DE60303180T2 - Fluggasturbine mit gegenläufigen Niederdruckturbinen variabler Drehmomentaufteilung, gegenläufigen Fans und nachgeschaltetem in eine Richtung drehenden Niederdruckverdichter - Google Patents

Fluggasturbine mit gegenläufigen Niederdruckturbinen variabler Drehmomentaufteilung, gegenläufigen Fans und nachgeschaltetem in eine Richtung drehenden Niederdruckverdichter Download PDF

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Description

  • Die Erfindung betrifft gegenläufig rotierende Flugzeug-Gasturbinentriebwerke mit von gegenläufig rotierenden Niederdruckturbinenrotoren angetriebenen gegenläufig rotierenden Bläsern, und insbesondere solche Triebwerke mit einem nur in einer Richtung rotierender Verdichter stromab von den gegenläufig rotierenden Bläsern, und mit Leitschaufeln, um ungleiche Leistungsverteilungen und ein variables Drehmoment zwischen den gegenläufig rotierenden Niederdruckturbinenrotoren zu bewirken.
  • Ein Gasturbinentriebwerk des Turbofan-Typs enthält im Allgemeinen einen vorderen Bläser und Verdichter, ein Mittelkerntriebwerk und eine hintere Niederdruckarbeitsturbine. Die Kernturbine enthält einen Hochdruckkompressor, eine Brennkammer und eine Hochdruckturbine in einer seriellen Strömungsbeziehung. Der Hochdruckkompressor und die Hochdruckturbine des Kerntriebwerkes sind über eine Hochdruckwelle verbunden. Der Hochdruckkompressor, die Turbine und die Welle bilden im Wesentlichen den Hochdruckrotor. Der Hochdruckkompressor wird drehend angetrieben, um in das Kerntriebwerk eintretende Luft auf einen relativ hohen Druck zu komprimieren. Diese Hochdruckluft wird dann mit Brennstoff in der Brennkammer vermischt und gezündet, um einen Hochenergiegasstrom auszubilden. Der Gasstrom strömt nach hinten und durchströmt die Hochdruckturbine, wobei er drehend diese und die Hochdruckwelle antreibt, welche wiederum drehend den Kompressor antreibt.
  • Der die Hochdruckturbine verlassende Gasstrom wird durch eine zweite oder Niederdruckturbine entspannt. Die Nieder druckturbine treibt drehend den Bläser und den Verdichter über eine Niederdruckwelle an, welche alle zusammen den Niederdruckrotor bilden. Die Niederdruckwelle erstreckt sich durch den Hochdruckrotor hindurch. Einige von den Niederdruckturbinen sind mit gegenläufig rotierenden Turbinen ausgelegt, die gegenläufig rotierende Bläser und gegenläufig rotierende Verdichter oder Niederdruckkompressoren antreiben. Die US-Patente Nr. 4,860,537, 5,307,622 und 4,790,133 offenbaren gegenläufig rotierende Turbinen mit gegenläufig rotierenden Rotoren, die gegenläufig rotierende Bläser und Verdichter antreiben. Der größte Teil des erzeugten Schubs wird durch den Bläser regeneriert. Laufschaufelreihen oder Stufen von einer(m) von den gegenläufig rotierenden Turbinen, Turbinenrotor sind mit Laufschaufelreihen oder Stufen eines anderen von den gegenläufig rotierenden Turbinenrotoren ineinandergreifend angeordnet. Es sind keine Leitschaufeln zwischen den ineinandergreifend angeordneten Reihen von Laufschaufeln angeordnet. Eine radial äußere Trommel lagert Laufschaufelreihen von einer der gegenläufig rotierenden Turbinen. Diese Laufschaufeln ragen radial von der Trommel nach innen.
  • US 5,010,729 offenbart eine Gasturbinentriebwerk-Turbinenanordnung mit einer Hochdruckturbine und einer Niederdruckturbine mit Niederdruck-Innen- und Außenwellen.
  • US 3,385,509 offenbart eine Turbinenanordnung mit Hochdruck- und Niederdruckkomponenten.
  • Erfindungsgemäß wird eine Gasturbinentriebwerks-Turbinenanordnung bereitgestellt, mit: einem Hochdruckrotor, der eine Hochdruckturbine enthält, die mit einem Hochdruckkom pressor über eine Hochdruckwelle antreibend verbunden und um eine Triebwerksmittellinie drehbar ist, einer Niederdruckturbine, die einen Niederdruckturbinen-Strömungspfad aufweist und hinter dem Hochdruckrotor angeordnet ist, wobei die Niederdruckturbine gegenläufig drehbare Niederdruck-Innen- und Außenwellenturbinen aufweist, wobei die Niederdruckturbine Niederdruck-Innen- bzw. Außenwellen aufweist, welche jeweils wenigstens teilweise drehbar koaxial zu dem und radial innerhalb des Hochdruckrotors angeordnet sind, wobei die Niederdruck-Innenwellenturbine erste Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen enthält, die quer zu dem Niederdruckturbinen-Strömungspfad angeordnet sind und mit einer vorderen Bläser-Laufschaufelreihe über die Niederdruck-Innenwelle antreibend verbunden sind,
    wobei die Niederdruck-Außenwellenturbine zweite Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen enthält, die quer zu dem Niederdruckturbinen-Strömungspfad angeordnet sind und mit einer hinteren Bläser-Laufschaufelreihe über die Niederdruck-Außenwelle antreibend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner aufweist,
    einen nur. in eine Richtung rotierenden Verdichter mit wenigsten einer drehbaren ersten Reihe von Verdichterlaufschaufeln die mit der Niederdruck-Außenwelle in Antriebsverbindung stehen und axial hinter dem und stromab von der hinteren Bläser-Laufschaufelreihe angeordnet sind, und
    wenigstens eine Reihe verstellbarer Niederdruck-Leitschaufeln, die quer zu dem Niederdruck-Turbinen-Strömungspfad zwischen den Niederdruck-Innen- und Außenwellenturbinen angeordnet sind.
