DE3814971A1

DE3814971A1 - Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE3814971A1
Application number: DE3814971A
Authority: DE
Inventors: Iii Rollin George Giffin; Dean Thomas Lenahan
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1987-07-06
Filing date: 1988-05-03
Publication date: 1989-01-19
Anticipated expiration: 2008-05-04
Also published as: US4809498A; SE466558B; FR2617907A1; GB8805368D0; JPS6412005A; GB2207191A; FR2617907B1; DE3814971C2; JP3062199B2; SE8803415L; IT8819721A0; SE8803415D0; IT1216047B; GB2207191B

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und betrifft insbesondere ein neues und verbessertes Gasturbinentriebwerk mit verbessertem Wirkungsgrad.

Ein bedeutsames Ziel für die fortschrittliche Gasturbinentriebwerkstechnologie ist das Erzielen eines besseren thermischen Triebwerkswirkungsgrades. Ein Maß für den Wirkungsgrad ist die Triebwerksenergieabgabe dividiert durch die zugeführte Brennstoffenergie, was zum Beispiel durch den spezifischen Brennstoffverbrauch dargestellt werden kann, bei dem es sich um das Verhältnis der Brennstoffzufuhr in Pfund pro Stunde dividiert durch den Schub des Triebwerks in Pfund handelt.

Der Gesamtwirkungsgrad eines Triebwerks wird durch den Wirkungsgrad seiner verschiedenen Komponenten beeinflußt. Eine bedeutsame Triebwerkskomponente, die den Wirkungsgrad wesentlich beeinflußt, ist die Turbine. Eine herkömmliche Turbine enthält einen oder mehrere abwechselnde Kränze von stationären Turbinenleitschaufeln und umlaufenden Turbinenlaufschaufeln und kann außerdem einen oder mehrere Turbinenrotoren aufweisen, zum Beispiel eine Hochdruckturbine, die einen Verdichter antreibt, in serieller Strömungsbeziehung zu einer Niederdruckturbine, die zum Beispiel entweder einen Fan oder einen Niederdruckverdichter antreibt.

Moderne und fortschrittliche Gasturbinentriebwerke arbeiten mit relativ hohen Verbrennungsgastemperaturen, um den spezifischen Brennstoffverbrauch zu reduzieren. Solche relativ hohen Temperaturen erfordern typisch das Kühlen der Turbinenlaufschaufeln, was erfolgt, indem ein Teil der Verdichterluft abgezapft und zur Kühlung durch die Turbinenlaufschaufeln hindurchgeleitet wird. Da diese Kühlluft von dem Hauptströmungsweg des Triebwerks für Kühlzwecke abgezweigt wird, erfolgt notwendigerweise eine Reduktion des gesamten Triebwerkswirkungsgrades.

Ein Gasturbinentriebwerk ist üblicherweise so konstruiert, daß ein gewünschtes Ausmaß an Arbeit aus der Turbine selbst erzielt wird. Ein relativ hoher Wirkungsgrad und relativ geringe Mengen an Kühlluft, wie es oben beschrieben worden ist, sind zwei der vielen herkömmlichen Ziele, die beim Entwerfen der Turbine angestrebt werden.

Weitere Ziele, die beim Entwerfen von Turbinen angestrebt werden, umfassen relativ hohe Leistung und relativ hohen Schub, relativ niedriges Gewicht, relativ niedrige Kosten und relativ geringe Brennstoffzufuhr, Einfachheit und geringe Baugröße. Das Erreichen aller dieser Ziele ist zwar erwünscht, die gegenwärtige Entwurfspraxis verlangt aber Kompromisse zwischen denselben.

Außerdem werden beim Entwerfen von Turbinen viele herkömmliche gegebene Turbinenspezifikationen benutzt, zu denen beispielsweise die Fluidtemperaturen und -drücke an den Schaufeleinlässen und -auslässen, die verlangte Turbinenleistungsabgabe und die Wellendrehzahlen gehören. Geschwindigkeitsvektordiagramme der Fluidströmung durch die Turbinenschaufelkränze werden dann auf herkömmliche Weise in einem bevorzugten Radius gewählt, beispielsweise entweder auf dem Schaufel-, dem Naben- (d.h. 0 Prozent Schaufelhöhe) oder dem Schaufelteilkreis/-Mittellinienradius (d.h. 50 Prozent Schaufelhöhe). Die Geschwindigkeitsdiagramme enthalten üblicherweise die Geschwindigkeitsvektoren der Fluidströmung an den Turbinenschaufeleinlässen und -auslässen. Die Geschwindigkeitsvektordiagramme an anderen radialen Stellen der Schaufeln werden danach auf herkömmliche Weise bestimmt, und zwar in Übereinstimmung mit, u.a., dem radialen Gleichgewicht des darüber hinwegströmenden Fluids. Das radiale Gleichgewicht ist ein Zustand, bei dem die radiale Druckkraft auf das Fluid gleich der und entgegengesetzt zu der Zentrifugalkraft ist, die auf das Fluid aufgrund der tangentialen Komponenten der Geschwindigkeit darin einwirkt.

Die Form und die Größe der Schaufeln einschließlich der Winkelausrichtung von sämtlichen Abschnitten derselben werden danach auf herkömmliche Weise aus den Geschwindigkeitsvektordiagrammen erzeugt, um die gesamte äußere Oberfläche der Schaufel festzulegen. Selbstverständlich werden auch zusätzliche herkömmliche Praktiken zum endgültigen Festlegen eines bevorzugten Turbinenentwurfes benutzt.

Die Reaktion ist ein herkömmlicher bekannter Parameter, der beim Festlegen der Art einer Turbine brauchbar ist. Die Reaktion hat viele alternative Definitionen einschließlich zum Beispiel die des prozentualen statischen Enthalpieabfalls pro Stufe, welche in einem Turbinenrotor auftritt, und kann durch Temperatur-, Druck- oder Geschwindigkeitsparameter ausgedrückt werden. Da die Reaktion durch die Geschwindigkeit ausgedrückt werden kann, folgt, daß die Reaktion auch als eine Anzeige der Geschwindigkeitsvektordiagramme und deshalb als eine Anzeige der Schaufelform und -ausrichtung benutzt werden kann.

Zwei grundsätzliche und üblicherweise bekannte Arten von Turbinenbeschaufelung beinhalten Reaktionschaufeln und Gleichdruckschaufeln. Alle Gasturbinen haben Schaufeln, die in dem Grad der Reaktion von der Nabe zur Spitze als Ergebnis von radialen Gleichgewichtszuständen wie oben angegeben variieren. Da die Reaktion notwendigerweise von der Nabe zur Spitze zunimmt, wird ein einzelner Reaktionswert, beispielsweise der auf dem Teilkreis oder der Mittellinie, üblicherweise benutzt, um den Turbinentyp festzulegen.

Eine reine Gleichdruckturbine (d.h. 0 Prozent Reaktion) hat Schaufeln, welche insgesamt symmetrische, halbmondförmige Flügelprofilteile sind, die einen insgesamt gleichförmigen Kanal zwischen benachbarten Schaufeln zum Erzielen von gleichen Einlaß- und Auslaßquerschnitten sowie Fluidgeschwindigkeiten haben. Eine Reaktionsturbine hat Schaufeln, die unsymmetrisch sind, da sie relativ dicke Vorderkantenteile und dünne Hinterkantenteile haben, wobei benachbarte Schaufeln einen konvergierenden Kanal zum Beschleunigen eines Fluids zwischen denselben zum Erzielen einer Auslaßgeschwindigkeit, die höher als die Einlaßgeschwindigkeit ist, bilden. In einer Gleichdruckturbine ist an deren Schaufeln kein statischer Druckabfall vorhanden, und in einer Reaktionsturbine wird ein statischer Druckabfall vom Einlaß zum Auslaß bewirkt.

Herkömmliche Turbinen haben Teilkreisreaktionen, die von etwa 10 Prozent bis etwa 50 Prozent reichen. Reaktionen von 40 Prozent bis 50 Prozent führen üblicherweise zu optimaler Leistung oder zum Spitzenwirkungsgrad für eine Turbinenstufe gemäß zwei bekannten Druckschriften. Eine dieser Druckschriften lehrt auch, daß es einen Spitzenwirkungsgrad gibt, wenn die Geschwindigkeitsvektordiagramme symmetrisch sind.

Der Stand der Technik lehrt zwar, daß die optimale Leistung bei 40-50 Prozent Reaktion erzielt werden kann, eine relativ große Reaktion beinhaltet trotzdem einige negative Kompromisse. Zum Beispiel erhöht das Steigern der Reaktion den Auslaßdrallwinkel der Gase, die eine Turbine verlassen, der kompensiert werden muß, indem die Drehbarkeit der stromabwärtigen Schaufeln erhöht wird. Der erhöhte Drallwinkel führt nicht nur zu einer komplexeren stromabwärtigen Beschaufelung, sondern erhöht auch die aerodynamischen Verluste der stark umgelenkten Gasströmung.

