DE602005000610T2

DE602005000610T2 - Gasturbinenvorrichtung

Info

Publication number: DE602005000610T2
Application number: DE602005000610T
Authority: DE
Inventors: Mark David Marston Montgomery Derbyshire Taylor; Neil William Derby Harvey
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2005-02-23
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2025-02-24
Also published as: GB0406174D0; US7451592B2; DE602005000610D1; JP2005264940A; EP1577491A1; US20050241292A1; EP1577491B1; ES2279483T3; JP4624145B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Turbinentriebwerksaufbauten und insbesondere auf einen im Gegensinn rotierenden Turbinentriebwerksaufbau.
Die Arbeitsweise von Turbinentriebwerken ist allgemein bekannt. In 1 ist ein Gasturbinentriebwerk allgemein mit dem Bezugszeichen 10 versehen, und dieses weist in Strömungsrichtung hintereinander die folgenden Bauteile auf: einen Lufteinlass 10, einen Vorschubfan 12, einen Zwischendruckkompressor 13, einen Hochdruckkompressor 14, eine Verbrennungseinrichtung 15, eine Turbinenanordnung mit einer Hochdruckturbine 16, einer Zwischendruckturbine 17 und einer Niederdruckturbine 18 sowie eine Abgasschubdüse 19.
Das Gasturbinentriebwerk 10 arbeitet in üblicher Weise, und die in den Einlass 11 eintretende Luft wird durch den Fan 12 beschleunigt und erzeugt zwei Luftströmungen: eine erste Luftströmung verläuft in den Zwischendruckkompressor 13, und eine zweite Luftströmung liefert einen Vortriebsschub. Der Zwischendruckkompressor verdichtet die Luftströmung, die in ihn hinein verläuft, bevor diese Luft in den Hochdruckkompressor 14 abgegeben wird, wo eine weitere Verdichtung stattfindet.
Die vom Hochdruckkompressor 14 ausgestoßene komprimierte Luft wird in die Verbrennungseinrichtung 15 geleitet, wo sie mit Brennstoff vermischt und das Gemisch verbrannt wird. Die resultierenden heißen Verbrennungsprodukte expandieren dann durch die Hochdruckturbine 16, die Zwischendruckturbine 17 und die Niederdruckturbine 18, bevor sie durch die Düse 19 ausgestoßen werden, um dadurch einen zusätzlichen Antriebsschub zu erzeugen. Die Hochdruckturbine 16, die Zwischendruckturbine 17 und die Niederdruckturbine 18 treiben den Hochdruckkompressor 14 und den Zwischendruckkompressor 13 sowie den Fan 12 über geeignete Verbindungswellen an.
Um den Wirkungsgrad des Triebwerks im Betrieb zu verbessern, ist es bekannt, in der Niederdruckturbine Stufen vorzusehen, das heißt, Stufen äquivalent den Stufen 17, 18 in 1, die als im Gegensinn rotierende Turbinen ausgebildet sind. Dadurch wird es unnötig, Statorelemente zur Verbesserung des Wirkungsgrades zwischen jenen Stufen vorzusehen. Um eine solche Gegensinndrehung zu erzielen, ist es natürlich notwendig auch die Wellen im Gegensinn umlaufen zu lassen, auf denen die Turbinenlaufschaufeln montiert sind oder wobei jene Laufschaufeln an Gehäusen derart montiert sind, dass eine Gegensinndrehung zwischen jenen Gehäusen und/oder den Wellen benachbarter Turbinenlaufschaufeln zustande kommt. Unter diesen Umständen ist klar, dass ein relativer Kompromiss geschlossen werden muss zwischen den Vorteilen einer Verringerung des größeren Gewichtes eines Stators an einer Zwischenstellung zwischen den Turbinenlaufschaufelstufen und Problemen, die einer derartigen Gegensinndrehung eigen sind.