  • Moderne kommerzielle Gasturbinentriebwerke mit gegenläufig rotierenden vorderen und hinteren Bläsern und gegenläufig rotierenden Verdichtern werden derzeit konstruiert. Es soll ein gegenläufig rotierendes Triebwerk mit einer Spitzenleistung konstruiert werden. Es hat sich herausgestellt, dass eine Spitzenleistung erzielt werden kann, wenn der vordere Bläser mit einem höheren Bläserdruckverhältnis und höherer Drehzahl als der hintere Bläser arbeitet. Dieses kann zu einer erheblichen Fehlanpassung in der PS-Leistung und der Drehzahl zwischen den gegenläufig rotierenden Rotoren führen. Die gegenläufig rotierende Niederdruckturbine muss die notwendige Kraft, sowohl an die vorderen, als auch hinteren Bläsers bei der Drehzahl jedes Bläsers liefern. Eine herkömmliche gegenläufig rotierende Turbine arbeitet mit einem Spitzenwirkungsgrad, wenn die Kraftaufteilung zwischen beiden Wellen gleich ist und wenn die Drehzahlen gleich und entgegengesetzt sind. In einem derartigen Falle sind die Drehzahl- und PS-Leistungs-Verhältnisse der zwei Rotoren und Turbinen im Wesentlichen 1. Es wäre sehr erwünscht, ein Gasturbinentriebwerk mit gegenläufig rotierenden Niederdruckturbinen zu haben, die unterschiedliche Drehzahl- und PS-Leistungs-Verhältnisse, wie zum Beispiel ein Drehzahlverhältnis von etwa 1,20 und ein PS-Leistungsverhältnis unter 1,1 aufweisen, um einen guten Bläser-Wirkungsgrad zu erreichen.
  • Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung enthält eine Gasturbinentriebwerk-Triebwerksanordnung einen Hochdruckrotor mit einer Hochdruckturbine, die mit Hockdruckkompressor über eine Hochdruckwelle, welche um eine Triebwerksmittellinie drehbar ist, antreibend verbunden ist. Eine Niederdruckturbine enthält einen Niederdruckturbinenströmungs pfad und ist hinter dem Hochdruckrotor angeordnet. Die Niederdruckturbine hat gegenläufig rotierende Niederdruck-Innen- und Außenwellenturbinen, die mit koaxialen Niederdruck-Innen- bzw. Außenwellen, welche wenigstens teilweise drehbar koaxial zu dem und radial innerhalb des Hochdruckrotors angeordnet sind, antreibend verbunden sind. Die erste Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen enthaltende Niederdruck-Innenwellenturbine ist quer zu dem Niederdruckturbinenströmungspfad angeordnet und ist mit einer vorderen Bläser-Laufschaufelreihe über die Niederdruck-Innenwelle antreibend verbunden. Die zweite Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen enthaltende Niederdruck-Außenwellenturbine ist quer zu dem Niederdruckturbinenströmungspfad angeordnet und mit einer hinteren Bläser-Laufschaufelreihe über die Niederdruck-Außenwelle antreibend verbunden. Wenigstens eine Reihe verstellbarer Niederdruck-Leitschaufeln ist zwischen den gegenläufig rotierenden Niederdruckturbinen angeordnet. Ein nur in einer Richtung rotierender Verdichter ist antreibend mit der Niederdruckaußenwelle verbunden und axial hinter und stromab von der hinteren Bläser-Laufschaufelreihe angeordnet. Der Verdichter hat wenigstens eine drehbare erste Reihe von Verdichterlaufschaufeln. Der nur in einer Richtung rotierende Verdichter ermöglicht im Gegensatz zu gegenläufig rotierenden Verdichtern den gegenläufig rotierenden Niederdruckturbinen bei unterschiedlichen Drehzahl- und PS-Leistungs-Verhältnissen zu arbeiten, um einen guten Bläser-Wirkungsgrad zu erzielen.
  • Die gegenläufig rotierenden Niederdruck-Innen- und Außenwellenturbinen können so ineinandergreifend angeordnet sein, dass die ersten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen mit den zweiten Niederdrucklaufschaufelreihen ineinandergreifend angeordnet sind. Alternativ können die Niederdruck-Innen- und Außenwellenturbinen hintereinander liegende nicht ineinandergreifend angeordnete hintere und vordere Niederdruckturbinen sein, wovon die hintere Niederdruckturbine hinter und stromab von der vorderen Niederdruckturbine angeordnet ist.
  • Eine exemplarische Ausführungsform der Anordnung enthält einen zu dem Hochdruckkompressor führenden Kerntriebwerkseinlass, und der Verdichter ist betreibbar vollständig innerhalb des Kerntriebwerkeinlasses angeordnet, um im wesentlichen die gesamte Verdichterluft aus dem Verdichter in den Hochdruckkompressor zu leiten. Vordere und hintere Reihen von Verdichterleitschaufeln können axial vor bzw. hinter der ersten Reihe der Verdichterlaufschaufeln angeordnet sein. Die erste und eine zweite (oder mehr) Reihen von Verdichterlaufschaufeln des Verdichters können axial zwischen vorderen und hinteren Verdichterleitschaufeln angeordnet sein. Wenigstens eine mittige Reihe von Verdichterleitschaufeln ist axial zwischen jedem Paar von Verdichterlaufschaufelreihen angeordnet.
