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Brennkraftturbine mit Einrichtung zum Ausgleich des Axialschubes Die
Erfindung bezieht sich auf Brennkraftturbinen, die mit einem Kreiselverdichter mit
axialem Ein- und Austritt versehen sind, welcher Luft einer oder mehreren Brennkammern
zuführt; aus diesen Brennkammern werden die Brenngase einer Axialturbine zugeführt,
deren Rotor gleichachsig mit den Rotoren des Verdichters angeordnet ist und diesen
unter Vermittlung einer direkt wirkenden umlaufenden Übertragungsanordnung antreibt.
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Gemäß der Erfindung ist eine derartige Brennkraftturbine dadurch weiter
vervollkommnet, daß Mittel vorgesehen sind, um die Axialdrücke aufzunehmen, die
auf die Rotoren des Verdichters und die Turbine ausgeübt werden, und zwar infolge
des Einwirkens der gasförmigen Arbeitsmittel, d. h. der Luft und der Verbrennungsprodukte
auf diese Rotoren.
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Gemäß der Erfindung weist die Umlaufverbindung zwischen den Rotoren
des Verdichters und der Turbine bei einer Brennkraftturbine der geschilderten Art
konzentrisch angeordnete Umlaufglieder auf, die jeweils mit den beiden Rotoren verbunden
sind, derart, daß sie sich ihnen gegenüber nicht in axialer Richtung bewegen können;
die Umlaufglieder weisen Teile auf, die miteinander zusammenwirkend wenigstens eine
aus Kolben und
Zylinder bestehende Einrichtung bilden; Kolben und
Zylinder umschließen hierbei einen - nachstehend als Druckkammer bezeichneten -
Raum, dem von einer geeigneten Stelle des Verdichters aus Druckluft zugeführt wird.
Die Anordnung ist hierbei so getroffen, daß die Druckluft in der Achsrichtung jedoch
in entgegengesetzten Richtungen auf die einzelnen Teile der Kolben- bzw. Zylinderanordnung
einwirkt; auf diese Weise werden auf die Rotoren Axialkräfte ausgeübt, die den axialen
Belastungen entgegenwirken, welche infolge des Einwirkens der Arbeitsmittel auf
die Rotoren auf diesen lasten.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist einer der beiden konzentrisch
angeordneten umlaufenden Teile mit mehreren im Abstand voneinander angeordneten
Kolben od. dgl. versehen, während der andere konzentrisch umlaufende Teil Gegenstücke
trägt, die mit den erwähnten Kolben mehrere Zylinderanordnungen bilden, und die
von ihnen gebildeten Kammern sind der Druckluft ausgesetzt, die dem Verdichter entnommen
wird; außerdem sind diese Kammern so angeordnet, daß die von der Druckluft auf die
Rotoren in axialer Richtung ausgeübten Kräfte der Summe jener Kräfte entsprechen,
welche auf die die Kolben- und Zylinderanordnung bildenden Teile ausgeübt werden.
Daher können für einen bestimmten Luftdruck die Größenabmessungen der Kolben- und
Zylinderanordnungen klein sein im Verhältnis zu der Summe der- Axialgegendruckkräfte,
die auf die beiden Rotoren mittels dieser Anordnung ausgeübt werden.
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Die Kolben- und Zylinderanordnung kann zwischen den Rotoren der Turbine
und des Verdichters liegen. Die Anordnung kann aber auch auf der gemeinsamen Achse
von Verdichter und Turbine; je-
doch außerhalb der Rotoren, angeordnet sein.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt die Anordnung auf der dem Verdichter
abgewandten Seite der Turbine; hier ist also der Größendurchmesser der Kolben- und
Zylinderanordnung nicht durch eine oder mehrere sie umgebende Kammern begrenzt.
Andererseits können bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die die Kolben-und
Zylinderanordnung tragenden beiden gleichachsig angeordneten Umlaufglieder auch
auf der der Turbine abgewandten Seite des Verdichterrotors liegen. Auch hier ist
der größere Durchmesser der Kolben- und Zylinderanordnung nicht durch das Vorhandensein
von einer oder mehreren umgebenden Druckkammern beschränkt.
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In jedem Fall aber sind Übertragungsglieder vorgesehen, um das Drehmoment
von einem Rotor auf den anderen zu übertragen, und zwar unabhängig von der Kolben-
und Zylinderanordnung; hierzu findet eine Kupplung Anwendung, die wenigstens im
begrenzten Maße eine Axialverstellung zuläßt. Das eine der beiden konzentrisch zueinander
angeordneten Umlaufglieder, und zwar zweckmäßig das äußere, ist so angeordnet, daß
es das auftretende Drehmoment zwischen den Rotoren des Verdichters und der Turbine
überträgt; daher ist es mit einem der Rotoren derart verbunden, daß ihm gegenüber
weder eine Verdrehung noch eine Axialverstellung stattfinden kann; die Verbindung
mit dem anderen Rotor jedoch ist so durchgeführt, daß eine Relativverdrehung verhindert
wird, aber eine Axialverstellung erfolgen kann; die Verbindung erfolgt hierbei zweckmäßig
mittels einer Zahnradkupplung.
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Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachstehenden
Beschreibung zweier in der Zeichnung veranschaulichter Ausführungsformen der Erfindung
hervor.
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Fig. i zeigt in Seitenansicht und teilweise im Mittellängsschnitt
eine Brennkraftturbinenanlage für ein Flugzeug, bei der die Druckausgleicheinrichtung
zwischen dem Verdichter und der Turbine angeordnet ist.
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Fig. 2 zeigt im größeren Maßstab und im Mittellängsschnitt die bei
der Anordnung nach Fig. i verwendete Ausgleicheinrichtung.
