DE3612595A1

DE3612595A1 - Turbomaschine

Info

Publication number: DE3612595A1
Application number: DE19863612595
Authority: DE
Inventors: Ambrose Andreas Wyoming Ohio Hauser; William James Cincinnati Ohio Strock
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1985-05-31
Filing date: 1986-04-15
Publication date: 1986-12-04
Also published as: IT1190334B; GB8608327D0; FR2582719B1; US4758129A; GB2176246B; JPS61283704A; GB2176246A; IT8620223A1; IT8620223A0; CA1260401A; FR2582719A1

Description

Turbomaschine

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Turbomaschinen und insbesondere auf eine Rotorstufe mit Doppelfunktion einer Turbomaschine.

Eine Turbomaschine enthält im allgemeinen einen ringförmigen Strömungspfad für ein Strömungsmittel, wobei darin eine oder mehrere Rotorstufen angeordnet sind. Jede Rotorstufe enthält üblicherweise mehrere Schaufeln zum übertragen von Energie zwischen dem Strömungsmittel und der Rotorstufe.

Eine Form einer Turbomaschine ist ein Gasturbinenmotor
bzw. -triebwerk, das im allgemeinen einen Gasgenerator mit einem Verdichter zum Verdichten von Luft, die durch den Motor bzw. das Triebwerk hindurchströmt, einen Brenner,

in dem Brennstoff mit der verdichteten Luft gemischt und gezündet wird, um eine hochenergetische Gasströmung zu bilden, und eine Turbine aufweist, die einen Rotor zum Antrieb des Verdichters besitzt. In Gasturbinentriebwerken übertragen Rotorstufen in dem Verdichter Energie von dem Rotor auf die Luft. In der Turbine überträgt eine Rotorstufe Energie von der Gasströmung auf den Rotor. Viele Triebwerke enthalten eine zweite Turbine, die als eine Leistungsturbine bekannt ist und hinter bzw. stromabwärts von dem Gasgenerator angeordnet ist und aus der Gasströmung Energie herauszieht, um eine Vortriebsmaschine anzutreiben.

Bei vielen Anwendungsfällen ist es wünschenswert oder notwendig, Energie zwischen den inneren und äußeren Bereichen zu übertragen, die durch die ringförmige Strömungsbahn gebildet sind. Mit anderen Worten kann es notwendig sein, Energie quer über die Strömungsbahn zu übertragen.

Die Übertragung von Energie über eine Strömungsbahn tritt üblicherweise an nicht-umlaufenden, feststehenden Streben auf, die sich durch die Strömungsbahn erstrecken. Beispielsweise kann eine Leistungsentnahme von der Hauptantriebswelle eines Gasturbinentriebwerkes durch eine feststehende Strebe hindurchführen. Bei einigen Anwendungsfällen kann es wünschenswert sein, Energie über die Strömungsbahn zu übertragen, wenn eine feststehende Strebe nicht zur Verfügung steht. Beispielsweise muß bei einem Triebwerk mit einem nicht ummantelten Fan (unducted fan engine), das eine gegenläufige Leistungsturbine mit einem direkten Antrieb von gegenläufigen Schaufeln eines nicht ummantelten Fans aufweist, Energie über die Strömungsbahn übertragen werden, um die Steigung bzw. den Anstellwinkel der Schaufeln zu verändern.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, neue und verbesserte Mittel zum Übertragen von Leistung über eine Strömungsbahn zu schaffen. Ferner soll eine Doppelfunktions-Rotorstufe für ein Gasturbinentriebwerk geschaffen werden. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, einen neuen und verbesserten Leistungsrahmen mit erhöhter Festigkeit zu schaffen. Schließlich sollen neue und verbesserte Mittel geschaffen werden zum Verändern der Steigung bzw. des Anstellwinkels von Propellerschaufeln.