Die erhöhte Reaktion steigert auch die Beschleunigung, die Auslaß-Mach-Zahl und den Druckabfall der Gase, die durch die Turbinenschaufeln hindurchgeleitet werden. Da die Verluste an aerodynamischem Wirkungsgrad proportional zu dem Quadrat der Geschwindigkeit sind, können relativ starke Reaktionen zu relativ starken Mischungsverlusten von Auslaßluft an den Schaufelhinterkantenöffnungen führen. Außerdem wird der erhöhte Druckabfall eine erhöhte Leckage der Gasströmung über die Schaufelspitzen hervorrufen.

Herkömmliche Turbinen haben typisch auch eine Verdichterauslaß- oder Schubausgleichsdichtung zum Reduzieren der unterschiedlichen inneren Schubkräfte auf einen Wert, der sich mit herkömmlichen Axiallagern verträgt. Luft wird aus dem letzten Verdichterrotor eines Gasturbinentriebwerks mit einem ersten Druck abgegeben, der über einem Auslaßquerschnitt des Verdichters wirkt und zu einer in Vorwärtsrichtung erzeugten Kraft führt. Die Verbrennungsgase an dem Einlaß des Turbinenrotorabschnitts des Triebwerks sind auf einem zweiten Druck und an einem Einlaßquerschnitt der Turbine wirksam, um eine nach hinten gerichtete Kraft zu erzeugen. Die vorwärts gerichtete Kraft ist wesentlich größer als die nach hinten gerichtete Kraft, was ein Grund dafür ist, die Verwendung eines Axiallagers zu verlangen, um unterschiedlichen Schub aufzunehmen, der auf die Verdichter-Turbinenwelle einwirkt. Die Verdichterauslaßdichtung ist üblicherweise zwischen dem Verdichter und der Brennkammer vorgesehen, um den Bereich zu reduzieren, über den der Verdichterauslaßdruck sonst wirken würde, um die vorwärts gerichtete Schubkraft zu reduzieren. Da die Verdichterauslaßdichtung zusätzliches Gewicht und zusätzliche Komplexität bei einem Triebwerk mit sich bringt, wäre sie erwünscht, wenn ihre Verwendung nicht erforderlich wäre.

Ein Ziel der Erfindung ist es, ein neues und verbessertes Gasturbinentriebwerk zu schaffen, das einen verbesserten Gesamttriebwerkswirkungsgrad aufweist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Gasturbinentriebwerk zu schaffen, das relativ weniger Komponenten im Vergleich zu herkömmlichen Turbinen hat, um die Kühlungserfordernisse, die Größe und das Gewicht zu reduzieren und die Einfachheit zu verbessern.

Ferner ist es Ziel der Erfindung, ein Gasturbinentriebwerk zu schaffen, welches keinen Statorleitapparat zwischen den Hochdruck- und den Niederdruckturbinenrotoren desselben erfordert.

Außerdem ist es Ziel der Erfindung, ein Gasturbinentriebwerk zu schaffen, das relativ niedrige Differenzschubkräfte hat, welche auf einen Verdichter und eine Turbine desselben einwirken, und zwar ohne die Komplexität einer zusätzlichen Schubausgleichsdichtung.

Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung wird ein Gasturbinentriebwerk offenbart, das in serieller Strömungsbeziehung eine Verdichtungseinrichtung, eine Verbrennungseinrichtung, einen ersten Turbinenrotor, der mit der Verdichtungseinrichtung drehbar verbunden ist, und einen zweiten Turbinenrotor aufweist, der in einer Richtung drehbar ist, welche zu der des ersten Turbinenrotors entgegengesetzt ist, und eine Einrichtung hat zum Erzielen einer relativen Geschwindigkeit der Verbrennungsgase an einem Auslaß der Schaufeln wenigstens eines der Turbinenrotoren, die größer als eine absolute Geschwindigkeit der Gase an einem Einlaß der Schaufeln des einen Turbinenrotors ist (d.h. W ₂ größer als C ₁). Eine weitere Ausführungsform der Erfindung beinhaltet eine Einrichtung zum Erzielen einer Reaktion von wenigstens einer der Turbinen, die größer als eine Bezugsreaktion ist, welche einen Spitzenwirkungsgrad der einen Turbine bewirkt.

Bevorzugte und exemplarische Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine isometrische Ansicht des in Fig. 1 dargestellten Turbinengebiets,

Fig. 3 ein Diagramm, welches die Reaktion, ausgedrückt in Prozent, über der Strömungsweghöhe in Prozent von der Nabe zur Spitze der Turbinenschaufeln für eine herkömmliche Gleichdruck- und eine herkömmliche Reaktionsbeschaufelung und für die Beschaufelung relativ hoher Reaktion gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,

Fig. 4 in Draufsicht eine bekannte Gleichdruckschaufel, die das allgemeine Reaktionsprofil hat, welches in einer Kurve von Fig. 3 dargestellt ist,

Fig. 5 in Draufsicht eine bekannte Reaktionsschaufel, die das allgemeine Reaktionsprofil hat, welches in einer weiteren Kurve in Fig. 3 dargestellt ist,

Fig. 6 in Draufsicht eine eine hohe Reaktion aufweisende Schaufel gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die das allgemeine Reaktionsprofil hat, welches als weitere Kurve in Fig. 3 dargestellt ist,

Fig. 7 ein Teilkreisturbinenstufengeschwindig keitsvektordiagramm für einen bekannten Turbinenleitapparat und -rotor mit Schaufeln, die den in Fig. 4 dargestellten insgesamt gleichen,

Fig. 8 ein Teilkreisturbinenstufengeschwindig keitsvektordiagramm für einen bekannten Turbinenleitapparat und -rotor mit Schaufeln, die den in Fig. 5 dargestellten insgesamt gleichen,

Fig. 9 ein Teilkreisturbinenstufengeschwindig keitsvektordiagramm für axial benachbarte Schaufeln insgesamt ähnlich denjenigen, die in Fig. 6 gezeigt sind, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 10 ein Diagramm, das den normierten Wirkungsgrad als Funktion der Reaktion zeigt, und

Fig. 11 eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, das einen Turbinenabschnitt mit einer einstufigen Hochdruckturbine und einer zweistufigen Niederdruckturbine aufweist.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks 10 gemäß einer bevorzugten und exemplarischen Ausführungsform der Erfindung. Das Triebwerk 10 hat eine axiale Mittelachse 12, um die eine herkömmliche erste Einrichtung zum Komprimieren von Luft oder ein Hochdruckverdichter 14 angeordnet ist, welcher abwechselnde Kränze von Verdichterleitschaufeln 16 und -laufschaufeln 18 aufweist. Die Schaufeln 18 sind an ihren radial inneren Nabenenden an einer ersten Rotorwelle 20 befestigt.

Das Triebwerk 10 enthält weiter eine herkömmliche zweite Einrichtung zum Verdichten von Luft oder einen Niederdruckverdichter 22, der stromaufwärts des Hochdruckverdichters 14 und in direkter serieller Strömungsverbindung mit demselben angeordnet ist. Der Niederdruckverdichter 22 enthält mehrere abwechselnde Kränze von Leitschaufeln 24 und Laufschaufeln 26. Die Laufschaufeln 26 sind an ihren Naben an einer zweiten Rotorwelle 28 zur Drehung mit derselben befestigt. Die zweite Welle 28 ist konzentrisch innerhalb der ersten Welle 20 geeignet abgestützt.

Luft 30 tritt in den Niederdruckverdichter 22 an einem Einlaß 32 ein und wird durch den Niederdruckverdichter 22 und durch den Hochdruckverdichter 14 verdichtet und an einem Auslaß 34 des Hochdruckverdichters 14 abgegeben.

Das Triebwerk 10 enthält weiter eine herkömmliche Einrichtung 36 zum Verbrennen der verdichteten Luft 30, die diese aus dem Hochdruckverdichter 14 empfängt, mit einem Brennstoff und zum Erzeugen von Verbrennungsgasen 38. Die Verbrennungseinrichtung 36 oder einfach die Brenner 36 weisen eine herkömmliche Brennstoffeinspritz- und Zündvorrichtung (nicht dargestellt) zum Zuführen des Brennstoffes und zum Einleiten der Verbrennung auf. Der Brenner 36 ist stromabwärts des Hochdruckverdichters 14 in direkter serieller Strömungsverbindung mit demselben angeordnet, um die verdichtete Luft 30 aus dem Auslaß 34 zu empfangen und sie mit Brennstoff innerhalb des Brenners 36 zum Erzeugen der Verbrennungsgase 38 zu vermischen.

Gemäß bevorzugten und exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung enthält das Triebwerk 10 einen ersten und einen zweiten Turbinenrotor 40 bzw. 42, die sich gegenläufig drehen und zwischen denen kein stationärer Turbinenleitapparat angeordnet ist.

