DE3720123C2

DE3720123C2 - Mantelstrom-Fan-Gasturbinen-Flugtriebwerk

Info

Publication number: DE3720123C2
Application number: DE3720123A
Authority: DE
Inventors: Ronald Catlow; Derek Aubrey Roberts
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1986-07-02
Filing date: 1987-06-16
Publication date: 1998-03-12
Anticipated expiration: 2007-06-17
Also published as: US4756153A; GB2192233A; GB2192233B; GB8616151D0; FR2601075A1; DE3720123A1; FR2601075B1; JPS6325323A; JPH0672571B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Mantelstrom-Fan-Gasturbinen- Flugtriebwerk mit einem Kerntriebwerk, das mit seinen Abgasen eine nachgeschaltete Fan-Antriebsturbine beaufschlagt, deren die Fanschaufeln tragenden Turbinenschaufeln in einem Gaskanal zwischen dem Kerntriebwerksgehäuse und einem inneren zylindrischen Träger umlaufen.

Bei derartigen Triebwerken erfolgt die Aufhängung des Kerntriebwerks über das Fan-Gehäuse, d. h. über das Gehäuse der nachgeschalteten Fan-Antriebsturbine. Der Hauptträgeraufbau innerhalb der Fan-Antriebsturbine, der das Kerntriebwerk trägt, liegt radial innerhalb des Gasströmungskanals durch die Nutzleistungsturbine. Das Kerntriebwerk wird üblicherweise am stromabwärtigen Ende des Außengehäuses so aufgehängt, daß der Lastübertragungsaufbau, der das Kerntriebwerk mit der Fan-Antriebsturbine verbindet, durch die Heißgasströmung hindurchsteht, die im Betrieb vom Kerntriebwerk nach der Fan-Antriebsturbine strömt.

Bei einem in der US-PS 3 070 285 beschriebenen Mantelstrom- Fan-Gasturbinen-Flugtriebwerk ist das Turbinengehäuse als lasttragender Aufbau konstruiert, der das Fan-Gehäuse über umgekehrt V-förmige Streben trägt, die sich über den Fan-Ringkanal erstrecken; stromab des Fan sind Auslaßleitschaufeln vorgesehen, die sich ebenfalls über den Fan-Kanal erstrecken.

Die DE-AS 11 26 196 beschreibt ein Gasturbinen-Srahltriebwerk mit Mantelstrom-Verdichter, bei dem im Mantelstromkanal umlaufende Laufschaufeln von den Laufschaufeln der Turbine getragen werden, die den Kompressor antreibt. Die den Ringkanal des Strahltriebwerks durchsetzenden Leitschaufeln tragen ein hohles Lagergehäuse und die Hohlräume der Leitschaufeln stehen an ihren inneren Enden mit dem Inneren des Lagergehäuses in Verbindung und sind an ihren äußeren Enden über Spulenkörper mit einer Ringkammer des Turbinengehäuses derart in Verbindung, daß eine Radialbewegung über die Spulenkörper möglich wird.

Bei diesem bekannten Triebwerk ist jedoch keine im Triebwerk nachgeschaltete Mantelstrom-Antriebsturbine vorgesehen, und es handelt sich auch nicht um ein Fan-Triebwerk, sondern um ein Zweistromtriebwerk mit Mantelstrom.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Mantelstrom- Fan-Gasturbinen-Flugtriebwerk mit Kerntriebwerk und nachgeschalteter Fan-Antriebsturbine, den Lastübertragungsaufbau zwischen Kerntriebwerk und Fan-Antriebsturbine zu verbessern und so aufzubauen, daß die durch die Heißgasströmungen auftretenden thermischen Gradienten günstig aufgenommen werden.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die Gesamtheit der in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß die aus dem Kerntriebwerk mit hoher Temperatur in den Gaskanal eintretenden und die Arme beaufschlagenden Heißgase die Abdichtung des Gaskanals nicht beeinträchtigen, weil auch bei den auftretenden Temperaturdifferenzen durch die Lastübertragungsvorrichtung Kerntriebwerksgehäuse und zylindrischer Träger koaxial zueinander gehalten werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt eines Mantelstrom-Fan- Gasturbinentriebwerks mit einer Lastübertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 in größerem Maßstab einen Axialschnitt der Lastübertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie A-A gemäß Fig. 2.

