DE69604992T2 - Turbomaschineanordnung mit Schaufelgitter und Zwischengehäuse - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft eine Turbomaschinenanordnung mit einem Schaufelgitter und einem Zwischengehäuse.
• Sie kann beim Bau bestimmter moderner Flugzeugmotoren mit großem Nebenstromverhältnis und insbesondere deren hinter einem Eintrittsgebläse liegenden Teils zur Anwendung kommen. Die wesentlichen in Betracht zu ziehenden Teile sind hier ein Außengehäuse, ein Innengehäuse und ein Zwischengehäuse, das konzentrisch zu den beiden vorherigen ist und ihren Zwischenraum in eine innere Primärstrombahn, die von der Kompression und dann von der Expansion der Schubgase betroffen ist, und in eine Mantelstrombahn, in der Verdünnungsluft zirkuliert, unterteilt.
• Es ist zweckmäßig, diese Verdünnungsgase durch sogenannte aerodynamische Schaufeln zu leiten und den Halt der Gehäuse dadurch zu gewährleisten, daß sie durch radiale Arme miteinander verbunden werden, die allgemein die Erscheinung von zusätzlichen Schaufeln annehmen, die man Strukturschaufeln nennt, um sie von den anderen zu unterscheiden. Ihr Erscheinungsbild ist zwar oft dem der aerodynamischen Schaufeln sehr ähnlich, doch müssen sie widerstandsfähig genug sein, um diesen Halt zu gewährleisten und nicht zu brechen oder sich zu verbiegen, wenn sich eine Gebläseschaufel löst und auf sie trifft. Die aerodynamischen Schaufeln können viel leichter sein, müssen aber in ausreichender Anzahl vorhanden sein, um eine zweckmäßige Führung der Luft zu gewährleisten.
• Bei einem herkömmlichen Konzept der Triebwerke bilden die Strukturschaufeln eine von den aerodynamischen Schaufeln unterschiedene Gruppe und befinden sich in Strömungsrichtung der Verdünnungsluft hinter den aerodynamischen Schaufeln. Dieses Konzept wurde jedoch bei den neueren Triebwerken aufgegeben, da die Schaufeln einen bedeutenden aalen Raum einnehmen. Bei einem neueren Konzept entschied man sich, allen Schaufeln die gleichen Funktionen zu übertragen, d. h. sie sowohl als Strukturschaufeln wie als aerodynamische Schaufeln auszuführen und sie dabei in einem einzigen kreisförmigen Gitter anzuordnen. Daraus entstanden jedoch einige Nachteile, die die Vorteile des vereinfachten Aufbaus und der Platzersparnis wieder ausglichen: Da alle Schaufeln den mechanischen Kräften ausgesetzt werden und deshalb einen ausreichenden Querschnitt aufweisen müssen, müssen sie in der Praxis hohl gebaut werden und es muß dabei ein wiederstandsfähiges Metall wie Titan verwendet werden, um die Masse der Anordnung nicht zu sehr zu erhöhen; dabei ist das Zusammenbauen der Schaufeln, das durch mechanisches Schweißen erfolgt, eher langwierig. Außerdem ist festzustellen, daß die Biegefestigkeit hohler Schaufeln ziemlich gering ist. Ein analoges Beispiel ist in der Schrift EP-A-0 298 898 zu finden, bei dem sich Strukturschaufeln in gleicher Anzahl und in Verlängerung in den beiden Strömungsbahnen erstrecken, ohne aber verbunden zu sein und eine einzige Schaufelanordnung zu bilden, da die ringförmige Zwischenkonstruktion zwischen den beiden Strömungsbahnen sehr steif ist und nur den Zusammenhalt der Konstruktion gewährleistet. Diese Zwischenkonstruktion muß dem Anschein nach sehr schwer sein.
• Die Hauptaufgabe dieser Erfindung besteht darin, eine kompakte Konstruktion dieses Triebwerkbereichs auszuführen, und zwar ohne die Nachteile einer größeren Masse und einer mittelmäßigen Widerstandsfähigkeit, wie sie die obengenannte, bekannte Lösung bietet. Das Konzept, das dieser Erfindung zugrunde liegt, besteht kurz zusammengefaßt darin, daß auch alle Schaufeln in einem einzigen Abschnitt des Triebwerks angeordnet werden, dabei jedoch die Strukturschaufeln und die aerodynamischen Schaufeln verschieden ausgeführt werden und gruppenweise abwechselnd um diesen Abschnitt herum angeordnet werden. Die viel weniger zahlreichen Strukturschaufeln verschlechtern die Widerstandsfähigkeit der Gesamtanordnung nicht: im Gegenteil kann hier ein Fortschritt erwartet werden, da die Möglichkeit besteht, dort einen größeren Teil der Gesamtmasse der Schaufeln zu konzentrieren und sie insbesondere mit vollem Querschnitt zu bauen, während die aerodynamischen Schaufeln hohl, aus