DE69817638T2

DE69817638T2 - Kompressionssystem für eine Turbomaschine

Info

Publication number: DE69817638T2
Application number: DE69817638T
Authority: DE
Inventors: Alain Marie Joseph Lardellier
Original assignee: SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1997-02-20
Filing date: 1998-02-18
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2018-02-19
Also published as: EP0860593A1; DE69817638D1; CA2230002A1; FR2759734A1; EP0860593B1; JPH10238364A; FR2759734B1; JP4095150B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine mit einem optimierten Verdichtungssystem. Sie ist insbesondere auf Turboproptriebwerke oder Turbobläser anwendbar.
Die herkömmlichen Zweiwellen-Turboproptriebwerke oder -Turbobläser weisen im allgemeinen unabhängig rotierende Niederdruck- und Hochdruck-Rotorgruppen auf, wobei jede Gruppe einen Verdichter und eine diesen Verdichter antreibende Turbine umfaßt und wobei der Niederdruckverdichter wenigstens teilweise in den Hochdruckverdichter zurückdrückt und die Niederdruckturbine stromabwärts der Hochdruckturbine montiert ist; die Niederdruck-Rotorgruppe ist entweder über ein Untersetzungsgetriebe mit einem Propeller verbunden (Fall des Turboproptriebwerks), wie dies insbesondere in dem Dokument FR-A-1 107 990 beschrieben ist, oder direkt mit einem Bläser (Fall des Turbobläsers).
Beim Motoren mit hohem Verdichtungsverhältnis erfordert diese Struktur jedoch eine große Zahl von Verdichter- und Turbinenstufen, wodurch die Kosten des Motors erhöht werden.
Um die Zahl der Verdichterstufen zu verringern, ist es bekannt, eine Dreiwellen-Turbomaschine zu verwenden, die es erlaubt, die Verdichtung auf drei Verdichter zu verteilen, die durch drei zugehörige Turbinen angetrieben werden. Allerdings ist eine Dreiwellenstruktur komplex und immer noch mit hohen Kosten verbunden.
Es ist das Ziel der Erfindung, eine Turbomaschine anzugeben, deren Architektur eine Verringerung der Verdichter- und Turbinenstufen durch eine bessere Anpassung der Geschwindigkeiten der Hochdruck- und Niederdruckverdichter ermöglicht und die weniger komplex und weniger teuer ist als Dreiwellen-Turbomaschinen.
Zu diesem Zweck sieht die Erfindung vor, daß der Niederdruckverdichter von der Hochdruckturbine über ein Untersetzungsgetriebe angetrieben wird.
Die Verwendung eines Untersetzungsgetriebes für den Antrieb des Niederdruckverdichters ermöglicht es, die Arbeit der Verdichter und der Turbinen durch Anspassung ihrer Drehzahlen zu optimieren, und erlaubt so eine Reduzierung der Stufenzahl der Verdichter und der Turbinen.
Erfindungsgemäß ist die Turbomaschine mit optimiertem Verdichtungssystem, die eine Hochdruckturbine besitzt, die einen ersten Hochdruckverdichter antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem wenigstens einen zweiten Niederdruckverdichter aufweist, der von der Hochdruckturbine über ein Untersetzungsgetriebe angetrieben wird.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, die lediglich als Beispiel dient und auf die anliegenden Zeichnungen Bezug nimmt.
1 zeigt einen axialen Längshalbschnitt eines ersten Beispiels für die Turbomaschinenarchitektur nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 zeigt einen axialen Längshalbschnitt einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung,
3 zeigt einen axialen Längshalbschnitt einer zweiten Ausführungsvariante der Erfindung,
4 zeigt einen axialen Längshalbschnitt nach einem zweiten Ausführungbeispiel der Erfindung.
In der ganzen Beschreibung werden die Bezeichnungen Hoch-, Mittel- und Niederdruck relativ zueinander benutzt. Die in 1 dargestellte Turbomaschine weist einen Niederdruckverdichter 1 auf, der mit einem ringförmigen Lufteinlauf 2 verbunden ist. Der Ausgang des Niederdruckverdichters ist über ein Zwischengehäuse 4 mit einem Hochdruckverdichter 3 verbunden. Am Ausgang des Hochdruckverdichters 3 wandert die komprimierte Luft in eine Brennkammer 5, die Hochdruck- und Niederdruckturbinen 6, 7 mit heißen Gasen speist. Stromabwärts der Niederdruckturbine 7 ist ein Gasauspuffgehäuse 8 angeordnet.
Die Niederdruckturbine 7 ist über eine Niederdruckwelle 10 und über ein erstes Untersetzungsgetriebe, das in der vorderen Hülle der Turbomaschine montiert ist, mit einem Propeller 9 verbunden. Die Niederdruckturbine 7 und die Niederdruckwelle 10 sind in Lagern 11 bzw. 12 gelagert, wobei diese Lager 11, 12 von dem Gasauspuffgehäuse 8 bzw. dem Gehäuse 14 des Untersetzungsgetriebes gehalten werden. Das erste Untersetzungsgetriebe, das den Propeller antreibt, ist von bekannter Bauart. Bei dem in 1 dargestellten Beispiel besitzt das erste Untersetzungsgetriebe einen ersten Zahnkranz 15, der mit der Niederdruckwelle 10 der Niederdruckturbine 7 fest verbunden ist, wobei dieser erste Zahnkranz 15 Satelliten antreibt und jeder dieser Satelliten ein erstes und ein zweites Zahnritzel 16, 17 aufweist. Das zweite Zahnritzel 17 kämmt mit einem zweiten Zahnkranz 18, der mit einer den Propeller 9 tragenden Welle 19 fest verbunden ist.