Der erste Turbinenrotor 40 oder die Hochdruckturbine 40 hat mehrere gegenseitigen Umfangsabstand aufweisende erste Turbinenlaufschaufeln 44, die jeweils eine Nabe 46 an ihrem radial inneren Ende haben, welche eine radial innere Begrenzung für die Strömung der Gase 38 bildet. Jede Laufschaufel 44 weist außerdem eine Spitze 48 an ihrem radial äußeren Ende auf. Die Naben 46 sind an dem radial äußeren Umfang einer ersten Rotorscheibe 50 starr befestigt.

Der zweite Turbinenrotor oder die Niederdruckturbine 42 hat mehrere gegenseitigen Umfangsabstand aufweisende zweite Turbinenlaufschaufeln 52, die jeweils eine Nabe 54 an ihrem radial inneren Ende und eine Spitze 56 an ihrem radial äußeren Ende haben. Die Naben 54 sind an dem radial äußeren Umfang einer zweiten Rotorscheibe 58 starr befestigt.

Das Triebwerk 10 hat weiter einen Hochdruckturbinenleitapparat 60, der an einem Auslaß 62 des Brenners 36 angeordnet ist. Gemäß der ausführlicheren Darstellung in Fig. 2 hat der Hochdruckturbinenleitapparat 60 mehrere gegenseitigen Umfangsabstand aufweisende stationäre Leitschaufeln 64, die an ihren radial äußeren Enden an einem äußeren Triebwerksgehäuse 66 starr befestigt sind. Der Hochdruckturbinenleitapparat 60 weist eine herkömmliche Kühleinrichtung 68 auf, die z.B. ein Loch in dem Gehäuse 66 umfaßt, zum Einleiten von unter Druck stehender Kühlluft 30 aus dem Verdichter in das Innere der Schaufeln 64. Die Schaufeln 64 können herkömmliche Filmkühllöcher 70 aufweisen, welche die Kühlluft 30 als einen Film entlang der seitlichen Oberfläche der Schaufeln 64 abgeben, um für Kühlung zu sorgen. Ähnliche Filmkühllöcher 72 können in den ersten Turbinenlaufschaufeln 44 vorgesehen sein und werden mit unter Druck stehender Verdichterluft 30 aus herkömmlichen Einrichtungen 74 versorgt, die z.B. einen Kanal umfassen, der durch die Scheibe 50 und in die Schaufeln 44 führt.

Gemäß der Darstellung in Fig. 1 erstreckt sich die erste Welle 20 von den Schaufeln 18 des Hochdruckverdichters 14 zu der ersten Scheibe 50 der Hochdruckturbine 40, um die Hochdruckturbine 40 mit dem Hochdruckverdichter 14 zur Drehung mit demselben zu verbinden. Die erste Welle 20 ist am vordern und hinteren Ende z.B. mittels Lagern 76 bzw. 78 auf herkömmliche Weise befestigt.

Die zweite Welle 28 erstreckt sich von den Schaufeln 26 aus zu der zweiten Scheibe 58, um den Niederdruckverdichter 22 mit der Niederdruckturbine 42 zur Drehung mit derselben zu verbinden. Die zweite Welle 28 ist am vorderen und hinteren Ende z.B. mittels Lagern 80 bzw. 82 herkömmlich befestigt.

In dieser exemplarischen seriellen Anordnung aus Niederdruckverdichter 22, Hochdruckverdichter 14, Brenner 36, Hochdruckturbine 40 und Niederdruckturbine 42 ist die Hochdruckturbine 40 mit Drehzahlen drehbar, die wenigstens so groß wie diejenigen der Niederdruckturbine 42 sind, d.h. mit Drehzahlen, die größe als die oder gleich denen der Niederdruckturbine 42 sind.

Gemäß der Darstellung in Fig. 2 ist der Hochdruckturbinenleitapparat 60 an dem Brennerauslaß 62 angeordnet und empfängt aus diesem die Verbrennungsgase 38. Die Verbrennungsgase 38 strömen über die Leitapparatschaufeln 64 und zu der Hochdruckturbine 40, die unmittelbar stromabwärts des Leitapparats 60 angeordnet ist. Die Niederdruckturbine 42 ist unmittelbar stromabwärts der Hochdruckturbine 40 und in direkter serieller Strömungsverbindung mit den Hochdruckturbinenschaufeln 44 angeordnet, um die Verbrennungsgase 38 zu empfangen, die zwischen den Hochdruckturbinenschaufeln 44 und dann zwischen den Niederdruckturbinenschaufeln 52 hindurchgeleitet werden. Die Hochdruckturbinenschaufeln 44 und die Niederdruckturbinenschaufeln 52 haben entgegengesetzte Ausrichtungen, so daß sich die Hochdruckturbine 40 in einer ersten Richtung 84 und die Niederdruckturbine 42 in einer zweiten Richtung 86, die zu der ersten Richtung 84 entgegengesetzt ist, dreht, um für eine gegenläufige Drehung der Hochdruckturbine 40 relativ zu der Niederdruckturbine 42 zu sorgen.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung sind die besondere Form und die Winkelausrichtung der Schaufeln 44, 52 und/oder 64. Wie oben beschrieben kann die Schaufelform aus bevorzugten Geschwindigkeitsvektordiagrammen herkömmlich bestimmt werden. Ein bevorzugtes Geschwindigkeitsvektordiagramm kann zu verschiedenen Schaufelformen führen, was von den anderen herkömmlichen Parametern abhängig ist, die bei dem Turbinenentwurf benutzt werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein bevorzugtes Geschwindigkeitsvektordiagramm angegeben, das dem Fachmann gestattet, besondere Formen für die Schaufeln 44, 52 und 64 zu erzielen oder zu entwerfen, welche in Kombination mit der Hochdruckturbine 40 und der Niederdruckturbine 42, die sich gegenläufig drehen, zu dem hier beschriebenen neuen und verbesserten Gasturbinentriebwerk 10 führen wird.

Außerdem kann, wie oben beschrieben, die Reaktion benutzt werden, um Geschwindigkeitsvektordiagramme anzugeben, was ebenfalls eine Anzeige oder Maßnahme zum Erzielen eines Turbinentyps und/oder einer Schaufelform darstellt. Zum besseren Verständnis der Bedeutung der Erfindung wird nun insgesamt auf die Fig. 3-9 Bezug genommen.

Die Reaktion ist ein Parameter, der die Form der Turbinenschaufeln direkt beeinflußt. Die Reaktion hat separate Werte für die Strömung, die zwischen den Hochdruckturbinenschaufeln 44 und den Niederdruckturbinenschaufeln 52 hindurchgeht, und nimmt wegen der radialen Gleichgewichtsbedingungen, die oben beschrieben worden sind, üblicherweise von der Schaufelnabe zur Spitze hin zu. Eine gegebene Turbinenstufe wird üblicherweise durch Bezugnahme auf ihre Teilkreisreaktion (pitch reaction) definiert, d.h. die Reaktion, die am Teilkreis- oder Mitte-Spannweite-Teil der Turbinenschaufel auftritt, wobei die Reaktion für den übrigen Teil der Schaufel in Übereinstimmung mit dem radialen Gleichgewicht auf herkömmliche Weise bestimmt wird.

Zu Vergleichszwecken zeigt Fig. 3 die Reaktion ausgedrückt in Prozent über der prozentualen (%) Strömungsweghöhe von der Nabe zur Spitze für drei Turbinenschaufelanordnungen. Kurven 88, 90 und 92 repräsentieren die Reaktion von der Nabe zur Spitze bei drei Arten von Schaufeln, welche als 12-Prozent- Teilkreisreaktion- oder im wesentlichen Gleichdrucktyp, 47- Prozent-Teilkreisreaktion- bzw. 76-Prozent-Teilkreisreaktion- Typ bezeichnet werden. Die Schaufeln mit 12-Prozent- und 47- Prozent-Teilkreisreaktion sind herkömmlich, so wie sie sich im Stand der Technik finden, und die Schaufeln mit der relativ hohen 76-Prozent-Teilkreisreaktion sind für eine Ausführungsform der Erfindung exemplarisch.

Dargestellt ist in Fig. 4 eine exemplarische, herkömmliche, bekannte Gleichdruckschaufel 94, die eine insgesamt symmetrische Halbmondform hat. Die Schaufel 94 ist auf ihre Teilkreissehne 96 ausgerichtet, die sich zwischen der Hinter- und der Vorderkante in dem Teilkreisquerschnitt 94 c erstreckt, der insgeamt parallel zu einer axialen Mittelachse, wie z.B. der Achse 12, und insgesamt rechtwinkelig zu der Triebwerkstangentialachse, wie z.B. der Achse 98 des Triebwerks 10, die in der Richtung der Drehung der Schaufel 94 in einem Triebwerk ist, angeordnet ist. Der Nabenumriß der Schaufel 94 ist mit 94 a bezeichnet, der Spitzenumriß der Schaufel 94 ist mit 94 b bezeichnet, und der Teilkreisumriß ist mit 94 c bezeichnet. Die Schaufel 94 wird das allgemeine Reaktionsprofil bewirken, das durch die Kurve 88 dargestellt ist, welche in Fig. 3 gezeigt ist, und das eine Nullreaktion an der Nabe hat und auf etwa 15 Prozent Reaktion an deren Spitze ansteigt.

