver­ dichterteil unmittelbar umspannende Statorkonstruktion besteht aus aneinandergereihten, zungenartig ineinandergreifenden Mantelringen, von denen ein letzter, stromabwärtig über eine Zapfenverbindung um­ fangsverdrehgesichert mit dem örtlichen Ende der Deckscheibe verbunden ist. Den Axialteil des Verdichters betreffend, ergibt sich im be­ kannten Fall keine eigenständige und einstückige Schalenkonfiguration der aus Mantelringen zusammengesetzten Statorkonstruktion, mit anderen Worten, ist dabei die Außenschale nicht frei von Deformationen und Kräften aus der in Mantelringe zergliederten Statorkonstruktion des Axialverdichterteils. Außenschale des Verdichtergehäuses und be­ treffende Statorkonstruktion (Mantelringe) schließen im bekannten Fall einen im wesentlichen über die Gesamtlänge des Verdichters sich er­ streckenden Ringraum ein; ein weiterer Ringraum für von außen zuge­ führte Ansaugluft ergibt sich im bekannten Fall durch eine sich in axialer Richtung außen erstreckende Abdeckwand, die der Außenschale radial gegenüberliegt, und die auf der einen Seite fest mit dem Diffu­ sorgehäuse und auf der anderen Seite als Gleitsitz eine zum Ansaugge­ häuse geführte Wand tangiert. Bezüglich der Verdichtergehäuse- und der Rotorkonfiguration liegen aus dem bekannten Fall keine Hinweise bezüg­ lich gegenseitiger, insbesondere materialseitiger Abstimmungen vor, um das Laufspaltverhalten zu optimieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gasturbinentriebwerk gemäß Gattung des Patentanspruchs 1 anzugeben, bei dem die zu Be­ kanntem vorgetragenen nachteilhaften aerodynamischen Kompromisse be­ züglich der Ver- und Entsorgung eines als Festlager ausgebildeten, hinter dem Radialverdichter angeordneten Lagers zu beseitigen und da­ bei zugleich über einen vergleichsweise weiten Betriebsbereich (stationär/instationär) zu minimalen, möglichst konstanten Lauf­ spalten, insbesondere beim Radialverdichter, zu gelangen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich erfindungsgemäß aus den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Patentanspruchs 1.

Die angegebene Ausbildung des Verdichtergehäuses in Verbindung mit der sich abstützenden Anordnung des Festlagers am doppelwandigen Einlauf­ gehäuse vermeidet im Wege der dargestellten Gehäuseverbundwerkstoffe und -dehnungskriterien in Relation zu axialen und radialen thermischen Wandungen des Rotors die eingangs zu Bekanntem erwähnten Nachteile und garantiert minimale Änderungen des Laufspaltes zwischen Leerlauf und Vollastbetrieb.

Neben dem günstigen Einfluß auf das Spaltverhalten des Verdichters bietet die angegebene zweischalige Gehäusebauweise folgende Vorteile:

• - glatte umfangsperiphere Gestaltbarkeit des Triebwerks im Ver­ dichterbereich,
• - Übernahme sämtlicher struktureller Funktionen im vorderen Trieb­ werksbereich durch die äußere Gehäuseschale, wodurch die geo­ metrisch komplexe, der Strömung unmittelbar ausgesetzte Innen­ schale aufgrund niedriger Belastungen kostengünstig, z. B. als Preßteil aus den Kohlekurzfasern aufgebaut werden kann,
• - gute äußere Schutzmöglichkeit von Leitungen sowie Verstell- und Regelorgangen des Verdichters im Ringraum,
• - zusätzlicher äußerer Gehäusedurchschlagschutz bzw. Berstschutz bei Schaufel- bzw. Rotorschäden am Verdichter,
• - deutlich verringerte axiale Differenzdehnungen zwischen Läufer und Gehäuse nicht nur des Gesamtverdichters, sondern auch des Gasgenerators im Turbinenbereich, wodurch u. a. die Ausbildung von Labyrinthdichtungen im Turbinenbereich als sogenannte "einschleifende Labyrinthe" vorgesehen werden kann, wodurch wie­ derum eine vergleichsweise hohe Dichtwirkung und daraus wiederum resultierende günstige Wirkungsgrade auch hinsichtlich der Ver­ dichterturbine des Gasgenerators (Hochdruckturbine) erwartet wer­ den können.