Es gibt eine Anzahl verschiedener Versuche, die in Bezug auf Triebwerkskonstruktionen mit in Gegensinn umlaufenden Bauteilen durchgeführt wurden. Eine Möglichkeit besteht darin, eine Niederdruckturbine vorzusehen, die zwei Stufen in der üblichen Anordnung hat und ein Stator/Rotorpaar an jeder Stufe aufweist. Die Niederdruckturbine dreht sich jedoch mit einer sehr viel höheren Drehzahl als herkömmliche Turbinen, die eine niedrige aerodynamische Belastung und demgemäß einen höheren Wirkungsgrad haben. Diese höhere Drehzahl wird durch Verwendung eines Getriebes erreicht, das die Leistung von der Hochgeschwindigkeits-Niederdruckturbinenwelle auf den Kompressorfan überträgt, der selbst sehr viel langsamer umläuft. Es ist jedoch klar, dass durch die zusätzliche Belastung und Leistung, die durch das Getriebe benötigt wird, eine Verminderung des Wirkungsgrades und Leistungsverluste durch das Getriebe eintreten. Eine kürzlich entwickelte Alternative besteht darin, einen Rotor einer Zwischendruckturbine mit zwei Rotoren von Niederdruckturbinen zu verschachteln. Die beiden Niederdruckturbinen werden durch ein rotierendes Gehäuse derart verbunden, dass eine Gegendrehung zwischen diesen Niederdruckturbinen und der Zwischendruckturbine stattfindet. Durch diese Anordnung erhält die erste Niederdruckturbine eine sehr viel höhere aerodynamische Belastung als dies üblich ist, und demgemäß kann die Zahl von Niederdruckturbinenstufen vermindert werden. Bei einer weiteren Verfeinerung kann ein Getriebe zwischen der Zwischendruckwelle und der Niederdruckwelle vorgesehen werden. In jedem Fall wird Leistung von der Zwischendruckturbine auf die Niederdruckturbine übertragen, und demgemäß können mehr Stufen von der Niederdruckturbine entfernt werden, ohne dass ein betriebsmäßiger Verlust den Eingangswirkungsgrad beeinträchtigt. Es ist jedoch klar, dass durch Benutzung der im Gegensinn umlaufenden Gehäuse zusätzliche Probleme geschaffen werden.
Die US-A-6381948 beschreibt ein Gasturbinentriebwerk mit gegensinnig umlaufenden Rotoren, die durch eine einzige durch eine Turbine angetriebene Welle über ein Umlaufrädergetriebe angetrieben werden. Das Umlaufrädergetriebe dient zur Aufteilung des Leistungsausgangs der Welle (und demgemäß der Turbine) zwischen die beiden im Gegensinn umlaufenden Rotoren.
Die US-A-5010729 beschreibt ein Gasturbinentriebwerk mit hohem Mantelstromverhältnis, bei dem ein Fan durch zwei im Gegensinn rotierende Wellen über ein Untersetzungsgetriebe angetrieben wird, das benachbart zum Fan angeordnet ist. Die im Gegensinn umlaufenden Wellen erstrecken sich koaxial über die Länge des Triebwerks, und sie werden ihrerseits durch eine im Gegensinn umlaufende Niederdruckturbine angetrieben. Die Niederdruckturbine weist erste und zweite im Gegensinn umlaufende Trommelkörper auf, die mit nach innen bzw. außen verlaufenden Turbinenlaufschaufeln versehen sind.
Im Falle der früheren Anordnung treibt eine einzige (nicht gegensinnig umlaufende) Niederdruckturbine zwei im Gegensinn umlaufende Rotoren an, die über ein Getriebe verbunden sind, wobei bei der letztgenannten Anordnung eine einzige Niederdruckturbine, die im Gegensinn umlaufende durch ein Getriebe verbundene Teile aufweist, einen einzigen Rotor antreibt.