In Fig. 1 ist ein Mantelstrom-Fan-Gasturbinentriebwerk 10 dargestellt, das ein Kerntriebwerk 11 und eine an dessen stromabwärtigen Ende angeordnete Fan-Antriebsturbine 12 besitzt. Das Kerntriebwerk ist von herkömmlichem Aufbau und weist einen Lufteinlaß 13, einen Kompressor 14, eine Verbrennungseinrichtung 15 und eine Turbine 16 auf. Das Kerntriebwerk 11 arbeitet in herkömmlicher Weise, wobei die durch den Einlaß 13 einströmende Luft durch den Kompressor 14 verdichtet wird, bevor sie mit Brennstoff vermischt und die Mischung in der Verbrennungseinrichtung 15 verbrannt wird. Die aus der Verbrennung resultierenden Verbrennungsprodukte entspannen sich über die Turbine 16, bevor sie in die Fan-Antriebsturbine 12 ausgeblasen werden.

Die Fan-Antriebsturbine 12 ist jedoch nicht von herkömmlicher Bauart. Sie weist mehrere Stufen gegenläufiger Turbinenschaufeln auf, und zwei Stufen hiervon tragen Fanschaufeln 17 und 18, die an ihren radial äußeren Enden ansetzen. Die Fanschaufeln 17 und 18 drehen sich im Gegensinn und werden von einer Fanverkleidung 19 umschlossen.

Im Betrieb werden heiße Gase aus dem Kerntriebwerk 11 auf die Fan-Antriebsturbine 12 gerichtet, um deren Turbinenschaufeln im Gegensinn zu drehen und um dadurch die Vortriebs-Fan-Schaufeln 17 und 18 ebenso im Gegensinn anzutreiben. Ein gewisser Anteil des Vortriebsschubs wird durch die Gase geliefert, die aus der Fan-Antriebsturbine 12 über den ringförmigen Auslaßkanal 20 ausgeblasen werden. Der Hauptanteil des Vortriebschubes des Gasturbinentriebwerks 10 wird jedoch durch Luft geliefert, die am stromoberseitigen Ende 21 des Fankanals angesaugt und durch die im Gegensinn umlaufenden Fanschaufeln 17, 18 beschleunigt wird, bevor die Luft aus dem stromabwärtigen Ende 22 des Fankanals austritt.

Die Fanverkleidung 19 ist mit dem Kerntriebwerk 11 über mehrere radial verlaufende, nach vorn gerichtete Streben 23 verbunden, während mehrere radial verlaufende nach hinten gerichtete Streben 24 die Fanverkleidung 19 mit der Fan-Antriebsturbine 12 verbinden. Die rückwärtigen Streben 24 übertragen den Hauptteil der Last zwischen dem Triebwerk 10 und dem Flugzeug, an dem es montiert ist, und sie sind an ihrem radial inneren Ende am axial stromabwärtigen Ende eines zylindrischen Trägers 25 innerhalb der Fan-Antriebsturbine 12 verbunden. Der zylindrische Träger 25 trägt alle im Gegensinn umlaufenden Elemente der Fan-Antriebsturbine 12, und er ist an seinem stromaufwärtigen Ende mit dem stromabwärtigen Ende des Gehäuses 26 des Kerntriebwerks 11 über eine Lastübertragungsvorrichtung 27 verbunden, wie dies deutlicher aus Fig. 2 hervorgeht.

Die Lastübertragungsvorrichtung 27 umfaßt ein ringförmiges Lagergehäuse 28, welches ein Lager 29 trägt, das das stromaufwärtige Ende 30 des sich drehenden Teils der Fan-Antriebsturbine 12 abstützt. Das Lager 28 ist fest am stromaufwärtigen Ende des zylindrischen Trägers 25 befestigt, wobei eine radial verlaufende Ringwand 31 am stromaufwärtigen Ende und eine allgemein kegelstumpfförmige Wand 32 am stromabwärtigen Ende vorgesehen sind. Diese Wände 31 und 32 sind mit Rändern 33 und 34 ausgestattet, die die radial inneren Enden mehrerer Arme 35 abstützen, die radial über den Gaskanal 40 verlaufen und das Kerntriebwerk 11 mit der Fan-Antriebsturbine 12 verbinden.

