DE4102833A1 - Gasturbinentriebwerk mit mehreren verdichtern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinentriebwerk mit mehreren Ver­ dichtern.

Eine Möglichkeit den Wirkungsgrad des Kreisprozesses einer Gasturbine zu erhöhen, stellt die Anhebung des Druckverhältnisses ϕ des Ver­ dichters bei gleichzeitiger Anpassung der Turbineneintrittstemperatur und des Massendurchsatzes dar. Einen erheblichen Einfluß auf das Druckverhältnis von Verdichterstufen haben die Betriebsspalten zwi­ schen Schaufelspitzen und Gehäuse, insbesondere bei Hochdruckver­ dichtern mit ihren geringen Schaufelhöhen. Die Einhaltung von engen Betriebsspalten für radiale Endstufen ist besonders kritisch, da durch die Vielzahl der Stufen mit erheblichen Axialbewegungen und einer relativ großen Durchbiegung des Rotors zu rechnen ist.

Bei Verdichterendstufen üblicher koaxialer Bauart werden hohe Dreh­ zahlen notwendig, um das geforderte Stufendruckverhältnis zu errei­ chen. Die dadurch verursachten mechanischen Belastungen wirken sich nachteilig auf die weiteren Verdichter- und Turbinenstufen eines Rotors, insbesondere auf die Hochdruckstufen aus. Als weiteren Nach­ teil erweist sich die Temperaturbeschränkung in Verdichterendstufen, aufgrund der Unverträglichkeit von neuen Werkstoffkombinationen, beispielsweise Keramik mit Nickellegierungen.

Aus der US-PS 33 68 352 (Fig. 7) ist eine Ausführung mit zwei einzel­ nen parallel zur Triebwerkslängsachse angeordneten Kerntriebwerken bekannt geworden, womit hohe Druckverhältnisse ermöglicht werden sollen, jedoch ist es bei dieser Ausführung bis in absehbarer Zeit nicht möglich, neue Werkstoffe gemäß der Erfindung einzusetzen, da die notwendige Kombination unterschiedlicher Werkstoffe bei einer Welle eines komplexen Kerntriebwerkes sich als schwierig erweist. Auch wird keine Maßnahme zur Reduzierung der Betriebsspalten offen­ bart.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verdichteranordnung anzugeben, die hohe Druckverhältnisse bei Einhaltung von engen Be­ triebsspalten ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in einem Gastur­ binentriebwerk zwischen einem Vorverdichter und der Brennkammer Ein­ zelverdichter am Umfang verteilt angeordnet sind, die über ein Ge­ triebe von einer Turbinenwelle angetrieben werden. Vorteilhafte Va­ rianten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, daß hohe Drehzahlen der Hochdruckstufe realisierbar sind, da keine weiteren Rotorkom­ ponenten begrenzend wirken. Durch die Möglichkeit sowohl Rotor als auch Gehäuse der Einzelverdichter aus neuen Werkstoffen, bei­ spielsweise aus Keramik, anzufertigen, können höhere Temperaturen bei geringerem Bauteilgewicht gefahren werden. Ebenso vorteilhaft wirkt sich die erfindungsgemäße Anordnung auf die Betriebstüchtigkeit des Gesamttriebwerkes bei Ausfall von Einzelverdichterkomponenten aus. Auch im Hinblick auf die Zugänglichkeit zwecks Wartung oder Austausch von Triebwerkskomponenten, erweist sich die Erfindung als günstig.

Hierzu trägt die Möglichkeit zur kompakten Integralbauweise bei.

In weiterer Ausbildung der Erfindung weisen die Einzelverdichter mehrere Verdichterstufen auf. Somit steht individuellen Leistungsan­ forderungen ein Baukastenprinzip gegenüber, um flexibel auf höhere Druckverhältnisse reagieren zu können.

Eine vorteilhafte Ausführung zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Gas­ turbinenkreisprozesses ergibt sich aus der Verwendung von Wärme­ tauschern gemäß der Ansprüche 3 und 4.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß Einheiten bestehend aus Einzelverdichter und Einzelbrennkammer gemäß des Merk­ mals aus Anspruch 5, bei Teillastbetrieb abgeschaltet werden können. Dadurch wird erreicht, daß die in Funktion bleibenden Einheiten im optimalen Betriebsbereich gefahren werden und somit das Gesamt­ triebwerk ökonomischer betrieben wird.

Eine optimale Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraumes wird durch die Neigung der Längsachsen der Einzelverdichter zur Trieb­ werkslängsachse gewährleistet.

Vorzugsweise beträgt der Neigungswinkel 90°. Hierdurch können die Strömungskanäle von und zu den Einzelverdichtern aerodynamisch gün­ stig geführt werden; die Einzelverdichter sind für Wartungszwecke gut zugänglich und können zudem über einen eventuell vorhandenen Sekun­ därkanal in einfacher Weise gekühlt werden.

Zwei alternative Ausführungen zur Leistungsversorgung der Einzelver­ dichter ergeben sich aus den Merkmalen gemäß der Ansprüche 8 oder 9. Je nach Anzahl der verwendeten Einzelverdichter läßt sich bei ent­ sprechender Anwendung der Ausführungen ein Minimum an Gewicht- und Wartungsaufwand erzielen, wobei bei geringerer Anzahl von Einzelver­ dichtern sich die Ausführung gemäß Anspruch 9 empfiehlt.