Kurz gesagt weisen die Systeme, die kein Getriebe benutzen, im allgemeinen einen zusätzlichen konstruktiven, mechanischen, komplexen Aufbau auf, und dadurch wird die maximale Drehzahl für die Welle erheblich begrenzt. Jedoch weisen Systeme, die ein Getriebe benutzen, um die Niederdruckturbine schneller umlaufen zu lassen als dies bei herkömmlichen Anordnungen möglich ist, den Nachteil von Leistungsverlusten auf, bedingt durch das Getriebe auf, und es werden allgemein die Vorteile des Wegfalls einer Statorreihe im Triebwerk nicht ausgeglichen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung betrifft diese einen Turbinentriebwerksaufbau mit einer Niederdruckturbinenstufe bestehend aus einer ersten Turbine auf einer ersten Welle und einer zweiten Turbine auf einer zweiten Welle, sowie einem Einlassleitschaufelaufbau stromauf der ersten Turbine, wobei die erste Turbine mit einer Kompressorfanwelle gekoppelt ist, während die zweite Welle an ein Getriebe angeschlossen ist und die erste Turbine stromauf der zweiten Turbine derart angeordnet ist, dass der Einlassleitschaufelaufbau jener ersten Turbine eine Gasströmung liefert, und die Gasströmung von der ersten Turbine direkt der zweiten Turbine zugeführt wird, wobei die erste Turbine und die zweite Turbine im Betrieb im Gegensinn zueinander umlaufen, wobei die zweite Turbine sich mit einem vorbestimmten Drehzahlverhältnis schneller dreht als die erste Turbine, und wobei die zweite Turbine eine Austrittsquerschnittsfläche derart aufweist, dass sich geringe Austrittsgasgeschwindigkeiten unmittelbar stromab der zweiten Turbine ergeben.
Vorzugsweise liegt das vorbestimmte Drehzahlverhältnis in der Größenordnung von 1.9 oder es ist größer.
Im Allgemeinen läuft die zweite Welle mit einer Drehzahl um, die durch das Getriebe bestimmt wird.
Im typischen Fall wird die Belastung der zweiten Turbine derart beschränkt, dass AN² gleich oder größer als 2.3 × 10¹² wird, dabei ist A die Austrittsströmungsquerschnittsfläche (in m²) und N ist die Drehzal der zweiten Welle (in u/min).
Normalerweise ist das Getriebe ein Planetenradgetriebe, um eine Montage an einem Gehäuse eines Turbinentriebwerkaufbaus zu ermöglichen.
Normalerweise besteht eine Nutzlastaufspaltung zwischen der ersten Turbine und der zweiten Turbine, und das Verhältnis beträgt 50/50.
Im allgemeinen hat der Einlassleitschaufelaufbau einen geringen Effekt auf die Auslenkung der Strömung.
Im allgemeinen ist eine Austrittsleitschaufel stromab einer zweiten Turbine angeordnet.
Es kann eine zusätzliche Turbine stromauf der ersten Turbine vorgesehen werden, um eine weitere Lastverteilung über den Aufbau zu bewirken, wobei die erste Turbine mehr Leistung liefert im Vergleich mit der zweiten Turbine und den zusätzlichen Turbinen im einzelnen.
Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Turbinentriebwerk mit einem Turbinentriebwerksaufbau der oben beschriebenen Bauart.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, das in 2 dargestellt ist. Die Zeichnung zeigt einen schematischen Halbschnitt eines Turbinentriebwerkaufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt einen schematischen Teilschnitt einer Turbinentriebwerksanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung. Es ist ersichtlich, dass Hochdruckturbinen 100 stromauf einer ersten Niederdruckturbine 101 und einer zweiten Niederdruckturbine 102 vorgesehen sind. Stromauf der ersten Turbine 101 ist ein Leitschaufelaufbau 103 derart angeordnet, dass eine Gasströmung in Richtung des Pfeiles A durch die Hochdruckturbinen 100 strömt, und dann der ersten Turbine 101 über den Leitschaufelaufbau 103 zugeführt wird. Es ist klar, dass die Anordnung allgemein symmetrisch und zylindrisch derart ist, dass die Turbinen 101, 102 um eine Zentralachse X-X umlaufen.
Die erste Turbine 101 ist an einer ersten Welle 104 montiert, die gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Kompressorfan auf der Kompressorseite eines Turbinentriebwerks gekoppelt ist. Die zweite Turbine 102 ist mit einer zweiten Welle 105 gekoppelt, die ihrerseits an einem Planetenradgetriebe 106 montiert ist, das Planetenräder 107 aufweist. Die die erste Turbine 101 verlassende Gasströmung A wird der zweiten Turbine 102 ohne Zwischenschaltung weiterer Leitschaufelaufbauten zugeführt, um eine geeignete Orientierung und Präsentation zu schaffen.