Anhand der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gasturbinen­ triebwerks erläutert, worin die obere Hälfte des Triebwerks als Axial­ längsschnitt dargestellt, die untere Triebwerkshälfte durch die ko­ axial umlaufende Triebwerksaußengehäusestruktur, am unteren Ende ab­ gebrochen, dargestellt ist.

Das Gasturbinentriebwerk beinhaltet einen einwelligen Gasgenerator mit dem kombinierten Axial-Radialverdichter, wobei der Axialver­ dichterteil mit 1 und der Radialverdichter mit 2 bezeichnet ist. Im wesentlichen soll das Gasturbinentriebwerk mit Einrichtungen zur Kon­ stanthaltung des Laufspalts zwischen verdichterseitigem Gasgenerator- Rotor und Gehäuse ausgestattet sein, insbesondere hier im äußeren Durchmesserbereich des Radialverdichters 2. Der Axial-Radialverdichter 1, 2 weist ein sich über die gesamte Verdichterlänge erstreckendes, aus einer Innenschale 4 und einer Außenschale 3 bestehendes Ver­ dichtergehäuse auf, wobei die Außenschale 3 des Verdichtergehäuses als tragendes Bauteil des Triebwerks ausgebildet ist und am vorderen Ende mit einem Verdichtereinlaufgehäuse 9 fest verbunden ist; die Innen­ schale 4 des Verdichtergehäuses soll im wesentlichen nur den Kräften der Verdichterströmung ausgesetzt sein. Das Festlager 5 des Gas­ generator-Rotors stützt sich am Verdichtereinlaufgehäuse 9 ab. Die Außenschale 3 ist im wesentlichen aus einem Verbundwerkstoff aus Koh­ lefaser-verstärkten Harzen gefertigt, wobei ein hoher Anteil an Kohle­ fasern in Gehäuselängsrichtung verläuft und dessen Wärmeausdehnungs­ koeffizient in Richtung der Triebwerkslängsachse deutlich niedriger ist als derjenige des Verdichterrotorwerkstoffes. Wesentlich ist es dabei, daß die Außenschale 3 des Verdichtergehäuses an keiner Stelle durch Verdichterluft oder gegebenenfalls Zapf- bzw. Abblaseluft aus dem Verdichter beaufschlagt wird. Die Innenschale 4 besteht im wesent­ lichen aus einem Verbundwerkstoff aus einer Preßmasse aus ungerich­ teten Kohle-Kurz-Fasern in einer Harzmatrix, deren Wärmeausdehnungsko­ effizient in Umfangsrichtung niedriger, in Längsrichtung etwa gleich dem des Verdichterrotor-Werkstoffes ist.

In weiterer Ausbildung kann der Verbundwerkstoff für die Außenschale 3 des Verdichtergehäuses aus einer Epoxid- oder Polyimid-Harz-Matrix bestehen und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der in Richtung der Triebwerkslängsachse in der Größenordnung zwischen 2 bis 8×10×6^-1°C^-1 liegt. Bei Verwendung eines Verdichterrotors aus Titan kann ferner der zuletzt genannte Verbundwerkstoff in Richtung der Triebwerkslängsachse einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 4,5×10^-6°C^-1 aufweisen.

Wie aus der Zeichnung ferner hervorgeht, ist die Innenschale 4 des Verdichtergehäuses unter Ausbildung eines Schlitzes 6 für Luftabbla­ sung aus dem Verdichter eine zum Axialteil 1 des Verdichters gehörende Gehäuseschale 7 und in die Deckscheibe 8 des Radialverdichters 2 un­ terteilt. Somit sind Gehäuseschale 7 und Deckscheibe in ihrem Aufbau in Abhängigkeit von den örtlichen Betriebsbedingungen unterschiedlich strukturierbar.