In Fig. 5 ist eine weitere exemplarische, herkömmliche, bekannte Reaktions- oder 47-Prozent-Teilkreisreaktion- Turbinenschaufel 100 dargestellt. Der Nabenumriß der Schaufel ist mit 100 a, der Spitzenumriß der Schaufel mit 100 b und der Teilkreisumriß einfach mit 100 c bezeichnet. Die Teilkreissehne 102 ist unter einem Versetzungswinkel X von 30 Grad gegen die axiale Mittelachse 12 angeordnet. Die Schaufel 100 wird das allgemeine Reaktionsprofil bewirken, welches durch die Kurve 90 in Fig. 3 dargestellt ist, mit etwa 40 Prozent Reaktion an der Nabe und etwa 51 Prozent Reaktion an der Spitze.

In Fig. 6 ist eine exemplarische Schaufel mit relativ hoher Teilkreisreaktion gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt, wobei die Hochdruckturbinenschaufel 44 eine Teilkreisreaktion von etwa 76 Prozent hat. Der Nabenumriß ist mit 44 a bezeichnet, der Spitzenumriß mit 44 b und der Teilkreisumriß mit 44 c. Die Form der Schaufel 44 ist unsymmetrisch, im Gegensatz zu der symmetrischen Schaufel 94 nach Fig. 4, und hat einen relativ breiten Vorderkantenbereich und einen relativ schmalen Hinterkantenbereich. Die Schaufel 44 ist außerdem an ihrer Nabe 44 a breiter und nimmt in der Dicke zu ihrer Spitze 44 b hin ab.

Die in Fig. 6 gezeigte Hochdruckturbinenschaufel 44 hat außerdem eine Teilkreissehne 104, die sich zwischen der Hinterkante und der Vorderkante der Schaufel unter einem Versetzungswinkel Y von etwa 50 Grad gegen die Achse 12 erstreckt. Der Versetzungswinkel Y ist, lufttechnisch betrachtet, wesentlich größer als der Versetzungswinkel X der herkömmlichen Reaktionsschaufel 100. Die Schaufel 44 ist von der Nabe zur Spitze wie üblich verdreht, wobei der Winkel der Spitzensehne jedoch größer als der Winkel Y der Naben- und der Teilkreissehne ist. Die Schaufel 44, die in den Fig. 2 und 6 gezeigt ist, wird, gemäß ihrer Berechnung und durch Tests bestätigt, insgesamt das Reaktionsprofil bewirken, welches durch die Kurve 92 in Fig. 3 dargestellt ist, mit etwa 70 Prozent Reaktion an ihrer Nabe und etwa 78 Prozent Reaktion an ihrer Spitze.

Zum besseren Verständnis der beträchtlichen Entfernung der Erfindung vom Stand der Technik ist eine Untersuchung der Geschwindigkeitsvektordiagramme nach den Fig. 7-9 zweckmäßig. Ebenso wie sich die Reaktion üblicherweise von der Nabe zur Spitze an der Schaufel verändert, um das radiale Gleichgewicht zu erfüllen, müssen es auch die Geschwindigkeitsvektordiagramme. Die Fig. 7-9 zeigen die Diagramme in Schaufelteilkreis- oder 50-Prozent-Schaufel (Strömungsweg)-Höhe, und die Diagramme in den anderen Schaufelquerschnitten würden dann auf herkömmliche Weise bestimmt.

Die Fig. 7-9 zeigen jeweils einen Schaufelquerschnitt links, der eine stromaufwärtige Schaufel darstellt, die mit N bezeichnet ist und bei der es sich allgemein um eine Leitschaufel handelt, sowie einen Schaufelquerschnitt rechts, der eine Schaufel direkt stromabwärts von der Schaufel N darstellt, welche mit R bezeichnet ist und bei der es sich insgesamt um eine Laufschaufel handelt. C ₁ stellt den absoluten Geschwindigkeitsvektor der Strömung dar, die aus den Schaufeln N austritt, oder, alternativ, die Einlaßströmung der Schaufeln R. W ₁ stellt den Geschwindigkeitsvektor der Strömung C ₁ dar, gemessen relativ zu den sich bewegenden Schaufeln R. C ₂ stellt den absoluten Geschwindigkeitsvektor der Strömung dar, die von den Schaufeln R abgegeben wird, und W ₂ stellt den Geschwindigkeitsvektor derselben relativ dazu dar.

Der Umfangsgeschwindigkeitsvektor der dargestellten Querschnitte der Schaufeln R ist mit u bezeichnet und kann statt dessen auch als tangentialer Geschwindigkeitsvektor aufgefaßt werden, d.h. als die Geschwindigkeit, die parallel zu einer mit T bezeichneten Schaufeltangentialachse gemessen wird. Eine axiale Achse, die mit A bezeichnet ist, ist rechtwinklig zu der tangentialen Achse T angeordnet.

C ₁, C ₂, W ₁, W ₂ und u sind herkömmliche Parameter, die unterschiedliche Bezeichnungen haben können, um Geschwindigkeitsvektoren darzustellen, üblicherweise aber bekannte Parameter darstellen. Selbstverständlich werden die besonderen Geschwindigkeitsvektordiagramme für die verschiedenen anderen radialen Querschnitte einer Schaufel und für jeden Schaufelkranz des Triebwerks auf herkömmliche Weise erzeugt.

Fig. 7 zeigt insgesamt das Teilkreisgeschwindigkeitsvektor diagramm für die in Fig. 4 gezeigte bekannte Gleichdruckschaufel 94. Die Schaufel N repräsentiert eine herkömmliche stationäre Leitschaufel, die Gas zu der Laufschaufel R, d.h. zur Schaufel 94 leitet, welche direkt stromabwärts von ihr angeordnet ist. Die in Fig. 7 gezeigten Schaufeln sind insgesamt gleichabständig von umfangsmäßig benachbarten Schaufeln (nicht dargestellt), die insgesamt gleiche Einlaß- und Auslaßströmungsquerschnitte haben, welche zwischen den Vorder- bzw. Hinterkanten der benachbarten Schaufeln gebildet sind. Die Einlaß- und die Auslaßgeschwindigkeit W ₁ bzw. W ₂ sind insgesamt gleich, und W ₂ ist kleiner als C ₁.

Die Reaktionsschaufeln dagegen sind, wie es durch die Schaufeln 100, 44 und 52 in den Fig. 2, 5 und 6 dargestellt ist, in derartigem Abstand voneinander, daß herkömmliche konvergierende Düsen (z. B. 44 d und 52 d in Fig. 2) zwischen ihnen gebildet sind, um die Strömung zu beschleunigen, die zwischen ihnen hindurch zu einem herkömmlichen Verengungsbereich geht, der sich insgesamt in der Nähe der Hinterkanten von benachbarten Schaufeln befindet (z.B. 44 e und 52 e in Fig. 2). Die Reaktionsschaufeln beschleunigen die Strömung eines zwischen ihnen hindurchgehenden Gases, wobei die Austrittsgeschwindigkeit W ₂ größer ist als die Eintrittsgeschwindigkeit W ₁. Weiter tritt bei Reaktionsschaufeln auch ein Druckabfall zwischen den Vorderkanten und den Hinterkanten der Schaufeln auf.

Fig. 8 veranschaulicht insgesamt das Teilkreisgeschwindigkeitsvektordiagramm für die bekannte Schaufel 100, die in Fig. 5 gezeigt ist. Die Schaufel N stellt eine herkömmliche stationäre Leitschaufel dar, welche Gas zu der Laufschaufel R, d.h. zu der Schaufel 100 leitet, die direkt stromabwärts von ihr angeordnet ist. Das Diagramm ist symmetrisch, wobei die Einlaß- und die Auslaßgeschwindigkeit C ₁ bzw. W ₂ gleich sind. Der absolute Austrittsdrallwinkel S ₁, gemessen relativ zu dem Vektor C ₂, für Gase, die von den Laufschaufeln R abgegeben werden, beträgt etwa 40 Grad.

Fig. 9 zeigt insgesamt das Teilkreisgeschwindigkeitsvektordiagramm für die Schaufel 44 mit relativ großer Reaktion, die in Fig. 6 gezeigt ist, gemäß einer bevorzugten exemplarischen Ausführungsform der Erfindung. In diesem Diagramm stellt die Schaufel N die Leitschaufel 64 dar, und die Schaufel R stellt die Hochdruckturbinenschaufel 44 dar. Ein wesentliches Merkmal der Schaufeln 44 und des Vektordiagramms besteht darin, daß W ₂ größer als C ₁ ist.

Ein weiteres Merkmal der eine relativ hohe Reaktion zeigenden Schaufeln 44 ist der relativ große absolute Austrittsdrallwinkel S für Gase, die aus den Turbinenschaufeln 44 abgegeben werden, wie es in Fig. 9 durch den Winkel des absoluten Geschwindigkeitsvektors C ₂ dargestellt ist. Der Drallwinkel S hat einen Wert von etwa 55 Grad für die Ausführungsform, die bei einer Teilkreisreaktion R ₁ von 76 Prozent dargestellt ist, welche dem Betrieb bei dem Gruppenspitzenwirkungsgrad in Fig. 10 zugeordnet ist. Der Drallwinkel S würde etwa 50 Grad für eine Teilkreisreaktion R ₁ von 68 Prozent betragen, die einem Betrieb bei dem Stufenspitzenwirkungsgrad in Fig. 10 zugeordnet ist.