Die Wellen 104 und 105 laufen im Gegensinn zueinander um, wodurch die Notwendigkeit von Statorleitschaufeln oder Leitschaufelaufbauten zwischen den Turbinen 101, 102 vermieden wird. Stromab der zweiten Turbine 102 befindet sich ein Auslassleitschaufelaubau 108. Das Getriebe 106 wird von Streben 109 von einem (nicht dargestellten) Gehäuse des Aufbaus getragen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Drehzahlen der ersten Turbine 101 und der zweiten Turbine 102 prinzipiell durch das Getriebe 106 derart eingestellt, dass eine vorbestimmte Differenz der Drehzahlen zwischen den Turbinen 101 und 102 besteht. Im typischen Fall wird die Differenz derart gewählt, dass ein Differenzverhältnis von 1.9 zwischen den Turbinen 101, 102 erreicht wird, wobei sich die zweiten Turbine 102 um soviel schneller dreht als die erste Turbine 101. Die Drehzahlen werden durch das Getriebe 106 eingestellt, das Planetenräder 107 und geeignete Lager 110 aufweist.
Wie oben erwähnt, besteht ein spezielles Problem bei im Gegensinn rotierenden Trubinentriebwerken bei Benutzung eines Getriebes darin, dass das Getriebe einen Leistungsverlust bedingt. Gemäß der Erfindung wird durch geeignete Ausbildung des Leitschaufelaufbaus 103 der Schaufelorientierung in der Turbine 101 und der zweiten Turbine 102 erreicht, dass eine Arbeitsaufteilung von 50/50 zwischen den Turbinen 101 und 102 erreicht wird.
Es ist verständlich, dass der in 2 dargestellte Aufbau im Wesentlichen ein Zweiwellenformat besitzt, wodurch das wahrscheinliche Gewicht vermindert wird. Das Turbinentriebwerk, das den erfindungsgemäßen Turbinentriebwerksaufbau umfasst, besteht allgemein aus einem Fan, dem ein Hochdruckkompressor, eine Brennkammer und eine Hochdruckturbine in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Anordnung stromab dieser Gasströmungsfolge angeordnet ist. Der Einlassleitschaufelaubau 103 lenkt in üblicher Weise die Gasströmung A auf den ersten Turbinenrotor 101 ab. Allgemein können die jeweiligen Wellen für die Hochdruckturbinen 100 und die erste Turbine 101 können so angeordnet werden, dass sie sich im Gegensinn drehen. Hierbei bewirkt der Leitschaufelaufbau 103 eine geringe Ablenkung, und daher erfährt die Gasströmung 101 einen geringeren Leistungsverlust, und daher wird der Wirkungsgrad des Triebwerks verbessert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die erste Turbine 101 direkt mit dem Niederdruckkompressor oder dem Fan über die erste Welle 104 verbunden. Unter diesen Umständen ist es klar, dass die Welle 104 mit einer relativ geringen Drehzahl umläuft, und daher dreht sich auch die erste Turbine 101 mit einer gleichen niedrigen Drehzahl. Die erste Turbine 101 ist derart angeordnet, dass die Laufschaufeln jener Turbine 101 Arbeitsprofile mit hoher Ablenkung aufweisen. Unter diesen Umständen hat die Gasströmung A, die aus der ersten Turbine 101 austritt, eine Überschallströmungsgeschwindigkeit, im typischen Fall mit einer relativen Austrittsmachzahl im Bereich zwischen 1.1 und 1.3. Es wird eine hohe Austrittsgeschwindigkeit der Strömung aus der ersten Turbine 101 benötigt, um annehmbare Einlassbedingungen für den zweiten Turbinenrotor 102 zu schaffen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung dreht sich die zweiten Turbine 102 mit einer relativ hohen Geschwindigkeit, um eine hohe Effizienz zu erreichen. Die zweite Turbine 102 sollte so schnell laufen, wie dies mechanisch unter den gegebenen Umständen möglich ist. Die mechanische Belastung auf die zweite Turbine sollte eine Situation erreichen, bei der AN² größer oder gleich 2.3 × 10¹² ist, wobei A der Austrittströmungsfläche (in m²) entspricht und N die Drehzahl der Welle 105 (in u/min) ist. Es ist erwünscht, dass die Austrittsfläche der zweiten Turbine 102 genügend groß ist, um absolute Strömungsgeschwindigkeiten in dem Austrittskanal, das heißt unmittelbar stromab der zweiten Turbine 102, so gering als möglich zu halten, um unannehmbar hohe Gasströmungsscheuerverluste gegenüber dem Gehäuse zu vermeiden. Im Hinblick auf die obigen Ausführungen wird es klar, dass die Effizienz der ersten Turbine 101 vergleichbar ist mit der aerodynamisch weniger belasteten herkömmlichen Niederdruckturbine, in Folge des relativ hohen Geschwindigkeitsverhältnisses mit der sehr viel höheren Austrittsmachzahl, als es bei üblichen ersten Niederdrucktrubinenstufen üblich ist. Aber es ist auch klar, dass die erste Turbine 101 gemäß der vorliegenden Erfindung beträchtlich mehr Arbeit leistet als eine herkömmliche erste Niederdruckturbine, d. h. es besteht ein höheres Druckverhältnis und ein höherer Druckabfall über der Turbine, was die Wirkung der höheren Machzahlen auf den Wirkungsgrad der Stufe kompensiert.