Die Hochdruckturbine 6 ist über eine Hochdruckwelle 20 mit dem Hochdruckverdichter 3 verbunden. Die Hochdruckturbine 6 treibt auch den Niederdruckverdichter 1 über ein zweites Untersetzungsgetriebe an, das in der vorderen Hülle der Turbomaschine montiert ist und eine Optimierung der Drehzahl des Niederdruckverdichters 1 ermöglicht. Das zweite Untersetzungsgetriebe weist einen dritten Zahnkranz 21 auf, der mit der Hochdruckwelle 20 fest verbunden ist, wobei dieser dritte Zahnkranz 21 Satelliten antreibt und jeder dieser Satelliten ein drittes und ein viertes Zahnritzel 22, 23 umfaßt, wobei das dritte Zahnritzel 23 mit einem vierten Zahnkranz 24 kämmt, der auf einer mit dem Niederdruckverdichter 1 verbundenen Welle 25 befestigt ist.
Der Niederdruckverdichter ist in Lagern 26, 27 gelagert, die sich an dem Zwischengehäuse 4 und an dem Gehäuse 14 der beiden Untersetzungsgetriebe abstützen.
Der Hochdruckverdichter 3, die Hochdruckturbine 6 und die Hochdruckwelle 20 sind in Lagern 28, 29, 30 gelagert, die an dem mittleren Gehäuse 4, an dem Gehäuse 13 der Niederdruckturbine 7 bzw. an dem Gehäuse 14 der beiden Untersetzungsgetriebe befestigt sind.
Eine erste Variante der Turbomaschine, die in 2 dargestellt ist, hat eine ähnliche Konstruktion wie die in 1 dargestellte. Der Propeller wurde durch einen Bläser 31 ersetzt, und das erste Untersetzungsgetriebe wurde weggelassen. Der Bläser wird also direkt von der Niederdruckturbine 7 angetrieben. Der Niederdruckverdichter ist durch einen Mitteldruckverdichter 32 ersetzt, der von der Hochdruckturbine 6 über ein Untersetzungsgetriebe 33 angetrieben wird, das in der vorderen Hülle der Turbomaschine angeordnet ist. Diese Konstruktion hat den Vorteil, daß sie die Verdichtung zweckmäßig auf den Mitteldruckverdichter und den Hochdruckverdichter aufteilt, indem sie ihre Drehzahlen so anpaßt, daß mit dem Minimum an Stufen maximale Effizienz erreicht wird.
Die zweite Variante der Turbomaschine, die in 3 dargestellt ist, hat eine ähnliche Konstruktion wie die in 1 dargestellte. Der Propeller ist, wie in 2, durch einen Bläser 31 ersetzt, dieser wird jedoch von der Niederdruckturbine 7 über ein erstes Untersetzungsgetriebe 34 angetrieben, das sich in der vorderen Hülle der Turbomaschine befindet.
Die Verwendung eines Bläsers, der über ein Untersetzungsgetriebe angetrieben wird, soll keine Beschränkung darstellen, die Niederdruckturbine 7 kann auch, wie in 1 und 2 dargestellt, entweder über ein Untersetzungsgetriebe einen Propeller oder einen Propeller einen Bläser antreiben.
Der Mitteldruckverdichter 32 wird von der Hochdruckturbine 6 über ein zweites Untersetzungsgetriebe 35 angetrieben, das zwischen dem Mitteldruckverdichter 32 und dem Hochdruckverdichter 3 angeordnet ist. Die räumliche Anordnung des zweiten Untersetzungsgetriebes ist besonders aus dynamischer Sicht vorteilhaft, da sie es ermöglicht, die Länge der Hochdruckwelle 20 zu verringern und ein Wälzlager 48 vorzusehen, das der Niederdruckwelle 10 als Lager dient. Um mit den bereits beschriebenen Architekturen (1 und 2) das gleiche Ergebnis zu erzielen, wäre es notwendig, zwischen der Hochdruckwelle 20 und der Niederdruckwelle 10 ein Zwischenwellen-Wälzlager vorzusehen.
Die in 1 bis 3 dargestellten Architekturen von Turbomaschinen ermöglichen es, die Verdichtung auf zwei axiale Verdichter aufzuteilen.
Die Erfindung ist in gleicher Weise auf eine Turbomaschine anwendbar, deren Verdichterzahl größer ist als zwei. 4 zeigt ein Beispiel für eine Turbomaschinenarchitektur mit zwei axialen Niederdruck- und Mitteldruckverdichtern 40, 41 und einem Hochdruck-Zentrifugalverdichter 42.
Die Niederdruckturbine 10 treibt über ein erstes Untersetzungsgetriebe 34 einen Bläser 31 an. Die Hochdruckturbine 6 treibt den Hochdruck-Zentrifugalverdichter 42 direkt und die Niederdruck- und Mitteldruckverdichter 40, 41 über ein zweites Untersetzungsgetriebe 47 an. Das erste und das zweite Untersetzungsgetriebe 34, 47 sind in der vorderen Hülle der Turbomaschine angeordnet.
Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt, die hier im Detail beschrieben wurden. Insbesondere stellen die in 1 bis 4 dargestellten Anordnungen der Untersetzungsgetriebe keine Beschränkung dar, es können vielmehr auch andere Anordnungen verwendet werden. Desgleichen kann die räumliche Anordnung des Untersetzungsgetriebes, das die Niederdruck- und/oder Mitteldruckverdichter antreibt, eine andere sein. Die Zahl der Verdichter kann größer sein als drei.