  • Eine weitere exemplarische Ausführungsform der Anordnung hat den Kerntriebwerkseinlass stromab und axial hinter dem Verdichter angeordnet. Der Kerntriebwerkseinlass hat einen Einlasskanalteiler axial und radial, angrenzend an den und stromab von dem Verdichter zum Aufteilen der Verdichterluft aus dem Verdichter in erste und zweite Verdichterluftanteile angeordnet. Der Einlasskanalteiler ist für die Führung des ersten Anteils der Verdichterluft in den Kerntriebwerkseinlass und den zweiten Anteil der Verdichterluft um den Kerntriebwerkseinlass herum positioniert. Der Verdichter enthält wenigstens eine Reihe von Verdichterlaufschaufeln, die von einem Teilermantel umgeben ist, welcher einen Vorderkantenteiler besitzt, welcher betreibbar angrenzend an die und stromab von der hinteren Laufschaufelreihe angeordnet ist, um den aus der hinteren Bläser-Laufschaufelreihe austretenden Bläser-Luftstrom in einen ersten Bläser-Luftstromanteil in den Verdichter und in einen zweiten Bläser-Luftstromanteil um den Verdichter herum aufzuteilen. Vordere und hintere Reihen von Verdichterleitschaufeln können vor bzw. hinter den Verdichterlaufschaufeln angeordnet sein. Die hintere Reihe der Verdichterleitschaufeln kann radial innere Leitschaufelabschnitte aufweisen, die innerhalb des Kerntriebwerkseinlasses angeordnet sind, und radial äußere Leitschaufelabschnitte, die zwischen dem Teilermantel und einem Kerntriebwerkseinlassmantel angeordnet sind, welcher den Einlasskanalteiler mit enthält.
  • Der antreibend mit der Niederdruckaußenwelle verbundene und axial hinter und stromab von den gegenläufig rotierende Bläsers angeordnete in nur einer Richtung rotierende Verdichter ermöglicht einem Gasturbinentriebwerk mit gegenläufig rotierenden Niederdruckturbinen, das wenigstens eine Reihe verstellbarer Niederdruck-Leitschaufeln zwischen den gegenläufig rotierenden Niederdruckturbinen angeordnet hat, mit unterschiedlichen Drehzahl- und PS-Leistungs-Verhältnissen zu arbeiten, um einen guten Bläser-Wirkungsgrad zu erzielen. Ein Beispiel für derartige Verhältnisse sind ein Drehzahlverhältnis von etwa 1,20 und ein PS-Leistungsverhältnis unter 1,1. Der nur in einer Richtung rotierende Verdichter erübrigt auch einseitig gelagerte, ineinandergreifend angeordnete Verdichterlaufschaufeln und ermöglicht somit ein effizienteres Triebwerk und eine effizientere, mechanisch weniger komplizierte, und robuste Konstruktion des Bläser- und Verdichtersystems.
  • Die Erfindung wird nun detaillierter im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen:
  • 1 eine Längsschnittansicht-Darstellung eines vorderen Abschnittes einer ersten exemplarischen Ausführungsform eines Flugzeug-Turbofan-Gasturbinentriebwerkes mit einer gegenläufig rotierenden Niederdruckturbine und einem nur in einer Richtung rotierenden Verdichter ist, der stromab und hinter den gegenläufig rotierenden Bläsers angeordnet ist.
  • 2 eine Längsschnittansicht-Darstellung eines vorderen Abschnittes einer zweiten exemplarischen Ausführungsform eines Flugzeug-Turbofan-Gasturbinentriebwerkes mit einer gegenläufig rotierenden Niederdruckturbine und einem nur in einer Richtung rotierenden Verdichter ist, der stromab und hinter den gegenläufig rotierenden Bläsers angeordnet ist.
  • 3 eine Längsschnittansicht-Darstellung eines hinteren Abschnittes eines Triebwerks zur Verwendung mit den in 1 und 2 dargestellten Triebwerken ist.
  • 4 eine vergrößerte Ansichtdarstellung einer in 3 dargestellten ersten exemplarischen gegenläufig rotierenden, ineinandergreifend angeordneten Niederdruckturbine ist.
  • 5 eine schematische Ansichtdarstellung der in 4 dargestellten ersten exemplarischen gegenläufig rotierenden Niederdruckturbine ist.
  • 6 eine schematische Ansichtsdarstellung einer zweiten exemplarischen gegenläufig rotierenden, ineinandergrei fend angeordneten Niederdruckturbine zur Verwendung mit den in 1 und 2 dargestellten Triebwerken ist.
  • 7 eine vergrößerte Ansichtsdarstellung einer alternativen gegenläufig rotierenden Niederdruckturbine mit hintereinander nicht ineinandergreifend angeordneten hinteren und vorderen Niederdruckturbinen zur Verwendung in 1 und 2 dargestellten Triebwerken ist.
  • 8 eine schematische Ansichtsdarstellung der in 7 dargestellten gegenläufig rotierenden Niederdruckturbine ist.
  • In 1 ist ein vorderer Abschnitt 7 eines exemplarischen Turbofan-Gasturbinentriebwerks 10 um eine Triebwerksmittellinie 8 umschrieben und mit einem Bläser-Abschnitt 12, welcher einen Einlassluftstrom aus der Umgebungsluft 14 aufnimmt, dargestellt. Das Triebwerk 10 besitzt eine Gehäusestruktur 32, welche ein vorderes oder Bläser-Stützgehäuse 34 enthält, das über das Triebwerksgehäuse 45 mit einem Turbinenmittengehäuse 60 und einem in 3 dargestellten hinteren Gehäuse der Turbine verbunden ist. Das Triebwerk 10 ist innerhalb eines oder an einem Flugzeug über einen (nicht dargestellten) Ständer befestigt, welcher sich von einem Flugzeugflügel aus nach unten erstreckt.