In vorteilhafter Ausführung bestehen die Rotoren und/oder Statoren der Einzelverdichter aus Keramik, wodurch diese Bauteile eine sehr hohe Temperaturverträglichkeit aufweisen. Diese Ausführung erweist sich bei dieser Erfindung als besonders vorteilhaft, da die Einzel­ verdichter baulich von der Verdichter- bzw. Turbinenwelle und ihren Stufen getrennt sind und somit weitgehend aus einem Werkstoff ausge­ führt werden können.

Zwei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Gasturbinentriebwerks mit mehreren über ein Umlenkgetriebe angetriebenen Einzelverdichtern,

Fig. 2 einen Ausschnitt des Schnittes gemäß A-A der Fig. 1 mit Verteilerwellen zwischen den Einzelverdichtern,

Fig. 3 einen Längsschnitt eines Gasturbinentriebwerks mit mehreren jeweils über ein Umlenkgetriebe angetriebenen Einzelver­ dichtern,

Fig. 4 einen Ausschnitt des Schnittes gemäß B-B der Fig. 3 mit separat angetriebenen Einzelverdichtern.

Fig. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk, welches im wesentlichen aus einer den mehrstufigen Vorverdichter 1 über eine Turbinenwelle 6 treibenden Turbine 4, einer Brennkammer 3 und aus mehreren, am Umfang der Gasturbine verteilten Einzelverdichtern 2 besteht. Die Längsachse 7 der Einzelverdichter 2 stehen dabei senkrecht auf der Triebwerks­ längsachse 8. Während des Betriebes strömt das Arbeitsgas vom Vorver­ dichter 1 in die als Hochdruckverdichter wirkenden Einzelverdichter 2, von dort durch die Einzel- oder Ringbrennkammer 3, wo es erhitzt wird. Das Gas expandiert dann in der Turbine 4, welche über die Tur­ binenwelle 6 den Vorverdichter 1 antreibt. Die im Gas verbleibende Restenergie kann weiter über eine Nutzturbine oder als Strahlantrieb verwendet werden.

Über ein im Winkel zur Triebwerkslängsachse 8 stehende Welle 10a, welche über Zahnräder mit der Turbinenwelle 6 kämmt, einem Umlenkge­ triebe 9a und einer weiteren Welle 10a wird ein Einzelverdichter 2a angetrieben. Von diesem Einzelverdichter 2a werden die benachbarten Einzelverdichter 2 jeweils über Verteilerwellen 11 angetrieben. Von diesen Einzelverdichtern 2 aus, werden wiederum die nächsten Einzel­ verdichter 2 über Verteilerwellen 11 angetrieben. Jeder Einzelver­ dichter 2 wird in dieser, wie in Fig. 2 gezeigten Weise über eine Verteilerwelle 11 und den vorhergehenden Einzelverdichter 2 angetrie­ ben.

Fig. 3 unterscheidet sich von Fig. 1 dahingehend, daß die Einzelver­ dichter 2 jeweils separat über die Wellen 10b und das Umlenkgetriebe 9b direkt von der Turbinenwelle 6 angetrieben werden. Der Querschnitt in Fig. 4 zeigt gemäß Schnitt B-B aus Fig. 3 die Einzelverdichter 2 und ihre Längsachsen 7 welche konzentrisch auf die Triebwerkslängs­ achse 8 weisen.

Claims (10)

1. Gasturbinentriebwerk mit mehreren Verdichtern, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen einem Vorverdichter (1) und der Brenn­ kammer (3) Einzelverdichter (2) am Umfang verteilt angeordnet sind, die über ein Getriebe von einer Turbinenwelle (6) ange­ trieben werden.

2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelverdichter (2) jeweils mehrere Verdichterstufen auf­ weisen.

3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen dem Austritt des Vorverdichters (1) und den Eintritten der Einzelverdichter (2) ein Wärmetauscher zur Zwischenkühlung des Arbeitsgases angeordnet ist.

4. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Austritten der Einzelverdichter (2) und dem Brennkammereintritt Wärmetauscher zur Erhitzung des Arbeitsgases angeordnet sind.

5. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Einzelverdichter (2) eine Einzel­ brennkammer zugeordnet ist.

6. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen (7) der Einzelverdichter (2) zur Triebwerkslängsachse (8) geneigt sind.

7. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel der Längsachse (7) zur Triebwerkslängsachse (8) 90° beträgt.

8. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einzelverdichter (2a) über ein Umlenkge­ triebe (9a) mit zwei Wellen (10a), mit der Turbinenwelle (6) zur Leistungsübertragung in Verbindung steht und dieser Einzelver­ dichter (2a) wiederum zur Leistungsverteilung über Verteilerwellen (11) mit den verbleibenden Einzelverdichtern (2) in Verbindung steht.

9. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelverdichter (2) jeweils über ein Umlenkgetriebe (9b) mit zwei Wellen (10b), zur Leistungsübertra­ gung mit der Turbinenwelle (6) in Verbindung stehen.

10. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren und/oder Statoren der Einzelver­ dichter (2) aus Keramik bestehen.