Erfindungsgemäß wird eine Rotorstufe geschaffen, die in einer Strömungsbahn einer Turbomaschine angeordnet ist. Die Rotorstufe enthält mehrere erste und zweite Schaufeln und äußere und innere Ringe. Die ersten und zweiten Schaufeln erstrecken sich zwischen den Ringen und übertragen Energie zwischen dem Strömungsmittel und der Rotorstufe. Die äußeren und inneren Ringe bilden äußere bzw. innere Strömungsbahnflächen. Wenigstens eine der ersten Schaufeln umgibt Mittel zum Übertragen von Energie über die Strömungsbahn.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 - ist eine schematische Längsansicht und stellt die wesentlichen Teile eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung dar.

Figur 2 - ist eine perspektivische Teilansicht im wesentlichen in Richtung des Pfeils 2 in Figur 1.

Die Erfindung ist allgemein auf irgendeine Turbomaschine anwendbar. Zu Darstellungszwecken wird die Erfindung in Verbindung mit einem Gasturbinentriebwerk beschrieben. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in

Figur 1 gezeigt.

Figur 1 zeigt eine Leistungsturbine 10 eines Gasturbinentriebwerks. Die Leistungsturbine 10 enthält eine ringförmige Strömungsbahn 12 für ein Strömungsmittel oder Gas 14. Die Leistungsturbine 10 weist innere und äußere, gegenläufige Rotoren 16 bzw. 18 auf. Der innere Rotor 16 weist mehrere innere Schaufelreihen oder Stufen 20 auf, die sich von dem. Rotor radial nach außen erstrecken. Jede Schaufelreihe oder Stufe 20 hat die Funktion, Energie von einer Gasströmung 14 auf den inneren Rotor 16 zu übertragen. In ähnlicher Weise enthält der äußere Rotor 18 mehrere äußere Schaufelreihen oder Stufen 22, die sich von dem Rotor radial nach innen erstrecken. Jede Stufe 22 überträgt Energie von der Gasströmung 14 auf den äußeren Rotor 18.

Der innere Rotor 16 und der äußere Rotor 18 sind jeweils durch geeignete Lager 26 bzw. 28 von einer nicht-umlaufenden Welle 24 gehaltert. Selbstverständlich ist die gezeigte Lagerkonfiguration nur als Beispiel zu verstehen, und es sind zahlreiche alternative Konfigurationen möglich.

Eine Rotorstufe 20a weist einen äußeren Ring 30 und einen inneren Ring 32 auf, die teilweise äußere und innere Strömungsbahnoberflächen 34 bzw. 36 für die Strömungsbahn 12 bilden. Wie in Figur 2 gezeigt ist, weist die Rotorstufe 20a weiterhin mehrere erste Schaufeln 38 und zweite Schaufeln 40 auf, die sich zwischen dem äußeren Ring 30 und dem inneren Ring 32 erstrecken. Die Schaufeln 38 und 40 übertragen Energie von der Gasströmung 14 auf die Rotorstufe 20a. Um für verbesserte Steifxgkeitseigenschaften der Rotorstufe 20a zu sorgen, ist der innere Ring 32 im wesentlichen kastenförmig im radialen Querschnitt.

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Jede der ersten Schaufeln 38 und der zweiten Schaufeln 40 haben eine mittlere Sehnenlänge. Der Begriff "Sehnenlänge" ist bekannt und stellt ein Maß dar für den Abstand zwischen der Vorder- und Hinterkante einer Schaufel. Wie in Figur 2 gezeigt ist, haben die ersten Schaufeln 38 eine· Sehnenlänge, die größer als die Sehnenlänge der zweiten Schaufeln 40 ist. Im allgemeinen wird die Anzahl der ersten Schaufeln 38 relativ klein sein im Vergleich zur Anzahl der zweiten Schaufeln 40. Somit werden zwischen zwei benachbarten ersten Schaufeln 38 mehrere zweite Schaufeln 40 vorhanden sein.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung umschließt wenigstens eine der ersten Schaufeln 38 übertragungsmittel 42 zum Übertragen von Energie quer zur Strömungsbahn 12. Ein übertragungsmittel 42 ist als ein Pfeil in Figur 2 schematisch gezeigt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung können die Übertragungsmittel 42 eine Leitung für ein hydraulisches Strömungsmittel aufweisen. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung können die übertragungsmittel eine Welle aufweisen, die um ihre Achse drehbar ist = Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung können die übertragungsmittel 42 Induktionsmittel aufweisen zum Hindurchleiten von Elektrizität. Bei jedem Ausführungsbeispiel sind die übertragungsmittel 42 von einer ersten Schaufel 38 umgeben und arbeiten unabhängig von dieser.