Wie oben erwähnt, sollte die Drehzahl N der zweiten Welle 105 derart sein, dass das Verhältnis größer oder gleich 1.9 relativ zur ersten Welle 104 wird, die mit dem Kompressorfan des Triebwerks verbunden ist. Diese relative Differenz in den Drehzahlen der ersten Welle 101 und der zweiten Welle 105 ist notwendig, um eine annehmbare Arbeitsweise des Getriebes 106 zu gewährleisten, d. h. es soll die mechanische Kapazität des Getriebes ausgenutzt werden, ohne dass zu große Leistungsverluste entstehen.
Wie ersichtlich, ist die mit relativ hoher Drehzahl umlaufende zweite Turbine 102 auf der zweiten Welle 105 mit der mit niedriger Drehzahl umlaufenden ersten Welle 104 über das Getriebe 106 gekoppelt. Diese Getriebe 106 ist ein Planetenradgetriebe, um die notwendige gesteuerte Regelung zwischen den relativen Drehzahlen der Wellen 104 und 105 vornehmen zu können. Das Getriebe 106 wird von den Streben 109 getragen, die ihrerseits vom Gehäuse über (nicht dargestellte) Streben abgestützt sind, die durch den Austrittsleitschaufelaufbau 108 stromab der Niederdruckturbinen 101, 102 gemäß der Erfindung hindurch laufen. Es ist klar, dass die notwendige Schmierung und andere Oberflächenerfordernisse für das Getriebe 106 und die Lager 110 durch geeignete Leitungen in den Streben 109 durchgeführt werden können.
Die Benutzung einer gegenüber der zweiten Turbine 102 im Gegensinn umlaufenden ersten Turbine 101 gewährleistet, dass die zweite Turbine 102 höhere Wirbelgeschwindigkeiten der Gasströmung A verarbeiten kann, wenn diese aus der ersten Turbine 101 austritt. Tatsächlich sind höhere Wirbelgeschwindigkeiten erforderlich, um eine wirksame Ablenkung der Strömung zu gewährleisten, wenn diese in die zweite Turbine 102 eintritt. Es ist klar, dass die relative Wirbelgeschwindigkeit am Einlass der Turbine 102 gleich ist der relativen Wirbelgeschwindigkeit am Austritt der ersten Turbine 101, vermindert um die ausgeglichene Summe der Turbinenlaufschaufeldrehzahlen der Turbinen 101, 102, die, wie oben erwähnt, groß sind.
Es ist klar, dass die niedrigen relativen Einlassgeschwindigkeiten nach der zweiten Turbine 102 dort ein höheres Geschwindigkeitsverhältnis über jener zweiten Turbine 102 verursachen. Dieses höhere Geschwindigkeitsverhältnis führt zusammen mit der geringeren aerodynamischen Belastung infolge der höheren Drehzahl der zweiten Turbine 102 zu einer höheren aerodynamischen Effizienz für die zweite Turbine 102. Ein weiterer Vorteil durch Benutzung der Gegensinndrehung zwischen erster Turbine 101 und zweiter Turbine 102 besteht darin, dass eine Leitschaufel oder ein Statoraufbau zwischen diesen Turbinen 101, 102 nicht erforderlich ist. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Einsparung an Kosten und Gewicht durch Benutzung derartiger Gegensinndrehung zwischen den Turbinen 101, 102. Durch Wegfall der rotierenden äußeren Gehäuse, an denen jeweils Turbinenlaufschaufeln montiert sind, ergibt sich eine geringere Beanspruchung der Turbinen, was insbesondere in Bezug auf die zweite Turbine 102 wichtig ist, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, dass die Turbine die erforderliche große Austrittsquerschnittsfläche besitzt und eine hohe Drehzahl aufweisen kann. Kurz gesagt ermöglicht der erfindungsgemäße Aufbau eine sehr viel einfachere und leichtere Montage im Vergleich mit bekannten Aufbauten. Es ist außerdem klar, dass die zweite Turbine 102 in annehmbarer Weise die erwünschte höhere Drehzahl erreichen kann, da sie niedrigeren Gastemperaturen ausgesetzt ist und dies begrenzt wiederum die Beanspruchungen auf den Laufschaufeln der Turbine 102.