  • Der Bläser-Abschnitt 12 weist gegenläufig rotierende vordere und hintere Bläser 4 und 6 auf, die vordere und hintere Laufschaufelreihen 13 und 15 enthalten, die auf vorderen und hinteren Laufschaufelscheiben 113 bzw. 115 befestigt sind. Ein nur in einer Richtung rotierender Verdichter 16 befindet sich hinter und stromab von den vorderen und hinteren Lauf schaufelreihen 13 und 15 und mit der hinteren Bläser-Scheibe 115 antreibend verbunden und somit mit dem hinteren Bläser 6 und der hinteren Laufschaufelreihe 15 drehbar. Der nur einer Richtung rotierende Verdichter 16 ermöglicht somit im Gegensatz zu gegenläufig rotierenden Verdichtern, dass die gegenläufig rotierenden Niederdruckturbinen bei unterschiedlichen Geschwindigkeits- und PS-Leistungsverhältnissen arbeiten, um einen guten Bläser-Wirkungsgrad zu erzielen. Ein Beispiel derartiger Verhältnisse sind ein Geschwindigkeitsverhältnis von etwa 1,20 und ein PS-Leistungsverhältnis unter 1,1. Der nur in einer Richtung rotierende Verdichter erübrigt einseitig gelagert, ineinandergreifend angeordnete Verdichterlaufschaufeln, und ermöglicht somit ein effizienteres Triebwerk und eine effizientere, mechanisch weniger komplizierte, und robuste Konstruktion des Bläser- und Verdichtersystems.
  • Der Verdichter 16 ist in 1 mit ersten und zweiten Reihen von Verdichterlaufschaufeln 116 und 117 dargestellt. Die erste Reihe der Verdichterlaufschaufeln 116 ist zwischen vorderen und mittleren Reihen von Verdichterleitschaufeln 122 und 124 angeordnet. Die zweite Reihe der Verdichterlaufschaufel 117 ist zwischen der mittleren Reihe der Verdichterleitschaufeln 124 und der hinteren Reihe der Verdichterleitschaufeln 126 angeordnet. Der Verdichter 16 ist axial hinter vorderen und hinteren Bläser-Laufschaufelreihen 13 und 15 angeordnet. Die vorderen und hinteren Bläser-Laufschaufelreihen 13 und 15 erstrecken sich radial von den vorderen und hinteren Bläser-Scheiben 113 bzw. 115 nach außen und erstrecken sich quer zu einem Bläser-Kanal 5, der radial außerhalb durch ein Bläser-Gehäuse 11 und radial innerhalb durch eine ringförmige radial innere Kanalwand 29 begrenzt wird. Die ersten und zweiten Reihen der Verdichterlaufschaufel 116 und 117 sind radial innerhalb eines Kerntriebwerkeinlasses 19 angeordnet, der von einem Kerntriebwerkseinlassmantel 36 mit einem Einlasskanalteiler 39 umgeben ist.
  • Stromab und axial hinter dem Bläser-Abschnitt 12 befindet sich ein Hochdruckkompressor (HPC) 18, welcher außerdem in 3 dargestellt ist. 3 stellt einen hinteren Abschnitt 22 des Triebwerks 10 dar. Stromab von den HPC 18 befindet sich eine Brennkammer 20, welche Brennstoff mit der durch den HPC 18 unter Druck gesetzten Luftstrom mischt, um Verbrennungsgase zu erzeugen, welche stromabwärts durch eine Hochdruckturbine (HPT) 24 und eine gegenläufig rotierende Niederdruckturbine (LPT) 26 strömen, aus welcher die Verbrennungsgase aus dem Triebwerk 10 ausgegeben werden. Eine Hochdruckwelle 27 verbindet die HPT 24 mit dem HPC 18, um im Wesentlichen einen ersten Hochdruckrotationskörper 33 (auch als Hochdruckrotor bezeichnet) auszubilden. Der Hochdruckkompressor 18, die Brennkammer 20, die Hochdruckturbine 24 werden zusammen genommen als Kerntriebwerk 25 bezeichnet, welches für die Zwecke dieses Patentes die Hochdruckwelle 27 enthält. Das Kerntriebwerk 25 kann so modular sein, dass es als eine Einzeleinheit, unabhängig getrennt von den anderen Teilen der Gasturbine ersetzt werden kann.
  • Gemäß nochmaligem Bezug auf 1 ist ein Umgehungskanal 21 radial außerhalb durch das Bläser-Gehäuse 11 und radial innerhalb durch den Kerntriebwerkseinlassmantel 36 begrenzt. Die vorderen und hinteren Bläser-Laufschaufelreihen 13 und 15 sind innerhalb des Kanals 5 stromauf von den Umgehungskanal 21 angeordnet. Der Einlasskanalteiler 39 teilt den die hintere Bläser-Laufschaufelreihe 15 verlassende Bläser-Luftstrom in einen ersten Anteil 35 des Bläser-Luftstroms in den Verdichter 16 und in einen zweiten Anteil 37 des Bläser-Luft dichter 16 und in einen zweiten Anteil 37 des Bläser-Luftstroms um den Verdichter 16 herum in den Umgehungskanal 21, wo er dann den Bläser-Abschnitt 12 über einen Bläseraustritt 30 unter Erzeugung von Schub für das Triebwerk verlässt. Der erste Anteil 35 des Bläser-Luftstroms wird durch den Verdichter 16 unter Druck gesetzt, um Verdichterluft 31 zu erzeugen und verlässt den Verdichter in den Hochdruckkompressor 18 des Kerntriebwerks 25.