einem leichteren Werkstoff und kostengünstiger sein können und es nicht zweckmäßig ist, sie mit ihren beiden entgegengesetzten Enden starr an den Gehäusen anzubauen. Auch in den Schriften GB-A- 1 557 096 und GB-A-2 207 707 sind Leitschaufeln und Strukturschaufeln beschrieben, die gruppenweise abwechselnd an einer Umfangslinie einer Gasströmungsbahn angeordnet sind, wobei die Konfigurationen sich von der erfindungsgemäßen etwas unterscheiden, da sie nicht zwei konzentrische Bahnen und einen Zwischenraum von beachtlicher Größe, die durch vier konzentrische Gehäuse abgegrenzt werden, aufweisen. Es muß dabei auch die Schrift GB-A-2 004 329 erwähnt werden, in der Leitschaufeln mit unterschiedlichen Größen beschrieben werden, wobei die größten hohl sind, und die gruppenweise abwechselnd an einer Umfangslinie einer Gasströmungsbahn angeordnet sind, ohne daß sich Strukturschaufeln darunter befinden.
• Der Abstand, der zwischen den Schaufeln eingehalten werden muß, ergibt jedoch für die beiden Bahnen verschiedene Anzahlen von Schaufeln, und dies führt schließlich dazu, in der Mantelstrombahn nicht nur zusätzliche Leitschaufeln, sondern auch eine größere Zahl von Strukturschaufeln vorzusehen als in der Primärstrombahn, um zu vermeiden, daß sie zu Wert voneinander beabstandet sind. Der Aufbau dieser Erfindung kommt dieser Anforderung nach.
• Ferner ist aus US-A-4 461 145 eine Turbomaschinenanordnung mit einem ersten, einem zweiten, einem dritten und einem vierten kreisförmigen Gehäuse mit kleiner werdenden, konzentrischen Durchmessern bekannt, wobei das erste und das zweite Gehäuse eine Mantelstrombahn umgrenzen und das dritte und das vierte Gehäuse eine Primärstrombahn umgrenzen, wobei die Mantelstrombahn mit feststehenden Gasleitschaufeln, die sich nicht über das erste und das zweite Gehäuse hinaus erstrecken, sowie mit Außenteilen von feststehenden Stützschaufeln, die sich vom ersten bis zum vierten Gehäuse erstrecken, besetzt ist. Erfindungsgemäß werden die Außenteile zwischen dem dritten und dem vierten Gehäuse durch Stützarme und zwischen dem zweiten und dem dritten Gehäuse durch dazwischen angeordnete Manschetten verlängert, und die Leit- und Stützschaufeln sind gruppenweise abwechselnd an einer einzigen Umfangslinie angeordnet und die Manschetten sind schräg und verzweigt zwischen den Stützarmen und den Außenteilen der Stützschaufeln angeordnet.
• Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden, zu Darstellungszwecken beigefügten Figuren näher beschrieben, wobei
• Fig. 1 ein herkömmliches Triebwerk darstellt, und
• die Fig. 2 und 3 die Anordnung dieser Erfindung darstellen.
• Das Triebwerk von Fig. 1, das den eingangs gemachten Ausführungen entspricht, weist vorne ein Gebläse 1 auf, das mit einem Gitter von Gebläseschaufeln 3 ausgestattet ist, die sich von einem zentralen Rumpf 4 aus, der sich in einem feststehenden, auch viertes Gehäuse genannten Innengehäuse 5 fortsetzt, fast bis zu einem auch Primärgehäuse genannten Außengehäuse 2 hin erstrecken. Zwischen dem Innengehäuse 5 und dem Außengehäuse 2 ist hinter dem Gitter von Gebläseschaufeln 3 ein Zwischengehäuse 6 vorgesehen, das eine Primärstrombahn 7 von einer Mantelstrombahn 8 des Triebwerks trennt, wobei letztere die erstere umgibt. Aerodynamische Schaufeln 9, die zum Leiten der Gase dienen, erstrecken sich zwischen dem Außengehäuse 2 und einer Außenhaut 10 des Zwischengehäuses 6, wobei diese Außenhaut 10 ein zweites Gehäuse bildet, und Strukturschaufeln 11, die dazu vorgesehen sind, den Zusammenhalt der Gesamtanordnung zu gewährleisten und die sich hinter den aerodynamischen Schaufeln 9 erstrecken, können als dreiteilig betrachtet werden: ein Außenteil 12, der sich zwischen dem Außengehäuse 2 und der Außenhaut 10 in der Mantelstrombahn 8 befindet, ein mittlerer Teil 13, der sich zwischen der Außenhaut 10 und einer Innenhaut 14 des Zwischengehäuses 6 befindet, wobei diese Innenhaut 14 ein drittes Gehäuse bildet, und ein Außenteil 15, der sich zwischen der Innenhaut 14 und dem Innengehäuse 5 in der Primärstrombahn 7 erstreckt.
• Bei der Beschreibung dieser Erfindung werden die gleichen Bezugszahlen wie in Fig. 2 und 3 verwendet, abgesehen von den Schaufeln.