Durch Begrenzung des Anteils der Leitung der Niederdruckturbine, die durch das Getriebe 106 übertragen wird, ergeben sich beträchtlich verminderte Übertragungsverhältnisse im Vergleich zu früheren Anordnungen, bei denen die gesamte Leistung über ein Getriebe übertragen wurde. Unter diesen Umständen kann ein kleineres und leichteres Getriebe im Vergleich zu früheren Aufbauten benutzt werden. Das Getriebe 106 ist allgemein integral mit den Niederdruckturbinenstufen ausgebildet und bewirkt so einen modularen Aufbau des Triebwerks, das heißt die Niederdruckturbinenstufen bleiben getrennt von den stromaufwärtigen Hochdruckturbinen des Aufbaus.
Es ist klar, dass bei anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung mehr als zwei Turbinen vorgesehen werden können, aber nichtsdestoweniger bleibt die Zahl der notwendigen Leitschaufeln oder Statoraufbauten geringer.
Bei einem Aufbau mit zwei Leitschaufeln und drei Niederdruckturbinenaufbauten ist eine erste Stufe im allgemeinen von herkömmlichem Aufbau, in Form eines Stator/Leitschaufelaufbaus in Verbindung mit einem Turbinenrotorpaar. Der Turbinenrotor dreht sich mit der Geschwindigkeit der Niederdruckwelle und ist direkt mit dieser Welle über seine Rotorscheibe verbunden. Eine zweite Turbinenstufe leistet eine hohe Arbeit und weist Stromlinienprofilschaufeln mit hoher Ablenkung für relative Überschallaustrittsgas-Strömungsmachzahlen auf. Diese zweite Turbine dreht sich auch mit der Drehzahl der Niederdruckwelle und ist direkt mit dieser verbunden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dann eine dritte Turbine vorgesehen, um sich im Gegensinn zu der zweiten Turbine mit ihrer eigenen Welle mit hoher Drehzahl zu drehen. Diese dritte Turbine ist mit der Niederdruckwelle über ein Getriebe verbunden, wobei die maximale Drehzahl durch die erforderliche Austrittskanalfläche und die Beanspruchungsgrenze des Turbinenrotors eingestellt wird. Unter diesen Umständen ist es klar, dass die zweite und dritte Turbine jeweils äquivalent der ersten und zweiten Turbine sind, die unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wurden. Bei diesen zwei Stator/Leitschaufelaufbau und drei Turbinenanordnungen ergibt sich, dass relativ höhere Leistungspegel übertragen werden, als bei der üblichen Technologie mit einer annähernden Arbeitsaufspaltung zwischen den drei Turbinenstufen in der Größenordnung von 30:40:30.