  • In 2 ist ein vorderer Abschnitt 10 eines alternativen exemplarischen Turbofan-Gasturbinentriebwerks 10 umschrieben um die Triebwerksmittellinie 8 und mit dem Bläser-Abschnitt 12 dargestellt, welcher einen Einlassluftstrom der Umgebungsluft 14 aufnimmt. Das Triebwerk 10 enthält die Rahmenstruktur 32, welche das vordere oder Bläser-Stützgehäuse 34 enthält, das über das Triebwerksgehäuse 45 mit dem Turbinenmittenstützgehäuse 60 und den in den 3, 4, 7 dargestellten hinteren Turbinenstützgehäuse 155 verbunden ist. Der Bläser-Abschnitt 12 hat die gegenläufig rotierenden vorderen und hinteren Bläsern 4 und 6 mit den vorderen und hinteren Laufschaufelreihen 13 und 15, die auf den vorderen bzw. hinteren Bläserscheiben 13 bzw. 15 befestigt sind.
  • Der nur einer Richtung rotierende Verdichter 16 ist mit der hinteren Bläserscheibe 115 antreibend verbunden und somit mit dem hinteren Bläser 6 und der hinteren Laufschaufelreihe 115 drehbar und betreibbar mit der und im Betrieb durch die Niederdruckaußenwelle 140 angetrieben verbunden. Der Verdichter 16 ist in 6 mit nur einer einzigen Reihe von Verdichterlaufschaufeln 216 dargestellt. Die Reihe der Verdichterlaufschaufeln 216 ist zwischen den vorderen und hinteren Reihen der Verdichterleitschaufeln 222 und 224 angeordnet. In der in 2 dargestellten exemplarischen Ausführungsform hat die hintere Reihe der Verdichterleitschaufeln 224 radial innere Leitschaufelabschnitte 225, die zwischen dem inneren Kerntriebwerkseinlass 19 angeordnet sind und radial äußere Leitschaufelabschnitte 227, die zwischen den Teilermantel 17 und dem Kerntriebwerkseinlassmantel 36 angeordnet sind. Der Verdichter 16 ist axial hinter dem vorderen und hinteren Bläserleitschaufelreihen 13 und 15 angeordnet. Die vorderen und hinteren Bläser-Laufschaufelreihen 13 und 15 erstrecken sich radial von vorderen und hinteren Trennscheiben 113 bzw. 115 nach außen und erstrecken sich quer zu dem Bläserkanal 5, begrenzt durch das Bläsergehäuse 11 radial nach außen.
  • Die Reihe der Verdichterlaufschaufeln 216 ist von einem Teilermantel 117 mit einem Vorderkantenteiler 9 umgeben. Der Umgehungskanal 21 ist radial außerhalb durch das Bläsergehäuse 11 begrenzt und im Allgemeinen radial innerhalb durch den Teilermantel 17 und dem Kerntriebwerkseinlassmantel 36 begrenzt. Der Teilermantel 17 und der Vorderkantenteiler 9 teilt den Bläser-Luftstrom 23, der die hintere Bläser-Laufschaufelreihe 15 verlässt in einen ersten Anteil 35 des Bläser-Luftstrom in den Verdichter 16 und in einen zweiten Anteil 37 des Bläser-Luftstroms um den Verdichter 116 herum in dem Umgehungskanal 21 auf, wo er dann den Bläser-Abschnitt 12 über einen Bläseraustritt 30 unter Erzeugung von Schub für das Triebwerk verlässt. Der erste Anteil 35 des Bläser-Luftstroms wird durch den Verdichter 16 unter Druck gesetzt, um die Verdichterluft 31 zu bilden, welche den Verdichter verlässt und in die ersten und zweiten Anteile 135 bzw. 137 durch einen Einlasskanalteiler 39 aufgeteilt wird. Der Einlasskanalteiler 39 leitet den ersten Anteil 135 der Verdichterluft in einen Kerntriebwerkseinlass 19, der zu dem Hoch druckkompressor 18 des Kerntriebwerks 25 führt. Der Einlasskanalteiler 39 leitet auch den zweiten Anteil 137 der Verdichterluft um den Kerntriebwerkseinlass 19 herum in den Umgehungskanal 21, wo er dann den Bläser-Abschnitt 12 über den Bläser-Austritt 30 unter Erzeugung von Schub für das Triebwerk verlässt.
  • In den 3, 4 und 5 ist eine exemplarische Ausführungsform der Niederdruckturbine 26 dargestellt, die einen Niederdruckturbinenströmungspfad 28 enthält, welcher gegenläufige, ineinandergreifend angeordnete Niederdruck-Innenund Außenwellenturbinen 41 und 42 mit Niederdruck-Innen- und Außenwellenturbinenrotoren 200 bzw. 202 enthält. Wenigstens eine Reihe verstellbarer Niederdruck-Leitschaufeln 210 ist zwischen den gegenläufig ineinandergreifend angeordneten Niederdruck-Innen- und Außenwellenturbinen 41 und 42 angeordnet. Die Niederdruck-Innen- und Außenwellenturbinenrotoren 200 und 202 enthalten erste und zweite Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 138 bzw. 148, die quer zu den Niederdruckturbinenströmungspfad 28 angeordnet sind. Gegenläufig rotierende Niederdruck-Innen- und Außenrotationskörper 190 und 192 beinhalten die Niederdruck-Innen- und Außenwellenturbinenrotoren 200 bzw. 202, die mit den vorderen und hinteren Bläser-Laufschaufelreihen 13 und 15 über Niederdruck-Innen- und Außenwellen 130 bzw. 140 antreibend verbunden sind.