An dem doppelwandigen Verdichtereinlaufgehäuse 9, an welchem sich das Festlager 5 des Gasgenerator-Rotors abstützt, ist die Außenschale 3 des Verdichtergehäuses über ein vorderes Schalenteil 10 festgelegt. Die Außenschale 3 umfaßt ferner ein sich an das vordere Schalenteil 10 anschließendes weiteres Schalenteil 11, das in Höhe des Radialdiffu­ sors 12 fest mit dem Turbinengehäuse verbunden ist.

Gemäß der Zeichnung soll ferner die Deckscheibe 8 des Radialverdichters 2 am stromabwärtigen Ende zusammen mit dem örtlichen Ende eines auf der dem einzigen Ringraum 13 zugekehrten Seite versteiften Abschnitts 14 der Gehäuseschale 7 des Axialverdichterteils 1 in der Nähe des Ra­ dialdiffusors 12 gehäuseseitig festgelegt sein. Es schließen dabei die Außenschale 3 und die Innenschale 4 des Verdichtergehäuses einen sich über die gesamte Verdichterlänge erstreckenden einzigen Ringraum 13 ein.

Bezüglich der schon erwähnten Anordnung eines als Kugellager ausge­ bildeten Festlagers 5 an der Verdichtereinlaufseite (Verdichtereinlaufgehäuse 9), wird davon ausgegangen, daß die Loslage­ rung 15 des Gasgenerator-Rotors sich hinter dem Radialverdichter 2 befindet. Dabei ist die Loslagerung 15 vor der Hochdruckturbine 16 des Gasgenerators angeordnet.

Der Radialdiffusor 12 weist einen die Verdichterluftströmung im we­ sentlichen um 90° ablenkenden Krümmer 17 auf, dem ein weiteres Axial­ leitgitter I9 nachgeschaltet ist, über welches die Strömung weiter verzögert wird und aus welchem eine Ringumkehrbrennkammer I8 beauf­ schlagbar ist, und zwar bekanntlich im Wege der erforderlichen pri­ mären Verbrennungsluft sowie der erforderlichen Kühl-, Sekundär- und Tertiärluft. Eine oder mehrere Leitschaufeln dieses Axialleitgitters 19 können von Ver- und Entsorgungsleitungen 20 für die Loslagerung 15 durchsetzt sein.

Gemäß der Zeichnung ist der Hochdruckturbine 16 des Gasgenerators eine zweistufige, axial durchströmte Nutzturbine 21 nachgeschaltet, deren Wellenstrang 22 durch das Hohlwellensystem des Gasgenerator-Rotors in Richtung auf die Triebwerksvorderseite geführt ist, wobei das zugehö­ rige Festlager dieses Wellenstranges 22 der Nutzturbine 21 mit 23 be­ zeichnet ist.

Das gemeinsame Hohlwellensystem des einwelligen Gasgenerators besteht einerseits u. a. aus betreffenden Radscheibensektionen 24, 25 und 26 des Axialteils 1 des Verdichters sowie aus der Radscheibe 27 des Ra­ dialverdichters 2 auf der einen Seite und der Radscheibe 28 der Hochdruckturbine 16, wobei die zuvor genannten Radscheibensektionen bzw. Radscheiben untereinander durch Radscheibenquerstege bzw. Trom­ melsektionen miteinander gekoppelt sind.

Das schon erwähnte doppelwandige Verdichtereinlaufgehäuse 9 besteht aus einer äußeren Kanalsektion 29 und einer inneren Kanalsektion 30, wobei die genannten Kanalsektionen 29, 30 über als Stützstreben ausge­ bildete Hohlschaufeln 31 untereinander verbunden sind. Durch die in der Zeichnung mit 31 bezeichnete Stützschaufel 31 ist eine Ge­ räteantriebswelle 32 geführt, die über ein Getriebe 33 an der Trieb­ werksstirnseite mit der Gasgeneratorwelle kraftschlüssig gekoppelt ist.

Im übrigen ist aus der Zeichnung entnehmbar, daß beim mehrstufigen Axialteil 1 des Verdichters die Leitschaufeln der einzelnen Axialver­ dichterstufen verstellbar ausgeführt sind, wobei die verstellbaren Leitschaufeln der Reihe nach, von links nach rechts, mit 34, 35 und 36 bezeichnet sind.