Noch ein weiteres bedeutsames Merkmal der eine relativ große Reaktion zeigenden Schaufeln 44 ist der relativ große Teilkreisversetzungswinkel Y, der, wie oben beschrieben, größer als der Teilkreisversetzungswinkel X der herkömmlichen Reaktionsschaufel 100 ist.

Fig. 10 ist ein Diagramm, in welchem der normierte Wirkungsgrad über der in Prozent ausgedrückten Teilkreisreaktion aufgetragen ist. Der Wirkungsgrad wird auf herkömmliche Weise bestimmt und kann durch die tatsächliche Arbeit dividiert durch die ideale Arbeit dargestellt werden. Die Kurve 106 repräsentiert den Wirkungsgrad für die Turbinenstufe, welche die Hochdruckturbine 40 und den Hochdruckturbinenleitapparat 60 umfaßt, selbst. Die Kurve 108 repräsentiert den Wirkungsgrad der Turbinengruppe, welche den Hochdruckturbinenleitapparat 60, die Hochdruckturbine 40, die Niederdruckturbine 42 und mehrere gegenseitigen Umfangsabstand aufweisende stationäre Auslaßleitschaufeln 110 umfaßt, die an dem Gehäuse 66 direkt stromabwärts der Niederdruckturbinenschaufeln 52 in Reihenströmungsverbindung mit diesen geeignet gehaltert sind. Die Auslaßleitschaufeln 110 werden auch als Entwirbel- oder Entdrallschaufeln bezeichnet und benutzt, wenn das Entwirbeln des aus der Niederdruckturbine 42 abgegebenen Gases erforderlich ist. Die Datenpunkte für beide Kurven für 76 Prozent Teilkreisreaktion, die den Spitzengruppenwirkungsgrad ergeben, basieren auf Testdaten, wogegen der übrige Teil von beiden Kurven auf Berechnung basiert. Die Kurven 106 und 108 sind in bezug auf den Gruppenwirkungsgrad normiert. Die Stufenwirkungsgradkurve 106 zeigt allgemein, daß der Wirkungsgrad einer Turbinenstufe einen Scheitel bei einem gewissen Reaktionswert erreicht, beispielsweise bei etwa 68 Prozent Reaktion bei der gezeigten Ausführungsform.

Bezüglich des Turbinenstufenwirkungsgrads allein kann ein Triebwerksentwerfer auf herkömmliche Weise ein Diagramm des Wirkungsgrads über der Reaktion für einen gegebenen Turbinenverwendungszweck erzeugen, um einen Reaktionswert zum Erzielen eines Spitzenwerts des Wirkungsgrads für diese Turbinenstufe zu bestimmen. Zum Beispiel lehrt der Stand der Technik einen optimalen oder Spitzenwirkungsgrad oder eine Spitzenleistung für Reaktionswerte von 40 Prozent bis 50 Prozent.

Wie oben dargelegt führen zunehmende Werte der Reaktion, insbesondere nach dem Wert für den Spitzenwirkungsgrad, z.B. 50 Prozent, notwendigerweise zu einer Abnahme des Wirkungsgrads bei einer bestimmten Stufe, wie es in Fig. 10 gezeigt ist. Die Austrittsdrallwinkel (Winkel S) werden ebenfalls vergrößert, ebenso wie die Mischungsverluste in der Turbine. Außerdem sind einer höheren Reaktion erhöhte Turbinenverluste wegen der Schaufelspitzenspaltleckage zugeordnet, die durch einen größeren Druckabfall und einen größeren Räumwinkel an den Schaufelschwalbenschwänzen verursacht wird, was die Schwierigkeit des Befestigens der Schaufeln in ihrer tragenden Scheibe vergrößert.

Die Erfinder haben entdeckt, daß eine Turbinenbeschaufelung mit relativ hoher Reaktion in Verbindung mit gegenläufigen Hoch- und Niederdruckturbinen ohne einen zwischengeschalteten Leitapparat gemäß einer Ausführungsform der Erfindung benutzt werden kann, um einen besseren Gesamttriebwerkswirkungsgrad und beispielsweise eine Verringerung der Komplexität, der Anzahl von Einzelteilen, der Länge, des Gewichts, der Kühlluftströmungserfordernisse und der Herstellungskosten zu erzielen. Insbesondere haben die Erfinder beispielsweise festgestellt, daß die andernfalls unerwünscht großen Drallwinkel, welche der relativ großen Reaktion der Hochdruckturbine 44 zugeordnet und in Fig. 9 dargestellt sind, mit minimalen Wirkungsgradverlusten durch die Verwendung der gegenläufigen Niederdruckturbine 42 statt einer in gleicher Richtung umlaufenden Niederdruckturbine, die sonst einen zwischengeschalteten Statorleitapparat erfordern würde, gut zugelassen werden. Der relativ große Auslaßdrallwinkel S, der dem in Fig. 9 dargestellten Geschwindigkeitsvektor C ₂ am Auslaß der Turbinenschaufeln 44 zugeordnet ist, ist einem Geschwindigkeitsvektor C ₁ analog dem in Fig. 9 gezeigten gut angepaßt, welcher am Einlaß der Turbinenschaufeln 52 der Niederdruckturbine 42 (nicht dargestellt) erforderlich wäre.

Die Erfinder haben außerdem herausgefunden, daß, obgleich Reaktionen, die größer als die für den Spitzenwirkungsgrad für eine bestimmte Stufe sind, notwendigerweise zu einem verringerten Stufenwirkungsgrad führen, dieser verringerte Wirkungsgrad im Hinblick auf eine Gesamtsteigerung des Wirkungsgrads des Triebwerks 10, insbesondere der oben beschriebenen Turbinengruppe, akzeptabel sein kann.

Der 68-Prozent-Reaktionspunkt der Stufenkurve 106 in Fig. 10 repräsentiert eine exemplarische Referenzteilkreisreaktion R _O, die einen Spitzenwirkungsgrad für eine Turbinenstufe bewirkt. Tests haben jedoch gezeigt, daß die relativ hohe Teilkreisreaktion, obgleich sie zu einem verringerten Stufenwirkungsgrad führt, einen größeren Gruppenwirkungsgrad ergibt. Beispielsweise führt eine 76-Prozent-Teilkreisreaktion für die Hochdruckturbine 40, die größer als die Bezugsteilkreisreaktion R _O ist, zu einem Spitzengruppenwirkungsgrad, wie es durch den Scheitel in der Gruppenkurve 108 dargestellt ist, obgleich der Wirkungsgrad der Stufe selbst reduziert wird.

Weil die größere Reaktion den Druckabfall an einem Turbinenrotor, wie z. B. der Hochdruckturbine 40, vergrößert, wird die Geschwindigkeit der Verbrennungsgase 38, die durch den Hochdruckturbinenleitapparat 60 strömen, reduziert, weshalb die Differenzgeschwindigkeit zwischen den Gasen 38 und der Kühlluft 30 über die Kühllöcher 70 abgegeben wird, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, so daß die Mischungsverluste in dem Leitapparat reduziert werden, die sonst wesentlich größer wären. Die größere Reaktion kann jedoch auch die Kühlluftmischverluste in der Hochdruckturbine 40 aufgrund der größeren Geschwindigkeit der über diese hinweggehenden Gase vergrößern; da aber die Menge an Kühlluft, die üblicherweise zum Kühlen des Hochdruckturbinenleitapparats 60 benutzt wird, etwa doppelt so groß wie die für die Hochdruckturbine 40 benutzte ist, gibt es insgesamt einen Gewinn. Zusätzliche Vorteile der relativ hohen Teilkreisreaktion gemäß der Erfindung sind im folgenden beschrieben.

Zum Definieren der Teilkreisreaktion zeigt Fig. 2 vier herkömmliche Stationen, die mit 1, 2, 3 und 4 bezeichnet sind und Orten an dem Brennerauslaß 62, der Position zwischen dem Hochdruckturbinenleitapparat 60 und der Hochdruckturbine 40, der Position zwischen der Hochdruckturbine 40 und der Niederdruckturbine 42 und der Auslaßposition der Niederdruckturbine 42 entsprechen, die alle auf einer gemeinsamen Stromlinie sind, welche sich auf einem Teilkreis 112 befindet, der durch die 50-Prozent-Schaufelhöhenposition hindurchgeht. Die Stationen 1, 2, 3 und 4 können statt dessen als der Einlaß des Leitapparats 60; der Auslaß des Leitapparats 60 oder der Einlaß der Hochdruckturbine 40; der Auslaß der Hochdruckturbine 40 oder der Einlaß der Niederdruckturbine 42; bzw. der Auslaß der Niederdruckturbine 42 oder der Schaufeln derselben auf dem Teilkreis 112 bezeichnet werden.