• Die aerodynamischen Schaufeln 20, die Leitschaufeln darstellen, und die Außenteile 21 der Strukturschaufeln 22, die Stützschaufeln darstellen, sind in dem gleichen Abschnitt der Mantelstrombahn 8 miteinander abwechselnd, und zwar gruppenweise, angeordnet, so daß sich zwischen jedem Außenteil 21 der Strukturschaufeln 22 nach Bedarf eine, zwei oder drei aerodynamische Schaufeln 20 befinden, je nachdem wie es die bauliche Besonderheit der Strukturschaufeln 22 erfordert, worauf noch zurückgekommen wird.
• In Fig. 3 ist zu sehen, daß die Gruppen aerodynamischer Schaufeln 20 fest mit jeweiligen Flanschen 24 verbunden sind, die an dem Außengehäuse 2 angeschraubt sind, das auch Rückhaltegehäuse genannt wird und das in dieser Figur nur angedeutet ist. Das Ganze kann aus einem leichten Werkstoff wie z. B. Aluminium bestehen, oder auch aus einem Verbundwerkstoff oder aus Titan, wenn dies auch teuer ist. Die aerodynamischen Schaufeln 20 sind nicht mit dem Zwischengehäuse 6 verbunden, sondern durch ein kleines Spiel von diesem getrennt. Ihr Querschnitt ist hohl, damit sie leichter werden.
• Die Außenteile 21 der Strukturschaufeln 22 sind ebenfalls mit Flanschen 25 verbunden, die an dem Außengehäuse 2 angeschraubt sind, und erstrecken sich bis zur Außenhaut 10 des Zwischengehäuses 6. Vorteilhafterweise sind sie aus Titan hergestellt und können massiv oder hohl sein, wie sich noch zeigt.
• Es ist nicht unbedingt zweckmäßig oder wünschenswert, daß die inneren Teile 27 der Strukturschaufeln 22, die auch Primärarme oder Stützarme genannt werden, eine gleiche winkelmäßige Verteilung aufweisen wie die Außenteile 21; aus diesem Grund bevorzugt man es, die Primärarme 27 wie in Fig. 2 dargestellt über Manschetten 29, die schräg durch den Innenraum, d. h. den Raum zwischen der Innenhaut 14 und der Außenhaut 10, zu dem Zwischengehäuse 6 hin verlaufen, mit den jeweiligen Außenteilen zu verbinden. In dem dargestellten Fall, in dem die Außenteile 21, deren Abstand etwa dem Abstand zwischen den Primärarmen 27 gleicht, zahlreicher sind als diese, verdoppeln sich die meisten Strukturschaufeln 22, d. h. daß jedem Primärarm 27 im allgemeinen ein Paar Manschetten 29 entspricht, die sich auf diesem vereinen und sich am anderen Ende in ebenso vielen Außenteilen 21 fortsetzen. Bei der dargestellten Konstruktion bilden zwei diametral gegenüberliegende Strukturschaufeln, die die Bezugszahl 22a haben, eine Ausnahme; diese Strukturschaufeln 22a sind an der Maschine in den Winkelstellungen von 12 Uhr und 6 Uhr angeordnet und sind geradlinig und gänzlich hohl (der Hohlraum ist in Fig. 3 mit 32 bezeichnet), um starre Rohre oder Steuerwellen aufzunehmen, die durch die Bahnen 7 und 8 hindurch den Außenbereich der Maschine mit den üblichen, in der Mitte der Maschine befindlichen Ausrüstungen wie z. B. Schmierpumpen, Elektromotoren usw. verbinden. Eine analoge Anordnung von Strukturschaufeln kann für den Durchlaß von Schläuchen vorgesehen werden, wobei es dann nicht stört, daß die Manschetten 29, wie ausgeführt und dargestellt, an weiteren Strukturschaufeln, die mit 22b bezeichnet und zwei an der Zahl sind und die so gewählt sein können, daß sie sich zu den vorherigen ungefähr im rechten Winkel befinden, schräg verlaufen. Diese Strukturschaufeln 22b verdoppeln sich nach außen; eine der Manschetten 29 und der Außenteil 21 in der Verlängerung sind hohl. Die anderen Strukturschaufeln 22 sind vorteilhafterweise in Ihrem Außenteil 21 massiv, was sie widerstandsfähiger gegen Stöße macht. Die Primärarme 27 sowie auch die Manschetten 29 können alle hohl sein.
• Es wird eine Schweißnaht 26 hergestellt, um das Ende jedes Außenteils 21 an der Außenhaut 10 zu befestigen. Die Verbindung kann durch Verschrauben hergestellt werden.
• Es ist festzustellen, daß die erfindungsgemäßen Strukturschaufeln 22 dreimal weniger zahlreich sein müssen als bei der bekannten Lösung, bei der alle Schaufeln Strukturschaufeln sind und dabei den gleichen Kräften standhalten. Durchschnittlich sind also abwechselnd zwei aerodynamische Schaufeln 20 und eine Strukturschaufel 22 angeordnet, jedoch sind Unregelmäßigkeiten in der Verteilung möglich, insbesondere wegen der geradlinien Schaufeln 22a, die eine andere Form haben.