Der erfindungsgemäße Turbinentriebwerksaufbau ist effizienter, billiger und leichter als herkömmliche Aufbauten, wenn man die Leistungsverluste durch Reibung usw. bei der Getriebeanordnung und dem zusätzlichen komplexen Aufbau und die Kosten sowie das Gewicht in Betracht zieht. Es ist auch möglich, eine beträchtliche Verminderung der Länge des Triebwerks zu erreichen, weil die Zahl der Stufen vermindert ist, was wiederum den Luftwiderstand der Gondel reduziert, und so relativ den Brennstoffverbrauch reduziert.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die allgemeine Konstruktion, die bei niedriger Drehzahl eine hohe Arbeitsleistung hat, gegenüber Hochgeschwindigkeitsturbinen derart, dass eine geringere Leistung über das Getriebe übertragen werden muss, sodass das Getriebe geringere Abmessungen haben kann. Die beiden Turbinen rotieren gegensinnig, um zu vermeiden, dass ein Stator/Leitschaufelaufbau zwischen den Turbinenrotoren vorgesehen werden muss, wodurch sich wiederum eine Gewichtsersparnis ergibt. Die Austrittskanalfläche der zweiten Turbine ist genügend groß, um aerodynamische Verluste im Betrieb zu vermeiden, die den Wirkungsgrad des Triebwerks beeinträchtigen könnten. Im Rahmen dieser allgemeinen Konfiguration eines erfindungsgemäßen Aufbaus ist es klar, dass die spezielle Orientierung der Leitschaufeln im Aufbau 103 und die Präsentation der jeweiligen Turbinen 102, 103 im Hinblick auf die Schaufelprofilanstellwinkel, Anzahl der Laufschaufeln, Abmessungen, Abstände und andere Faktoren, jeweils in Abhängigkeit der gewünschten Betriebsbedingungen und gestellten Ziele gewählt werden. Ebenso wird das Getriebe 106 in Bezug auf das vorbestimmte Drehzahlverhältnis zwischen den Wellen 104, 105 und demgemäß zwischen den Turbinen 101 und 102 im Hinblick auf die gewünschten Betriebserfordernisse gewählt. Die Austrittskanalleitschaufeln 108 werden auch derart gewählt, dass die gewünschte Abgas- oder Austrittsströmung B von dem Aufbau in die folgenden Stufen des Triebwerks in der gewünschten Weise erreicht wird.

Claims

Turbinentriebwerksaufbau mit einer Niederdruckturbinenstufe bestehend aus einer ersten Turbine (101) auf einer ersten Welle (104) und einer zweiten Turbine (102) auf einer zweiten Welle (105) sowie einem Einlassleitschaufelaufbau (103) stromauf der ersten Turbine (101), dadurch gekennzeichnet, dass die erste Turbine (104) mit einer Kompressorfanwelle gekoppelt ist, während die zweite Welle (105) an ein Getriebe (106) angeschlossen ist, und die erste Turbine (101) stromauf der zweiten Turbine (102) derart angeordnet ist, dass der Einlassleitschaufelaufbau (103) jener ersten Turbine (101) eine Gasströmung liefert und die Gasströmung von der ersten Turbine (101) direkt der zweiten Turbine (102) zugeführt wird, wobei die erste Turbine (101) und die zweite Turbine (102) im Betrieb im Gegensinn zueinander umlaufen, wobei die zweite Turbine (102) sich mit einem vorbestimmten Drehzahlverhältnis schneller dreht als die erste Turbine (101), und wobei die zweite Turbine (102) eine Austrittsquerschnittsfläche derart aufweist, dass sich geringe Austrittsgasgeschwindigkeiten unmittelbar stromab der zweiten Turbine (102) ergeben.
Aufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vorbestimmte Drehzahlverhältnis in der Größenordnung von 1.9 liegt oder größer ist.
Aufbau nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Welle (105) mit einer Drehzahl umläuft, die durch das Getriebe (106) bestimmt wird.
Aufbau nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Belastung auf der zweiten Turbine (102) derart begrenzt ist, dass AN² gleich oder größer als 2.3 × 10¹² wird, wobei A die Austrittsströmungsquerschnittsfläche in Quadratmetern ist, und wobei N die Drehzahl der zweiten Welle (105) in Umdrehungen pro Minute ist.
Aufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (106) ein Planetenradgetriebe ist, um eine Montage an einem Gehäuse in einer Turbinentriebwerksanordnung zu ermöglichen.
Aufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Belastungsaufteilung zwischen der ersten Turbine (101) und der zweiten Turbine (102) in der Größenordnung von 50/50 erfolgt.
Aufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassleitschaufelaufbau (103) eine Ablenkung der Strömung bewirkt.
Aufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Austrittsleitschaufel (103) stromab einer zweiten Turbine (102) vorgesehen ist.
Aufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Turbine (100) stromauf der ersten Turbine (101) zur weiteren Arbeitsverteilung über den Aufbau vorgesehen ist, wobei die erste Turbine (101) einen größeren Arbeitsanteil verglichen mit der zweiten Turbine (102) und den zusätzlichen Turbinen (100) individuell liefert.
Turbinentriebwerk, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinentriebwerk einen Turbinentriebwerksaufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.