Wie oben dargelegt, kann die Reaktion herkömmlich auf verschiedene Weise definiert werden. Für die Hochdruckturbine 40 wird die Reaktion als der prozentuale statische Enthalpieabfall der Stufe bezeichnet, der in einem Turbinenrotor auftritt. Die Teilkreisreaktion für die Hochdruckturbine 40 ist die Abszisse in Fig. 10 und kann als die erste Teilkreisreaktion R ₁ bezeichnet und durch folgenden Ausdruck definiert werden:

R₁ = (H _{S 2}-H _{S 3})/(H _{S 1}-H _{S 3}) × 100%

wobei H _{S 2} die üblicherweise bekannte statische Enthalpie an dem Einlaß der Hochdruckturbine 40 in der Station 2 repräsentiert,
wobei H _{S 3} die üblicherweise bekannte statische Enthalpie an dem Auslaß der Hochdruckturbine 40 in der Station 3 repräsentiert, und
wobei H _{S 1} die üblicherweise bekannte statische Enthalpie an dem Auslaß des Brenners 36 und dem Einlaß des Hochdruckturbinenleitapparats 60 in der Station 1 repräsentiert.

Da es keinen Einlaßleitapparat an der Niederdruckturbine 42 gibt, kann die Teilkreisreaktion der Niederdruckturbine 42, an der Stufe oder am Rotor, durch den alternativen Ausdruck definiert und als zweite Teilkreisreaktion R ₂ bezeichnet werden:

R₂ = (H _{S 3}-H _{S 4})/(H _{T 3}-H _{S 4}) × 100%

wobei H _{S 3} die üblicherweise bekannte statische Enthalpie an dem Auslaß der Hochdruckturbine 40 zwischen der Hochdruckturbine 40 und der Niederdruckturbine 42 in der Station 3 repräsentiert,
wobei H_S4 die üblicherweise bekannte statische Enthalpie an dem Auslaß der Niederdruckturbine 42 in der Station 4 repräsentiert, und
wobei H_T3 die üblicherweise bekannte Gesamtenthalpie an dem Einlaß der Niederdruckturbine 42 in der Station 3 repräsentiert.

Tests haben gezeigt, daß die Hochdruckturbine 40 und die Niederdruckturbine 42, die eine erste und eine zweite Teilkreisreaktion R ₁ und R ₂ von 76 Prozent bzw. 52 Prozent haben, zu einer Gesamtwirkungsgradverbesserung der Turbinengruppe eines Triebwerks führen, ungeachtet irgendeiner Abnahme des Wirkungsgrads der Hochdruckturbine 40 selbst. Fig. 10 zeigt, daß, obgleich der Stufenwirkungsgrad unter seinem Scheitel in der Kurve 106 bei einer Teilkreisreaktion R ₁ von 76 Prozent ist, der Gruppenwirkungsgrad auf seinem Scheitel ist, wie es bei der Kurve 108 gezeigt ist.

Weiter gestattet die größere Reaktion gemäß der Erfindung weniger Turbinenschaufeln für eine bestimmte gewünschte Arbeitsabgabe der Schaufeln.

Wie oben dargelegt ist ein bedeutsames Merkmal einer Ausführungsform der Erfindung die Einrichtung zum Erzielen einer Teilkreisreaktion einer Turbine, die größer als die Bezugsteilkreisreaktion R _O ist, welche den Spitzenwirkungsgrad für die Turbine bewirkt. Erste Reaktionsmaßnahmen, welche die Form einschließlich der Winkelausrichtung der Schaufeln 44 umfassen, wie es in den Fig. 2, 6 und 9 gezeigt ist, werden benutzt, um die relativ hohe Teilkreisreaktion R ₁ für die Hochdruckturbine 40 zu erzielen, die größer als die Bezugsspitzenstufenwirkungsgradreaktion R _O ist.

Ebenso können zweite Reaktionsmaßnahmen zum Erzielen der Teilkreisreaktion R ₂ der Niederdruckturbine 42, die größer als die entsprechende Bezugsteilkreisreaktion R _O ist, welche den Spitzenwirkungsgrad für die Niederdruckturbine 42 bewirkt, benutzt werden. Diese zweiten Reaktionsmaßnahmen beinhalten die Form einschließlich der Winkelausrichtung der Niederdruckturbinenschaufeln 52, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, die ähnlich den Schaufeln 44 der Hochdruckturbine 40 geformt und ausgerichtet sind. Die Gesamtform der Turbinenschaufeln kann auf herkömmliche Weise bestimmt werden, und zwar wegen der offenbarten gewünschten Teilkreisreaktionen oder Geschwindigkeitsvektoren und Winkelausrichtungen.

Ein zusätzlicher Vorteil gemäß der Erfindung ist die Eliminierung der üblicherweise bekannten Verdichterauslaßdichtung und die Reduktion von Differenzschubkräften, weshalb ein größeres Axiallager nicht erforderlich ist. Eine Verdichterauslaßdichtung wird typischerweise an der Stelle zwischen dem Hochdruckverdichter 14 und dem Brenner 36 benutzt, die in Fig. 1 insgesamt mit 114 bezeichnet ist. Die Verdichterauslaßdichtung gleicht einer Dichtung 116, die in Fig. 1 gezeigt ist, welche den Vorbeigang der Strömung an der Dichtung 116 zwischen dem Hochdruckturbinenleitapparat 60 und dem Gebiet unterhalb des Brenners 36 verhindert oder reduziert.

Es ist üblicherweise bekannt, daß der Druck der komprimierten Luft 30 an dem Auslaß des Hochdruckverdichters 14 relativ höher ist als der Druck der Verbrennungsgase in der Station 2 zwischen dem Hochdruckturbinenleitapparat 60 und der Hochdruckturbine 40. Der Verdichterausgangsdruck wirkt in Vorwärtsrichtung über die nach hinten weisende Fläche der Hochdruckverdichterschaufel 18 und die erste Welle 20 in dem Gebiet von 114, und der Verbrennungsgasdruck wirkt in Richtung nach hinten über die nach vorn weisende Fläche der Hochdruckturbinenschaufeln 44 und der Scheibe 50. Der Druck x der Fläche an diesen Stellen ergibt u.a. eine Axialkraft, die auf die Welle 20 in Vorwärtsrichtung in dem Hochdruckverdichter 14 und in Richtung nach hinten in der Hochdruckturbine 40 einwirkt. Da der Vorwärtsschub üblicherweise größer als der Schub nach hinten ist, ist insgesamt eine Schubdifferenz vorhanden, die üblicherweise die Verwendung einer Verdichterauslaßdichtung erfordert, um die Schubbelastungen so zu reduzieren, daß sie durch ein herkömmliches Axiallager aufgenommen werden können. Das Lager 76 würde in einem herkömmlichen Triebwerk ein Axiallager umfassen, um diese Kräfte aufzunehmen. Bei der Erfindung führt jedoch eine relativ große Teilkreisreaktion R ₁ der Hochdruckturbine 40 zu einem relativ hohen Druck zwischen dem Hochdruckturbinenleitapparat 60 und der Hochdruckturbine 40 und zu einem Anstieg des Druckabfalls an der Hochdruckturbine 40, was auf vorbestimmte Weise ausgenutzt werden kann, um eine relativ niedrige Gesamtlagerbelastung zu bewirken und die Verdichterauslaßdichtung zu eliminieren.

Demgemäß kann das Triebwerk 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung auf vorbestimmte Weise die relativ hohe Reaktion R ₁ für die Hochdruckturbine 40 ausnutzen, um insgesamt eine Reduktion der Schubkräfte zu bewirken. Deshalb kann eine herkömmliche Verdichterauslaßdichtung eliminiert oder für niedrigere Differenzschubbelastungen einfacher gemacht werden.

Fig. 11 zeigt eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks 118 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der vordere Teil des Triebwerks 118 gleicht insgesamt dem vorderen Teil des Triebwerks 10, der in Fig. 1 dargestellt ist, und umfaßt den Brenner 36, den Hochdruckturbinenleitapparat 60 und eine einstufige Hochdruckturbine 40, wobei gleiche Bezugszahlen gleiche Teile wie in Fig. 1 bezeichnen. Die Hochdruckturbine 40 weist Schaufeln 44 auf, die an einer einzelnen Rotorscheibe befestigt sind. Eine zweistufige Mitteldruckturbine 120 wird in dieser Ausführungsform der Erfindung benutzt. Die Mitteldruckturbine 120 enthält einen vorderen Rotor 122, der mehrere Rotorschaufeln 124 hat, die an einer vorderen Scheibe 126 befestigt sind, welche auf der Welle 28 befestigt ist. Ein hinterer Rotor 128 weist mehrere Laufschaufeln 130 auf, die an einer hinteren Rotorscheibe 132 geeignet befestigt sind, welche ebenfalls auf der Welle 28 zur gemeinsamen Drehung mit dem vorderen Rotor 122 befestigt ist. Zwischen dem ersten Rotor 122 und dem zweiten Rotor 128 ist ein herkömmlicher stationärer Leitapparat 134 angeordnet, der mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete Leitschaufeln aufweist.