Claims (10)

1. Turbomaschinenanordnung mit einem ersten, einem zweiten, einem dritten und einem vierten kreisförmigen Gehäuse mit kleiner werdenden, konzentrischen Durchmessern, wobei das erste und das zweite Gehäuse (2, 10) eine Mantelstrombahn (8) umgrenzen und das dritte und das vierte Gehäuse (14, 5) eine Primärstrombahn (7) umgrenzen, wobei die Mantelstrombahn mit feststehenden Gasleitschaufeln (20), die sich nicht über das erste und das zweite Gehäuse hinaus erstrecken, sowie mit Außenteilen (21) von feststehenden Stützschaufeln (22), die sich vom ersten bis zum vierten Gehäuse erstrecken, besetzt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Außenteile (21) zwischen dem dritten und dem vierten Gehäuse durch Stützarme (27) und zwischen dem zweiten und dem dritten Gehäuse durch dazwischen angeordnete Manschetten (29) verlängert werden, und daß die Leit- und Stützschaufeln (20, 21) abwechselnd gruppenweise an einer einzigen Umfangslinie angeordnet sind, und daß die Manschetten (29) schräg und zwischen den Stützarmen und den Außenteilen (21) der Stützschaufeln verzweigt angeordnet sind.

2. Turbomaschinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln aus einem anderen Material hergestellt sind als die Stützschaufeln.

3. Turbomaschinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Manschetten (29) hohl sind.

4. Turbomaschinenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest manche Stützschaufeln hohl sind und Leitungen (22a, 22b) bilden.

5. Turbomaschinenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest manche Leitungen (22a) gerade sind.

6. Turbomaschinenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei gerade Leitungen (22a) aufweist, die einander diametral gegenüberliegen, wobei sich die Strukturschaufeln, mit Ausnahme der genannten zwei geraden Leitungen, an den Außenteilen (21) verdoppeln.

7. Turbomaschinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenteile der Stützschaufeln zum größten Teil massiv sind und die Leitschaufeln hohl sind.

8. Turbomaschinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (20) am ersten Gehäuse (2) befestigt sind und vom zweiten Gehäuse (10) getrennt sind.

9. Turbomaschinenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen von Leitschaufeln (20) durch jeweilige Flansche (24) fest verbunden sind, die am ersten Gehäuse (2) angeschraubt sind.

10. Turbomaschinenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenteile (21) der Stützschaufeln (22) durch Flansche (25) fest verbunden sind, die am ersten Gehäuse (2) angeschraubt sind, und am zweiten Gehäuse (10) angeschweißt (26) sind.