Claims (6)

1. Gasturbinentriebwerk mit Einrichtungen zur Konstanthaltung des Laufspalts bei einem Axial-Radialverdichter (1, 2) eines ein­ welligen Gasgenerators mit einem sich über die Gesamtlänge des Axial-Radialverdichters (1, 2) erstreckenden, aus einer Innen- und Außenschale (4, 3) bestehenden Verdichtergehäuse, worin die Außen­ schale (3) als tragendes Bauteil ausgebildet und am vorderen Ende mit einem doppelwandigen Verdichtereinlaufgehäuse (9) fest verbunden ist, an dem sich ein Festlager (5) des Gasgenerator- Rotors abstützt, worin die Innenschale (4) unter Ausbildung eines Schlitzes (6) von einer Deckscheibe (8) des Radialverdichters (2) getrennt ist, und worin die Außenschale (3) durch einen zwischen dieser und der Innenschale (4) ausgebildeten Ringraum (13) gegen­ über den Einflüssen der Verdichterluftströmung abgeschirmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Loslagerung (15) des Gasgenerator-Rotors sich hinter dem Radialverdichter (2) befindet;
• - Außenschale (3) und Innenschale (4) einen sich über die gesamte Verdichterlänge erstreckenden einzigen Ringraum (13) ein­ schließen;
• - die Außenschale (3) im wesentlichen aus einem Verbundwerkstoff aus Kohlefaser-verstärkten Harzen gefertigt ist, wobei ein hoher Anteil an Kohlefasern in Gehäuselängsrichtung verläuft, und dessen Wärmeausdehnungskoeffizient in Richtung der Trieb­ werkslängsachse deutlich niedriger als derjenige des Ver­ dichterrotor-Werkstoffes ist;
• - die Innenschale (4) im wesentlichen aus einem Verbundwerkstoff aus einer Preßmasse aus ungerichteten Kohle-Kurz-Fasern in ei­ ner Harzmatrix besteht, deren Wärmeausdehnungskoeffizient in Umfangsrichtung niedriger, in Längsrichtung etwa gleich dem des Verdichterrotor-Werkstoffes ist.

2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff der Außenschale (3) eine Epoxid- oder Poly­ imidharzmatrix für die Kohlefasern und einen Wärmeausdehnungskoef­ fizienten aufweist, der in Richtung der Triebwerkslängsachse in der Größenordnung zwischen 2-3×10^-6°C^-1 liegt.

3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff der Außenschale (3) eine Epoxid- oder Poly­ imidharzmatrix für die Kohlefasern aufweist mit einem Wärmeaus­ dehnungskoeffizienten in Richtung der Triebwerkslängsachse von 4,5×10^-6°C^-1 bei Verwendung eines aus Titan gefertigten Ver­ dichterrotors.

4. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschale (3) aus einem vorderen, mit dem Verdichtereinlaufgehäuse (9) fest verbundenen Schalenteil (10) und einem sich daran anschließenden weiteren, in Höhe des Ra­ dialdiffusors (12) mit dem Turbinengehäuse fest verbundenen Scha­ lenteil (11) besteht.

5. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schlitz (6) der Innenschale (4) zwecks Luft­ abblasung koaxial zwischen einer zum Axialverdichterteil (1) gehörenden Gehäuseschale (7) und der Deckscheibe (8) angeordnet ist, die am stromabwärtigen Ende zusammen mit dem örtlichen Ende eines auf der dem Ringraum (13) zugekehrten Seite versteiften Abschnitts (I4) der Gehäuseschale (7) in der Nähe des Radialdiffu­ sors (12) gehäuseseitig festgelegt ist.

6. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine oder mehrere stromab eines Umlenkkrümmers (17) des Radialdiffusors (12) und stromauf einer Ringumkehr- Brennkammer (18) angeordnete Leitschaufeln eines Axialleitgitters (19) von Leitungen (20) für die Ver- und Entsorgung der Loslage­ rung (15) des Gasgenerator-Rotors durchsetzt sind.