Das Triebwerk 118 weist auch eine Niederdruckturbine 136 auf, die gegenläufige Propeller 138 und 140 antreibt. Die Niederdruckturbine 136 weist sich radial nach außen erstreckende Schaufelkränze 142 auf, die an den hinteren Propellern 140 starr befestigt sind, und sich radial nach innen erstreckende Schaufelkränze 144, die an den vorderen Propellern 138 starr befestigt sind. Die Kränze 142 und 144 sind ohne zwischengeschaltete stationäre Leitapparate ineinander verschachtelt angeordnet.

Das Triebwerk 118, das in Fig. 11 dargestellt ist, wird außerdem durch Verwenden von Teilkreisreaktionen und Geschwindigkeitvektordiagrammen definiert.

In dieser Ausführungsform der Erfindung kann irgendeine oder können alle Reaktionen größer sein als die Bezugsreaktion, die den Spitzenwirkungsgrad für die betreffende Stufe bewirkt. Zum Beispiel können die Hochdruckturbinenschaufeln 44 insgesamt die relativ hohe Reaktion R ₁ bewirken, die oben für die Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 1 beschrieben worden ist.

Wie oben angegeben, ist die Reaktion gemäß einer Ausführungsform der Erfindung größer als die, die sonst für eine bestimmte Turbinenstufe zum Spitzenwirkungsgrad führen würde. Diese relativ hohe Reaktion kann in irgendeiner Turbinenstufe oder in allen Turbinenstufen ausgenutzt werden, wobei eine scheinbare Begrenzung der Gesamtwirkungsgrad des gesamten Turbinentriebwerks ist. Ein neuer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie den zusätzlichen Kompromiß einer Verringerung des Wirkungsgrads einer besonderen Turbinenstufe für eine Vergrößerung des Gesamtwirkungsgrads der Turbine gestattet. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Elimination des Statorleitapparats zwischen den Turbinenrotoren, was zu einem relativ kürzeren, leichteren und weniger komplexen Triebwerk führt, welches die Notwendigkeit von den Wirkungsgrad reduzierender Kühlluft eliminiert, die sonst für den Leitapparat erforderlich wäre. Weiter kann die relativ große Reaktion gemäß einem Aspekt der Erfindung ausgenutzt werden, um die Größe eines Axiallagers zu reduzieren, das sonst in der Welle benutzt werden würde, welche den Hochdruckverdichter und die Hochdruckturbine verbindet, und um außerdem die Notwendigkeit irgendeiner anderen komplexeren Einrichtung zum Ausgleichen des Schubs, wie beispielsweise eines Schubausgleichs, zu eliminieren oder zu reduzieren.

Es gibt mehrere Vorteile der Erfindung, die in Abhängigkeit von den besonderen gewünschten Zielen für einen besonderen Triebwerksentwurf vorteilhaft ausgenutzt werden können. Ein verbesserter Wirkungsgrad kann ein Ziel sein, ein reduzierter Bedarf an Schubausgleich kann ein weiteres Ziel sein, und noch weitere Ziele, wie sie oben beschrieben worden sind, können erwünscht sein. Die Erfindung gestattet eine vorbestimmte Auswahl einer relativ großen Reaktion für wenigstens eine einzelne Stufe eines Gasturbinentriebwerks, um einen oder mehrere der hier beschriebenen Vorteile auszunutzen.

Es ist zwar hier beschrieben worden, was als die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung aufgefaßt wird, weitere Modifizierungen der Erfindung liegen aber für den Fachmann aufgrund der obigen Beschreibung auf der Hand, weshalb die beigefügten Ansprüche alle derartigen Modifizierungen im Rahmen der Erfindung beinhalten. Beispielsweise kann noch eine weitere Niederdruckturbine ohne einen stromaufwärtigen Leitapparat zwischen der Niederdruckturbine 42 und den Austrittsleitschaufeln 110 der Ausführungsform nach Fig. 1 angeordnet werden. In einer solchen Anordnung würde die Niederdruckturbine 42 eine hohe Reaktion und Geschwindigkeitsvektoren W ₂, die größer als C ₁ sind, gemäß der Erfindung haben. In noch einem weiteren Beispiel kann die Niederdruckturbine 42, obgleich sie mit einem Niederdruckverdichter 22 verbunden ist, mit irgend einem herkömmlichen Gebilde zum Erzielen von Arbeit verbunden sein, beispielsweise einem Fan oder einer Ausgangswelle.

Claims

1. Gasturbinentriebwerk mit:
einer ersten Einrichtung (14) zum Verdichten von Luft;
einer Einrichtung (36) zum Verbrennen von aus der ersten Verdichtungseinrichtung (14) empfangener verdichteter Luft mit einem Brennstoff und zum Erzeugen von Verbrennungsgasen (38);
einem ersten Turbinenrotor (40) mit mehreren ersten Schaufeln (44), die Naben (46) haben, welche an dem Umfang einer ersten Scheibe (50) befestigt sind, die in einer ersten Richtung drehbar ist, wobei die ersten Schaufeln (44) in Strömungsverbindung mit der Verbrennungseinrichtung (36) sind, um die Verbrennungsgase (38) zum Drehen des ersten Turbinenrotors (40) zu empfangen;
einer Einrichtung (20) zum Verbinden der ersten Verdichtungseinrichtung (14) mit dem ersten Turbinenrotor (40) zur Drehung mit demselben;
einem zweiten Turbinenrotor (42) mit mehreren zweiten Schaufeln (52), die Naben (54) haben, welche an dem Umfang einer zweiten Scheibe (58) befestigt sind, die in einer zweiten Richtung drehbar ist, welche zu der ersten Richtung entgegengesetzt ist, wobei die zweiten Schaufeln (52) in direkter Strömungsverbindung mit den ersten Schaufeln (44) sind, um die Verbrennungsgase (38) zum Drehen des zweiten Turbinenrotors (42) zu empfangen; und
einer Einrichtung zum Erzielen einer Teilkreisgeschwindigkeit (W ₂) der Gase an einem Auslaß der und relativ zu den Schaufeln wenigstens eines der beiden Turbinenrotoren (40, 42), die größer als eine Teilkreisabsolutgeschwindigkeit (C ₁) der Gase an einem Einlaß der Schaufeln des einen Turbinenrotors ist, wobei die Schaufeln des einen Turbinenrotors Teilkreissehnenversetzungswinkel (Y) haben, die größer als 30 Grad sind.

2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeitserzielungseinrichtung weiter eine Teilkreisgeschwindigkeit (W ₁) der Gase an dem Einlaß der und relativ zu den Schaufeln des wenigstens einen Turbinenrotors bewirkt, die kleiner als die Teilkreisrelativauslaßgeschwindigkeit (W ₂) ist.

3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeitserzielungseinrichtung eine Teilkreisrelativauslaßgeschwindigkeit (W ₂) des einen Turbinenrotors bewirkt, die größer als eine Teilkreisabsolutgeschwindigkeit (C ₁) an dem Einlaß des einen Turbinenrotors ist.

4. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeitserzielungseinrichtung die Form einschließlich der Winkelausrichtung der Turbinenschaufeln des einen Turbinenrotors umfaßt.

5. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeitserzielungseinrichtung weiter eine Einrichtung umfaßt zum Erzielen einer Teilkreisreaktion des einen Turbinenrotors, die größer als eine Referenzteilkreisreaktion ist, welche einen Spitzenwirkungsgrad für eine entsprechende Turbinenstufe bewirkt.

6. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen stationären Leitapparat (60), der zwischen der Verbrennungseinrichtung (36) und dem ersten Turbinenrotor (40) und in serieller Strömungsverbindung mit denselben angeordnet ist, wobei der erste Turbinenrotor (40) und der Leitapparat (60) eine erste Turbinenstufe bilden und wobei die Reaktionseinrichtung eine erste Reaktionseinrichtung umfaßt zum Erzielen einer ersten Teilkreisreaktion (R ₁), die größer als eine Referenzteilkreisreaktion (R _O) der ersten Turbinenstufe ist, welche eine vorbestimmte Form der ersten Turbinenschaufeln aufweist, und wobei die erste Teilkreisreaktion (R ₁) in Prozent den Abfall der statischen Enthalpie der durch die erste Turbinenstufe strömenden Gase, welcher in dem ersten Turbinenrotor (40) auftritt, darstellt.

7. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 6, wobei die erste Teilkreisreaktion (R ₁) durch folgenden Ausdruck definiert ist: R₁ = (H _{S 2}-H _{S 3})/(H _{S 1}-H _{S 3}) × 100%wobei H _{S 2} die statische Enthalpie an einem Einlaß des ersten Turbinenrotors (40) repräsentiert,
wobei H _{S 3} die statische Enthalpie an einem Auslaß des ersten Turbinenrotors (40) repräsentiert, und
wobei H _{S 1} die statische Enthalpie an einem Auslaß der Verbrennungseinrichtung (36) repräsentiert.

8. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Teilkreisreaktion (R ₁) größer als 50 Prozent ist.

9. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Teilkreisreaktion (R ₁) etwa 76 Prozent beträgt.

10. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Turbinenschaufeln jeweils einen relativ dicken Vorderkantenteil und einen relativ dünnen Hinterkantenteil haben, daß der erste Turbinenrotor (40) der eine Turbinenrotor ist und daß der erste Turbinenrotor (40) mit Drehzahlen drehbar ist, die wenigstens so groß wie diejenigen des zweiten Turbinenrotors (42) sind.

11. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Turbinenschaufeln jeweils einen relativ dicken Vorderkantenteil und einen relativ dünnen Hinterkantenteil haben und jeweils so geformt sind, daß ein absoluter Austrittsdrallwinkel (S) erzielt wird, der größer als 50 Grad ist.

12. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch:
eine zweite Einrichtung (22) zum Verdichten von Luft, die stromaufwärts der und in Strömungsverbindung mit der ersten Verdichtungseinrichtung (14) angeordnet ist; und
eine Einrichtung (28) zum Verbinden der zweiten Verdichtungseinrichtung (22) mit dem zweiten Turbinenrotor (42) zur Drehung mit demselben.

13. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine zweite Reaktionseinrichtung zum Erzielen einer zweiten Teilkreisreaktion (R ₂) des zweiten Turbinenrotors (42), wobei die zweite Teilkreisreaktion (R ₂) größer als eine Referenzteilkreisreaktion des zweiten Turbinenrotors (42) ist.

14. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Reaktionseinrichtung benachbarte erste bzw. zweite Turbinenschaufeln aufweisen, die derartigen Abstand haben, daß sie einen konvergierenden Kanal zum Beschleunigen der hindurchgehenden Strömung und eine Verengungsstelle minimalen Querschnittes, die sich nahe den Hinterkanten derselben befindet, bilden.

15.Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Teilkreisreaktion (R ₁, R ₂) Maximalwerte an der Nabe (46, 54) der ersten bzw. zweiten Turbinenschaufeln haben und im Wert zu den Spitzen der ersten und der zweiten Schaufeln hin zunehmen.

16. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Luft aus der ersten Verdichtungseinrichtung (14) mit einem Auslaßdruck abgebbar ist und Gase aus der Verbrennungseinrichtung (36) zu der ersten Turbine mit einem Einlaßdruck geleitet werden, daß die erste Verdichtungseinrichtung (14) einen Auslaßquerschnitt und die erste Turbine einen Einlaßquerschnitt hat und daß die erste Teilkreisreaktion (R ₁) einen Wert hat, der bewirkt, daß der Schub, der durch den Auslaßdruck erzeugt wird, welcher an dem Auslaßquerschnitt wirksam ist, und durch den Einlaßdruck, der an dem Einlaßquerschnitt wirksam ist, insgesamt ausgeglichen ist.

17. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß er erste Turbinenrotor (40) einen einzigen Rotor umfaßt.

18. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Turbinenrotor (120) eine vordere und eine hintere Stufe aufweist, die einen vorderen und einen hinteren Rotor, welche sich gemeinsam drehen, haben, von denen jeder mehrere Turbinenschaufeln hat, die Naben aufweisen, welche an dem Umfang derselben befestigt sind, und einen stationären Turbinenleitapparat, der zwischen den und in Strömungsverbindung mit den Schaufeln des vorderen und des hinteren Turbinenrotors angeordnet ist.

19. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine zweite Einrichtung (22) zum Verdichten von Luft, die stromaufwärts von und in Strömungverbindung mit der ersten Verdichtungseinrichtung (14) angeordnet ist; und durch eine Einrichtung (28) zum Verbinden der zweiten Verdichtungseinrichtung (22) mit dem vorderen und dem hinteren Turbinenrotor (122, 128) zur Drehung mit denselben.

20. Gasturbinentriebwerk mit:
einer ersten Einrichtung (14) zum Verdichten von Luft;
einer zweiten Einrichtung (22) zum Verdichten von Luft, die stromaufwärts von und in Strömungsverbindung mit der ersten Verdichtungseinrichtung (14) angeordnet ist;
einer Einrichtung (36) zum Verbrennen von aus der ersten Verdichtungseinrichtung (14) empfangener verdichteter Luft mit einem Brennstoff und zum Erzeugen von Verbrennungsgasen (38);
einem ersten stationären Leitapparat (60) der stromabwärts von und in Strömungsverbindung mit der Verbrennungseinrichtung (36) angeordnet ist;
einem ersten Turbinenrotor (40), der mehrere erste Schaufeln (44) aufweist, die Naben (46) haben, welche an dem Umfang einer ersten Scheibe (50) befestigt und in einer ersten Richtung drehbar sind, wobei die ersten Schaufeln (44) in Strömungsverbindung mit dem ersten Leitapparat (60) sind, um die Verbrennungsgase (38) zum Drehen der ersten Turbine zu empfangen, wobei der erste Leitapparat (60) und der erste Turbinenrotor (40) eine erste Turbinenstufe bilden;
einer Einrichtung (20) zum Verbinden der ersten Verdichtungseinrichtung (14) mit dem ersten Turbinenrotor (40) zur Drehung mit demselben;
einem zweiten Turbinenrotor (42) mit mehreren zweiten Schaufeln (52), die Naben (54) haben, welche an dem Umfang einer zweiten Scheibe (58) befestigt und in einer zweiten Richtung drehbar sind, die zu der ersten Richtung entgegengesetzt ist, wobei die zweiten Schaufeln (52) in direkter Strömungsverbindung mit den ersten Schaufeln (44) sind, um die Verbrennungsgase (38) zum Drehen der zweiten Turbine zu empfangen;
einer Einrichtung (28) zum Verbinden der zweiten Verdichtungseinrichtung (22) mit der zweiten Turbine zur Drehung mit derselben;
einer Einrichtung zum Erzielen einer Teilkreisgeschwindigkeit (W ₂) der Gase an einem Auslaß von und relativ zu den Schaufeln wenigstens eines der beiden Turbinenrotoren (40, 42), die größer als eine Teilkreisabsolutgeschwindigkeit (C ₁) der Gase an einem Einlaß der Schaufeln des wenigstens einen Turbinenrotors ist;
einer ersten Reaktionseinrichtung zum Erzielen einer ersten Teilkreisreaktion (R ₁) des ersten Turbinenrotors (40), die eine vorbestimmte Form der ersten Turbinenschaufeln (44) umfaßt, wobei die erste Reaktion (R ₁) den prozentualen Abfall der statischen Enthalpie der Gase, die durch die erste Turbinenstufe strömen, darstellt, welcher in dem ersten Turbinenrotor (40) auftritt;
einer zweiten Reaktionseinrichtung zum Erzielen einer zweiten Teilkreisreaktion (R ₂) des zweiten Turbinenrotors, die eine vorbestimmte Form und Ausrichtung der zweiten Turbinenschaufeln (52) umfaßt;
wobei wenigstens eine der beiden Reaktionen (R ₁, R ₂) größer als eine Referenzteilkreisreaktion ist, die einen Spitzenwirkungsgrad für den ersten bzw. zweiten Turbinenrotor (40 bzw. 42) bewirkt.

21. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Teilkreisreaktion (R ₁) durch folgenden Ausdruck definiert ist: R₁ = (H _{S 2}-H _{S 3})/(H _{S 1}-H _{S 3}) × 100%wobei H _{S 2} die statische Enthalpie an einem Einlaß des ersten Turbinenrotors (40) repräsentiert,
wobei H _{S 3} die statische Enthalpie an einem Auslaß des ersten Turbinenrotors (40) repräsentiert,
wobei H _{S 1} die statische Enthalpie an einem Auslaß der Verbrennungseinrichtung (36) repräsentiert; und
wobei die zweite Reaktion (R ₂) durch folgenden Ausdruck definiert ist:R₂ = (H _{S 3}-H _{S 4})/(H _{T 3}-H _{S 4}) × 100%wobei H _{S 4} die statische Enthalpie an einem Auslaß des zweiten Turbinenrotors (42) repräsentiert;
wobei H _{T 3} die Gesamtenthalpie an einem Einlaß des zweiten Turbinenrotors (42) repräsentiert; und
wobei die wenigstens eine Reaktion die erste Reaktion (R ₁) und die erste Reaktion (R ₁) größer als 50 Prozent ist.

22. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Teilkreisreaktion (R ₁) einen Wert bis zu etwa 76 Prozent und die zweite Teilkreisreaktion (R ₂) einen Wert von etwa 52 Prozent hat.

23. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Reaktionseinrichtung weiter benachbarte Schaufeln der ersten bzw. zweiten Turbinenschaufeln umfassen, die derartigen Abstand haben, daß sie zwischen sich einen konvergierenden Kanal zum Beschleunigen der hindurchgehenden Strömung und eine Verengungsstelle minimalen Querschnittes, die sich nahe der Hinterkanten derselben befindet, bilden.