  • Die Niederdruck-Innen- und Außenwellen 130 und 140 sind wenigstens teilweise drehbar koaxial zu dem und radial innerhalb des Hochdruckrotationskörpers 33 angeordnet. In der in den 4 und 5 dargestellten exemplarischen Ausführungsform gibt es jeweils vier Reihen von den ersten und zweiten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 138 und 148. Der Ver dichter 16 ist antreibend mit der Niederdruckaußenwelle 140 verbunden und ist Teil des Niederdruck-Außenrotationskörpers 192. Eine Turbinendüse 220 ist axial vorne, stromauf von und benachbart zu dem zweiten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 148 angeordnet.
  • Die ersten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 138 enthalten wenigstens eine erste ineinandergreifend angeordnete Turbinenlaufschaufelreihe 221, die zwischen wenigstens einem benachbarten, ineinandergreifend angeordneten Paar 214 der zweiten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 148 angeordnet ist. Die zweite Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihe 148 enthält wenigstens eine zweite ineinandergreifend angeordnete Turbinenlaufschaufelreihe 226, die zwischen wenigstens einem ersten benachbarten Paar 218 der ersten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 138 angeordnet ist. Die Reihe verstellbarer Niederdruck-Leitschaufeln 210 ist zwischen dem ineinandergreifend angeordneten Paar 214 der ersten und zweiten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 138 und 148 quer zu dem Niederdruckturbinenströmungspfad 28 angeordnet. Verstellbare Niederdruck-Leitschaufeln 210 werden üblicherweise in Kompressoren verwendet und sind typischerweise zwecks einer Drehung um eine Leitschaufelachse 77, die die Triebwerksmittellinie 8 schneidet, zusammengefasst. Die verstellbaren Niederdruck-Leitschaufeln 210 wurden auch zur Verwendung in Turbinen entwickelt. Die verstellbaren Niederdruck-Leitschaufeln 210 ermöglichen eine Steuerung der Drehmomentaufteilung zwischen den gegenläufig rotierenden Niederdruck-Innen- und Außenwellenturbinen 41 und 42, um eine bessere Steuerung des Betriebswirkungsgrades des Triebwerkes bereitzustellen.
  • Eine hinterste oder vierte Reihe 106 der ersten Niederdruckturbinenleitschaufelreihen 138, welche Teil eines rotierenden Gehäuses 108 ist, welcher eine radial äußere Turbinenringanordnung 90 lagert, wird drehbar von einem zentralen Stützgehäuse 60 und einem hinteren Gehäuse 155 des Triebwerks gelagert. Die radial äußere Turbinenringanordnung 90 besitzt drei getrennte Turbinenrotoringe 92, von welchen jeweils die ersten drei Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 138 gelagert werden. Die Turbinenrotorringe 92 sind miteinander über geschraubte Verbindungen 94 verbunden. Der Niederdruck-Außenwellenturbinenrotor 202 ist mit vier zweiten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 148 dargestellt, die auf ersten Niederdruck-Turbinenscheiben 248 montiert sind.
  • In den 3 und 4 und schematisch in 5 ist eine Ausführungsform der Niederdruckturbine 26 dargestellt, in welcher eine erste vorderste Reihe 50 der ersten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 138 ineinandergreifend mit einem ersten Paar 51 der zweiten Niederdrucklaufschaufelreihe 148 angeordnet dargestellt ist. Die Reihe der verstellbaren Niederdruck-Leitschaufeln 210 ist axial zwischen einer zweiten vordersten Reihe 53 des vordersten Paares 51 der zweiten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 148 und der ersten vordersten Reihe 50 der ersten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 138 angeordnet.
  • Im Allgemeinen stellt 5 ferner dar, dass das benachbarte Paar 218 ineinander greift und eine ineinandergreifend angeordnete Reihe 221 der ersten oder zweiten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 138 und 148 mit einem benachbarten Paar 218 von einer weiteren der ersten oder zweiten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 138 und 148 ineinander greift. Im Allgemeinen stellt 5 weiter eine erste Anzahl, dargestellt als vier, der ersten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 138 mit einer zweiten Anzahl, dargestellt als vier, der zweiten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 148 ineinandergreifend angeordnet dar.
  • In 6 ist schematisch eine weitere Ausführungsform der Niederdruckturbine 26 dargestellt, in welcher eine hinterste Reihe 54 der zweiten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 148 mit einem hintersten Paar 52 der ersten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihe 138 ineinandergreifend angeordnet ist. Die Reihe der verstellbaren Niederdruck-Leitschaufeln 210 ist axial zwischen einer zweiten hintersten Reihe 67 des hintersten Paares 52 der Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 138 und der hintersten Reihe 54 der zweiten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 148 angeordnet.
  • Die vorstehend dargestellten Ausführungsformen haben vier zweite Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 148 und vier erste Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 138. Weitere Ausführungsformen können zwei oder mehr zweite Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 148 und zwei oder mehr erste Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 138 enthalten. Alle zweiten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 148 sind mit den ersten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 138 ineinandergreifend angeordnet.
  • In 7 und 8 ist eine dritte exemplarische Ausführungsform der Niederdruckturbine 26 dargestellt. Die Niederdruckturbine 26 ist eine in nachgeordnet nicht ineinandergreifend angeordnet gegenläufig rotierende Niederdruckturbine 26 und die Niederdruckaußen- und Innenwellenturbinen 42 und 41 sind hintereinander angeordnete, nicht ineinandergreifend angeordnete gegenläufig rotierende vordere und hintere Niederdruckturbinen 40 bzw. 43. Eine Reihe der verstellbaren Niederdruck-Leitschaufeln 210 ist axial zwischen den vorderen und hinteren Niederdruckturbinen 40 und 43 angeordnet. Der Niederdruck-Innenrotationskörper 190 enthält die hintere Niederdruckturbine 43 und der Niederdruckaußenrotationskörper 192 enthält die vordere Niederdruckturbine 40.