Jeder als Leitschaufel ausgebildete Arm 35 weist einen Mittelabschnitt 36 mit aerodynamischer Form auf, um die Gasströmung zwischen dem Kerntriebwerk 11 und der Fan-Antriebsturbine 12 so wenig als möglich zu stören. Jeder Arm ist am radial äußeren Ende mit einem im Querschnitt kreisförmigen Zapfen 37 versehen, der in einer entsprechend bemessenen Buchse 38 lagert, die im Kerntriebwerksgehäuse 26 angeordnet sind. Es könnten jedoch auch andere Verbindungen zwischen den Armen 35 und dem Kerntriebwerksgehäuse 26 benutzt werden, wenn nur eine relative Radialbewegung ohne relative Axialbewegung möglich ist.

Die Arme 35 sind in Umfangsrichtung im Winkelabstand zueinander angeordnet, wie dies aus Fig. 3 ersichtlich ist, und jeder Arm ist am radial äußerem Umfang mit in Umfangsrichtung verlaufenden Plattformen 38′ und 39 ausgestattet, die zusammen einen Teil der radial äußeren Begrenzung des Gaskanals 40 bilden, der die Arme 35 aufweist. Die Ränder der Plattformen 38′ und 39 sind durch einen Umfangsspalt 54 getrennt, um eine thermische Ausdehnung der Plattformen 38′ und 39 zu ermöglichen. Dichtungen 41 herkömmlicher Bauart, die zwischen benachbarten Plattformen 38′ und 39 angeordnet sind, ermöglichen diese thermische Ausdehnung.

Die radial innere Begrenzung des Gaskanals 40 wird durch mehrere, in Umfangsrichtung verlaufende Plattformen 42 und 43 gebildet, und jeder Arm 35 trägt jeweils eine in Umfangsrichtung verlaufende Plattform 42 und eine in Umfangsrichtung verlaufende Plattform 43 am radial inneren Ende. Die in Umfangsrichtung verlaufenden Plattformen 42 erstrecken sich über einen größeren Umfangsabschnitt als die in Umfangsrichtung verlaufenden Plattformen 43, und sie sind jeweils mit einem Stufenabschnitt 44 versehen, mit dem sie an der benachbarten Plattform 43 in der Weise formschlüssig angreifen, daß eine radiale Kraftübertragung, jedoch keine Kraftübertragung in Umfangsrichtung dazwischen erfolgen kann. Ein Umfangsspalt 45 wird auf diese Weise zwischen benachbarten Plattformen 42 und 43 definiert, um dazwischen eine relative Bewegung in Umfangsrichtung zu ermöglichen.

Der Rand 33, der am radial äußeren Ende der Ringwand 31 vorgesehen ist, kann - wie aus Fig. 2 ersichtlich - im Querschnitt L-förmig sein, um einen radial verlaufenden gelochten Flansch 46 und eine axial verlaufende Trägeroberfläche 47 zu bilden. Der Rand 34 am radial äußeren Ende der kegelstumpfförmigen Wand 32 hat einen ähnlichen L-förmigen Querschnitt, um einen radial verlaufenden gelochten Flansch 48 und eine radial verlaufende Stützoberfläche 49 zu bilden. Jeder Arm 35 ist an seinem radial inneren Ende mit gelochten Ansätzen 50 bzw. 51 versehen, die auf den Rändern 33 bzw. 34 aufsitzen. Die Ansätze und die Flansche 50 und 46 sowie 51 und 48 sind miteinander über hohle Dübelbolzen 52 verbunden. Die Bolzen 52 sind auf die Mittelabschnitte 36 der Arme 35 ausgerichtet und sie sind außerdem axial aufeinander ausgerichtet.

Jede der in Umfangsrichtung verlaufenden radial inneren Plattformen 42 liegt im radialen Abstand von den axial verlaufenden Tragoberflächen 47 und 49, die an den Rändern 33 bzw. 34 angeordnet sind, mit Ausnahme jenes Abschnitts 53, der radial innerhalb der benachbarten Plattform 43 liegt, mit der er zusammenwirkt.