Gemäß dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel hat die Leistungsturbine 10 die Funktion, gegenläufige Propeller 44 und 46 anzutreiben. Jeder Propeller 44 und 46 enthält Steigungsstellmittel 48 bzw. 50 zum Verändern der Steigung bzw. des Anstellwinkels der Propellerschaufeln. Die Energie zum Betätigen der Propellerschaufeln wird von den Steigungsstellmitteln 48 und 50 von den Übertragungsmitteln 42 empfangen.

Im Betrieb ziehen die Rotorstufen 20 und 22 Energie aus der Gasströmung 14. Die inneren Stufen 20 treiben den inneren Trommelrotor 16 an, der mit einem inneren Ring 32 der ersten Rotorstufe 20a verbunden ist. Die Energie in dem inneren Rotor 16 wird dadurch auf den äußeren Ring 30 und dann auf den Propeller 44 übertragen, um für eine Vortriebskraft zu sorgen. In ähnlicher Weise treiben die äußeren Stufen 22 den äußeren Trommelrotor 18 an, der die Drehenergie auf den Propeller 46 überträgt.

Die Rotorstufe 20a ist so aufgebaut, daß die Energie vergrößert wird, die die Rotorstufe 20a der Gasströmung 14 entziehen kann. Die ersten Schaufeln 38 müssen eine relativ große Sehnenlänge für die Festigkeit haben, die zum Führen der Rotorlast erforderlich ist und um genügend Raum zur Verfügung zu haben für den Durchtritt der übertragungsmittel 42. Die zweiten Schaufeln 40 haben eine etwas kürzere Sehnenlänge für ein vermindertes Gewicht, wobei jedoch ein gutes Energieentzugsvermögen aus dem Strömungsmittel beibehalten wird.

Die Energie, die zum Verändern der Steigung bzw. des Anstellwinkels der Schaufeln auf dem Propeller 44 erforderlich ist, kann von der nicht-umlaufenden Welle 24 übertragen werden. Nachdem die Energie die nicht-umlaufende/umlaufende Grenzfläche 52 (beispielsweise über einen Schleifring oder eine Lagerkonfiguration) überquert hat, wird sie durch die Übertragungsmittel 42 durch die erste Schaufel 38 hindurch zur Steigungsstelleinrichtung 48 übertragen. Die Steigungsstelleinrichtung 48 kann diese Energie in ein mechanisches Drehmoment umwandeln, um die Steigung der Schaufeln des Propellers 44 zu verändern. In ähnlicher Weise kann Energie zum Verändern der Steigung der Schaufeln des Propellers 46 die nicht-umlaufende/umlaufende Grenzfläche 54 überqueren und von dort durch eine erste Schaufel 38 auf der Rotorstufe 22a übertragen werden.

Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiel möglich. Insbesondere ist die Erfindung nicht auf Rotorstufen für Turbinen beschränkt. Vielmehr ist die Erfindung in gleicher Weise auf Rotorstufen für Verdichter und Bläser (Fans) von Gasturbinentriebwerken oder auf ähnliche Strukturen von Turbomaschinen anwendbar.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

Turbomaschine mit einer ringförmigen Strömungsbahn für ein Strömungsmittel und einer darin angeordneten Rotorstufe ,

gekennzeichnet durch : äußere und innere Ringe (30,32), die äußere bzw. innere Strömungsbahnflächen (34,36) bilden, und

mehrere erste und zweite Schaufeln (38,40), die sich zwischen den Ringen erstrecken zum Übertragen von Energie zwischen dem Strömungsmittel und der Rotorstufe,

wobei wenigstens eine der ersten Schaufeln Mittel (42) i-mgibt zum Übertragen von Energie über die Strömungsbahn.

Rotorstufe nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, daß jede der ersten und zweiten Schaufeln (38,40) eine mittlere erste bzw. zweite Sehnenlänge bildet, wobei die erste Sehnenlänge größer als die zweite Sehnenlänge ist.

Rotorstufe nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, daß der innere Ring (32) im wesentlichen kastenförmig im radialen Querschnitt ist.

Gegenläufige Leistungsturbine eines Gasturbinentriebwerks mit einer ringförmigen Strömungsbahn zum Aufnehmen einer hochenergetischen Gasströmung ,

gekennzeichnet durch : eine erste Rotorstufe (20,22), die in der Strömungsbahn angeordnet ist,

äußere und innere Ringe (30,32), die äußere bzw. innere Strömungsbahnflächen (34,36) bilden, mehrere erste und zweite Schaufeln (38,40) zum Ziehen von Energie aus der Gasströmung, und erste Übertragungsmittel (42) zum Übertragen von Energie über die Strömungsbahn, wobei wenigstens eine der ersten Schaufeln die ersten Übertragungsmittel umgibt.

Leistungsturbine nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, daß jede der ersten und zweiten Schaufeln (38,40) eine mittlere erste bzw. zweite Sehnenlänge bildet, wobei die erste Sehnenlänge größer als die zweite Sehnenlänge ist.

Leistungsturbine nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, daß der innere Ring im wesentlichen kastenförmig im radialen Querschnitt ist.

Leistungsturbine nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, daß ein innerer Rotor mehrere innere Schaufel-

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reihen aufweist, die sich von diesem radial nach außen erstrecken, zum übertragen von Energie von der Gasströmung auf den inneren Rotor, wobei der innere Ring der Leistungsturbine mit dem inneren Rotor verbunden ist derart, daß Energie von dem inneren Rotor auf den äußeren Ring übertragbar ist.

8. Lei,stungsturbine nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite gegenläufige Propeller (44,46) vorgesehen sind, wobei der erste Propeller durch den inneren Rotor angetrieben ist.

9. Leistungsturbine nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, daß der erste Propeller mehrere verstellbare Propellerschaufeln aufweist und daß die ersten Übertragungsmittel die Steigung bzw. den Anstellwinkel der ersten Propellerschaufeln verändern.

10. Leistungsturbine nach Anspruch 9 , gekennzeichnet durch :

eine zweite Rotorstufe, die in der Strömungsbahn angeordnet ist und aufweist:

äußere und innere Ringe, die äußere bzw. innere Strömungsbahnflächen bilden,

mehrere erste und zweite Schaufeln, die sich zwischen den äußeren und inneren Ringen erstrecken zum Ziehen von Energie aus der Gasströmung, zweite Übertragungsmittel zum Übertragen von Energie über die Strömungsbahn, wobei wenigstens eine der ersten Schaufeln der Rotorstufe die zweiten Übertragungsmittel umgibt, und einen äußeren Rotor mit mehreren äußeren Schaufelreihen, die sich von dem Rotor radial nach außen

erstrecken, zum übertragen von Energie von der Gasströmung auf den äußeren Rotor, wobei der zweite Propeller mehrere verstellbare zweite Propellerschaufeln aufweist und die zweiten Übertragungsmittel die Steigung bzw. den Anstellwinkel der zweiten Propellerschaufeln verändern.