  • Die hintere Niederdruckturbine 43 enthält die ersten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 138, die quer zu dem Niederdruckturbinenströmungspfad 28 angeordnet sind und ist mit der vorderen Bläser-Laufschaufelreihe 13 über die Niederdruckwelle 130 antreibend verbunden. Die vordere Niederdruckturbine 40 enthält die zweiten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 148, die quer zu dem Niederdruckturbinenströmungspfad 28 angeordnet sind und ist antreibend mit der hinteren Bläser-Laufschaufelreihe 15 über die Niederdruckaußenwelle 140 verbunden. Nicht verstellbare Statorleitschaufeln 212 sind quer zu dem Niederdruckströmungspfad 28 angeordnet und zwischen jedem Paar der ersten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 138 und zwischen jedem Paar der zweiten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 148 der hinteren und vorderen Niederdruckturbinen 43 bzw. 42 angeordnet.
  • In der in den 7 und 8 dargestellten exemplarischen Ausführungsform gibt es jeweils vier Reihen von den ersten und zweiten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 138 und 148.
  • Die ersten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 138 sind stromab von den zweiten Niederdruckturbinen-Laufschau felreihen 148 entlang dem Niederdruckturbinenströmungspfad 28 angeordnet. Die Reihe der verstellbaren Niederdruck-Leitschaufeln 210 ist zwischen den ersten Niederdruckturbinenleitschaufelreihen 138 und den zweiten Niederdruckturbinenleitschaufelreihen 148 angeordnet. Die Reihen der nicht verstellbaren oder festen Niederdruck-Leitschaufeln sind quer zu dem Niederdruckströmungspfad 28 zwischen benachbarten Paaren 218 der ersten Niederdruckturbinenleitschaufelreihen 138 und zwischen zweiten benachbarten Paaren 219 der zweiten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 148 angeordnet. Eine Turbinendüse 220 ist axial vor, stromauf von und angrenzend an die zweiten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 148 angeordnet.
  • Die exemplarische Ausführungsform hat eine gleiche Anzahl von ersten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 138 und von zweiten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 148. Insbesondere hat die exemplarische Ausführungsform vier von den ersten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 138 und vier von den zweiten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 148. Die ersten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 138 sind auf ersten Niederdruck-Turbinenscheiben 238 des Niederdruck-Innenwellen-Turbinenrotors 200 montiert dargestellt, und die zweiten Turbinen-Laufschaufelreihen 148 sind auf zweiten Niederdruck-Turbinenscheiben 248 des Niederdruck-Außenwellen-Turbinenrotors 202 montiert dargestellt. Alternativ können die ersten und zweiten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 138 und 148 auf Trommeln der Niederdruck-Innen- und Außenwellenturbinenrotoren 200 bzw. 202 befestigt sein. Eine Turbinendüse 220 ist axial vorne, stromauf von und benachbart zu den zweiten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen 148 angeordnet.
  • Es können verschiedene Konfigurationen der Niederdruckturbine eingesetzt werden. Es kann eine gleiche oder ungleiche Anzahl der ersten und zweiten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen vorhanden sein, und es können drei oder vier oder mehr von jeder von den ersten und zweiten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen vorhanden sein.
  • Die hintereinander, nicht ineinandergreifend angeordneten gegenläufig rotierenden vorderen und hinteren Niederdruckturbinen 40 und 43 und die Reihe der verstellbaren Niederdruck-Leitschaufeln 210 trägt dazu bei, dass das Triebwerk bei der oder in der Nähe der Spitzenleistung betrieben wird, indem dem vorderen Bläser ermöglicht wird, mit einem höheren Bläser-Druckverhältnis und mit einer höheren Drehzahl als der hinteren Bläser zu arbeiten, während gleichzeitig eine erhebliche Fehlanpassung in der PS-Leistung und in der Drehzahl zwischen den gegenläufig rotierenden Niederdruckturbinen und Rotoren vermieden wird. Dieses ermöglicht es, das Triebwerk mit unterschiedlichen Drehzahl- und PS-Leistungs-Verhältnissen, wie zum Beispiel Drehzahl- und PS-Leistungs-Verhältnissen von 1,2 oder mehr zu betreiben, um dazu beizutragen, ein Bläser-Spitzenwirkungsgrad zu erzielen. Die hintereinander nicht ineinandergreifend angeordneten gegenläufig rotierenden vorderen- und hinteren Niederdruckturbinen sind ferner eine leichtgewichtige Konstruktion und sind leicht drehbar durch die statischen Rahmenstrukturen des Triebwerks zu lagern.