Im Betrieb strömen Abgase, die aus dem Kerntriebwerk 11 mit hoher Temperatur austreten, über die Arme 35, wodurch sich eine große Temperaturdifferenz zwischen den verschiedenen Teilen des Lastübertragungsaufbaus 27 einstellt, die bis zu 500°C betragen kann. Insbesondere dehnen sich die Arme 35 thermisch mit einer größeren Rate aus als die Ränder 33 und 34, auf denen sie gelagert sind. Diese Differenz der thermischen Expansion führt zu einer Veränderung der Umfangsspalte 45 und 54, aber es führt nicht dazu, daß die Arme 35 aus ihrer Stellung mit gleichem Winkelabstand abgelenkt werden. In gleicher Weise führt eine radiale Ausdehnung der Lastübertragungsvorrichtung 27 zu einer relativen Radialbewegung zwischen den Zapfen 37 und den Hülsen 38, in die der Zapfen eingesetzt ist, wodurch gewährleistet wird, daß keine Radialbelastung auf das Kerntriebwerksgehäuse 26 ausgeübt wird. Durch das Zusammenwirken von Zapfen 37 und Hülse 38 wird gewährleistet, daß der zylindrische Träger 25 und das Kerntriebwerksgehäuse 26 durch die Lastübertragungsvorrichtung 27 koaxial zueinander gehalten werden.

Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit einem Gasturbinentriebwerk beschrieben, das mit einem Mantelstromfan versehen ist. Die Erfindung ist natürlich auch für andere Gasturbinentriebwerke anwendbar, beispielsweise für Triebwerke mit frei umlaufenden Propellerschaufeln.

Claims

1. Mantelstrom-Fan-Gasturbinen-Flugtriebwerk mit einem Kerntriebwerk (11), das mit seinen Abgasen eine nachgeschaltete Fan-Antriebsturbine (12) beaufschlagt, deren die Fanschaufeln (17, 18) tragenden Turbinenschaufeln in einem Gaskanal (40) zwischen Kerntriebwerksgehäuse (26) und einem inneren zylindrischen Träger (25) umlaufen, der an seinem stromabwärtigen Ende über radial verlaufende Streben (24) getragen wird und der an seinem stromaufwärtigen Ende im Bereich des Heißgasstromes über eine Lastübertragungsvorrichtung (27) mit dem Kerntriebwerksgehäuse (26) verbunden ist, wobei die Lastübertragungsvorrichtung (27) folgende Merkmale ausweist:

- im Winkelabstand zueinander angeordnete Arme (35) verlaufen mit ihrem strömungsgünstigen Mittelabschnitt (36) in radialer Richtung durch den Gaskanal (40);
- die Arme (35) sind an ihren radial inneren Enden (50) mittelbar (31) am zylindrischen Träger (25) festgelegt;
- die Arme (35) sind mit ihren radial äußeren Enden (37) radial beweglich im Kerntriebwerksgehäuse (26) gelagert;
- die Arme (35) tragen innen nach beiden Seiten in Umfangsrichtung verlaufende Schaufelplattformen (42, 43) unterschiedlicher Umfangslänge, die unter Belassung eines Umfangsspaltes (45) radial formschlüssig in Umfangsrichtung über eine Stufe (44) gleitend aufeinander abgestützt sind;
- die Arme (35) tragen außen nach beiden Seiten in Umfangsrichtung verlaufende Schaufelplattformen (38′, 39) unterschiedlicher Umfangslänge, deren Umfangsspalt (54) mit einer Dichtung (41) unter Ermöglichung einer thermischen Ausdehnung überbrückt ist.

2. Flugtriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radial äußeren Enden der Arme (35) als Zapfen (37) ausgebildet sind, die in Buchsen (38) des Kerntriebwerkgehäuses (26) radial verschiebbar geführt sind.

3. Flugtriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radial inneren Enden (50) der Arme (35) über eine Dübelbolzenverbindung (52) mit einer Ringwand (31) verbunden sind, die am zylindrischen Träger (25) abgestützt ist.

4. Flugtriebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringwand (31) am radial äußeren Ende einen Trägerrand (33) aufweist, auf dem sich die freien Enden der in Umfangsrichtung längeren Plattformen (42) mit ihrem Endabschnitt (53) unter der Stufe (44) abstützen.

5. Flugtriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme (35) an ihrem stromabwärtigen Ende innen über eine weitere kegelförmig verlaufende Ringwand (32) und den radial inneren Lagerabschnitt (38) der Ringwand (31) am zylindrischen Träger (25) abgestützt sind.