Claims

Turbomaschine mit optimiertem Verdichtungssystem mit einer Hochdruckturbine, die einen als Hochdruckverdichter ausgebildeten ersten Verdichter antreibt, mit einem von einer Niederdruckturbine (7) über ein erstes Untersetzungsgetriebe (15, 16, 17, 18) angetriebenen Propeller (9) und mit wenigstens einem als Niederdruckverdichter ausgebildeten zweiten Verdichter (1), dadurch gekennzeichnet, daß der als Niederdruckverdichter ausgebildete zweite Verdichter von der Hochdruckturbine (6) über ein zweites Untersetzungsgetriebe (21, 22, 23, 24) angetrieben wird.
Turbomaschine mit optimiertem Verdichtungssystem mit einer Hochdruckturbine, die einen als Hochdruckverdichter ausgebildeten ersten Verdichter antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem einen von einer von einer Niederdruckturbine (7) über ein erstes Untersetzungsgetriebe (15, 16, 17, 18) angetriebenen Bläser (31) und wenigstens einen als Niederdruckverdichter ausgebildeten zweiten Verdichter (1) aufweist, der von der Hochdruckturbine (6) über ein zweites Untersetzungsgetriebe (21, 22, 23, 24) angetrieben wird.
Turbomaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bläser (31) von der Niederdruckturbine (7) direkt angetrieben wird.
Turbomaschine mit optimiertem Verdichtungssystem mit einer Hochdruckturbine, die einen ersten Hochdruckverdichter antreibt, und mit einem von einer Niederdruckturbine (7) über ein erstes Untersetzungsgetriebe (15, 16, 17, 18) angetriebenen Propeller (9), dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem einen als Mitteldruckverdichter ausgebildeten zweiten Verdichter (32) aufweist, der von der Hochdruckturbine (6) über ein zweites Untersetzungsgetriebe (21, 22, 23, 24) angetrieben wird.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen als Niederdruckverdichter ausgebildeten zweiten Verdichter (40) und einen als Mitteldruckverdichter ausgebildeten dritten Verdichter (41) aufweist, wobei der zweite und der dritte Verdichter von der Hochdruckturbine (6) über ein zweites Untersetzungsgetriebe angetrieben werden.
Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Untersetzungsgetriebe in dem vorderen Gehäuse der Turbomaschine angeordnet ist.
Turbomaschine nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Untersetzungsgetriebe zwischen dem Mitteldruckverdichter und dem Hochdruckverdichter angeordnet ist.