Claims (10)

  1. Gasturbinentriebwerks-Turbinenanordnung, mit: einem Hochdruckrotor (33), der eine Hochdruckturbine (24) enthält, die mit einem Hochdruckkompressor (18) über eine Hochdruckwelle (27) antreibend verbunden und um eine Triebwerksmittellinie (8) drehbar ist, einer Niederdruckturbine (26), die einem Niederdruckturbinen-Strömungspfad (28) aufweist und hinter dem Hochdruckrotor (33) angeordnet ist, wobei die Niederdruckturbine (26) gegenläufig drehbare Niederdruck-Innen- und Außenwellenturbinen (41) und (42) aufweist, wobei die Niederdruckturbine (26) Niederdruck-Innen- bzw. Außenwellen (130 und 140) aufweist, welche jeweils wenigstens teilweise drehbar koaxial zu der und radial innerhalb des Hochdruckrotors (33) angeordnet sind, wobei die Niederdruck-Innenwellenturbine (41) erste Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen (138) enthält, die quer zu dem Niederdruckturbinen-Strömungspfad (28) angeordnet und mit einer vorderen Bläser-Laufschaufelreihe (139) über die Niederdruck-Innenwelle (130) antreibend verbunden sind, wobei die Niederdruck-Außenwellenturbine (42) zweite Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen (148) enthält, die quer zu dem Niederdruckturbinen-Strömungspfad (28) angeordnet und mit einer hinteren Bläser-Laufschaufelreihe (140) über die Niederdruck-Außenwelle (140) antreibend verbunden sind, wobei ein nur in einer Richtung rotierender Verdichter (16) wenigsten eine drehbare erste Reihe Verdichterlaufschaufeln (116) besitzt, die mit der Niederdruck-Außenwelle (140) in Antriebsverbindung stehen und axial hinter dem und stromab zu der hinteren Bläser-Laufschaufelreihe (15) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner aufweist, wenigstens eine Reihe verstellbarer Niederdruck-Leitschaufeln (210), die quer zu dem Niederdruck-Turbinen-Strömungspfad (28) zwischen den Niederdruck-Innen- und Außenwellenturbinen (41 und 42) angeordnet sind.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, die ferner einen Kerntriebwerkseinlass (19) zu dem Hochdruckkompressor (18) aufweist, wobei der Verdichter (16) vollständig innerhalb des Kerntriebwerkeinlasses (19) betreibbar angeordnet ist, um im Wesentlichen die gesamte Verdichterluft (31) aus dem Verdichter in den Hochdruckkompressor (18) zu leiten.
  3. Anordnung nach Anspruch 2, die ferner vordere und hintere Reihen von Verdichter-Leitschaufeln (122, und 126) aufweist, die axial vor bzw. hinter der ersten Reihe der Verdichterlaufschaufeln (116) des Verdichters (16) angeordnet sind.
  4. Anordnung nach Anspruch 2, die ferner eine zweite Reihe von Verdichterlaufschaufeln (117) und vordere und hintere Verdichter-Leitschaufeln (122 und 126), die vor und hinter der ersten bzw. zweiten Reihen der Verdichterlaufschaufeln (116 und 117) des Verdichters (16) angeordnet sind, und wenigstens eine mittlere Reihe von Verdichter-Leitschaufeln (124), aufweist die axial zwischen jedem Paar der Verdichterlaufschaufelnreihen angeordnet sind.
  5. Anordnung nach Anspruch 1, die ferner wenigstens ein benachbartes Paar aus einer Laufschaufel der ersten Niederdruck-Turbinen-Laufschaufelreihe (138) und einer Laufschaufel der zweiten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihe (148) aufweist, und wobei die Reihe der verstellbaren Niederdruckleitschaufeln (210) quer zu dem Niederdruckturbinen-Strömungspfad (28) zwischen dem benachbarten Paar angeordnet ist.
  6. Anordnung nach Anspruch 1, ferner mit: einem Kerntriebwerkseinlass (19) zu dem Hochdruckkompressor (18), wobei der Kerntriebwerkseinlass (19) einen Einlasskanalteiler (39) aufweist, wobei der Kerntriebwerkseinlass (19) einen Einlasskanalteiler (39) axial und radial benachbart zu und stromab von dem Verdichter (16) angeordnet ist, um die Verdich terluft (31) aus dem Verdichter in erste und zweite Verdichterluftanteile (135 und 137) aufzuteilen, und wobei der Einlasskanalteiler (39) so positioniert ist, dass er den ersten Verdichterluftanteil (135) des Verdichters in den Kerntriebwerkseinlass (19) und den zweiten Verdichterluftanteil (137) des Verdichters um den Kerntriebwerkseinlass (19) herum leitet.
  7. Anordnung nach Anspruch 1, bei der ferner die ersten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen (138) mit den zweiten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen (148) ineinandergreifend angeordnet sind.
  8. Anordnung nach Anspruch 7, die ferner einen Kerntriebwerkseinlass (19) zu dem Hochdruckkompressor (18) aufweist, wobei der Verdichter (16) zum Betrieb vollständig innerhalb des Kerntriebwerkeinlasses (19) angeordnet ist, um im Wesentlichen die gesamte Verdichterluft (31) aus dem Verdichter in den Hochdruckkompressor (18) zu leiten.
  9. Anordnung nach Anspruch 1, bei der ferner die gegenläufigen Niederdruck-Innen- und Außenwellenturbinen (41 und 42) hintereinander, nicht-ineinandergreifend hinter bzw. vor den Niederdruckturbinen befindlich angeordnet sind, und die Reihe der verstellbaren Niederdruck-Leitschaufeln (210) axial zwischen den vorderen und hinteren Niederdruckturbinen (42 und 43) angeordnet ist.
  10. Anordnung nach Anspruch 9, bei der ferner die ersten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen (138) der hinteren Niederdruckturbinen eine Reihe von Stator-Leitschaufeln aufweisen, die axial zwischen jedem Paar der zweiten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen (148) und quer zu dem Niederdruckturbinenpfad (28) angeordnet sind, und bei der die zweiten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen (148) der vorderen Niederdruckturbinen eine Reihe der Stator-Leitschaufeln aufweisen, die axial zwischen jedem Paar der ersten Niederdruckturbinen-Laufschaufelreihen (138) und quer zu dem Niederdruckturbinenpfad (28) angeordnet sind.
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