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In den Fig. 3 und 4 ist eine Abänderungsform der Brennkraftturbinenanlage
entsprechend den Darstellungen der Fig. i und 2 veranschaulicht. Bei dieser Ausführungsform
liegt die Druckausgleicheinrichtung im hinteren Ende der Turbine.
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Bei der Ausführungsform nach den Fig. i und 2 besteht die Kraftanlage
aus einem Mehrstufenverdichter i mit axialem Ein- und Auslaß. Dieser Verdichter
befördert die Luft zu den vorderen Enden mehrerer Brennkammern 2, deren hintere
Enden an das Gehäuse einer Turbine 3 angeschlossen sind. Haben die Verbrennungsprodukte
die Turbinenschaufeln 4 passiert, so gelangen sie in einen Auspuffkanal 18, aus
dem sie in Strahlform austreten. Turbine und Verdichter sind in der üblichen Weise
mit ihren Rotoren gleichachsig zueinander angeordnet.
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Der Rotor des Verdichters weist eine Hohlwelle 5 auf, die an ihren
Enden in Lagern 6 ruht, von denen nur das hintere in der Zeichnung dargestellt ist.
Diese Lager werden von dem Verdichtergehäuse getragen. Auf den üblichen Rotorscheiben
7 sitzen die umlaufenden Schaufelkränze B. Der Rotor der Turbine 3 hat eine Hohlwelle
9, die an ihrem rückwärtigen Ende, das einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser
aufweist, in einem Lager io im Turbinengehäuse liegt. Auf einem vor diesem Lager
befindlichen im Durchmesser etwas größeren Abschnitt der hohlenTurbinenachse sitzen
drei Scheiben i i, die die üblichen umlaufenden Schaufelkränze tragen. Das vordere
Ende der Turbinenwelle 9 geht in einen etwa trommelartig ausgebildeten Abschnitt
12 über, der einen wesentlich größeren Durchmesser als die Welle 9 aufweist. Das
vordere Ende dieses trommelartigen Abschnittes 12 ist fest mit einem zylindrischen
Ansatz 13 - nachstehend als Umlaufzylinderbezeichnet-verbunden; das vordere Ende
dieses Umlaufzylinders steht mit dem rückwärtigen Ende der Welle 5 des Verdichterrotors
durch eine Kupplung 14 (Fig. 2) in Verbindung, deren innerer Teil 15 mittels Feder
und Nut mit dem hinteren Ende der Verdichterwelle 5 verbunden, ist. Der äußere Kupplungsteil
16 weist an
seinem Umfang radial gerichtete Zähne oder Keile 17
auf, die mit einer Verzahnung an der Innenseite des vorderen Endes des Umlaufzylinders
13 im Eingriff stehen. Die Anordnung ist derartig getroffen, daß der Umlaufzylinder
13 die Drehbewegung unmittelbar vom Turbinenrotor-9 auf den Verdichterrotor 5 überträgt;
dabei ist in be grenztem Maße eine relative Verstellung in Achsrichtung zwischen
dem Umlaufzylinder 13 und dem Verdichterrotor 5 möglich, und zwar wegen der Verwendung
der beschriebenen Verzahnungskupplung.
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Mit dem hinteren Ende der Verdichterwelle 5 ist das vordere Ende eines
Rohrkörpers 21 unter Vermittlung eines Kugelgelenkes 2o verbunden. Der Rohrkörper
21 liegt im Inneren, und zwar in einem beträchtlichen radialen Abstand von der Innenwandung
des Umlaufzylinders 13.
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Die Verbindung 2o weist zwei kugelige Teile 22, 23 auf, die auf dem
Rohrkörper 21 sitzen und mittels eines Flansches 24 in a-kialer Ausrichtung gesichert
sind. Die Verdichterwelle 5 weist eine entsprechende hohlkugelartige Aussparung
auf, die mittels eines Sicherungsringes 25 verschließbar ist. Diese Verbindung läßt
also die Übertragung von Axiäldrücken zwischen Verdichterwelle 5 und dem Rohrkörper
21 in beiden Richtungen zu und gestattet gleichzeitig eine gewisse Schrägverstellung
der Achsen dieser beiden Teile zueinander.
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Das hintere Ende des inneren Rohrkörpers 21 ist vermittels eines Dichtungsgliedes
26, das eine Axialverstellung zuläßt, mit einem dünnwandigen Rohr 27 verbunden.
Dieses Rohr liegt gleichachsig zu dem trommelartigen Teil 12 und ist an seinem hinteren
Ende mit der Turbinenrotorwelle 9 verbunden. Auch das hintere Ende des Rohrkörpers
21 ist in dem Umlaufzylinder 13 in zentrierter Stellung gehalten, und zwar mittels
eines Tragringes 28; in diesem Tragring sind im Abstand voneinander vorgesehene
Öffnungen 29 angeordnet. Der Tragring legt sich verschiebbar gegen die Innenwandung
des trommelartigen Teiles 12. Auf dem inneren Rohrkörper 2i sind mehrere im Abstand
voneinander angeordnete Ringscheiben 30 vorgesehen, die nach Art von Kolben wirken.
Jede Ringscheibe hat einen etwa zylindrischen Nabenteil 31, der sich einseitig in
axialer Richtung von der Scheibe aus erstreckt und so ein Abstandsstück bildet,
das die Scheibe von der Nachbarscheibe im Abstand hält. Die Scheiben 30 stützen
sich in Axalrichtung auf einem Schulteransatz 32 ab, der an dem einen Ende des Rohrkörpers
21 vorgesehen ist, am anderen Ende werden die Scheiben durch einen Klemmring 33
gesichert. An ihrem Außenumfang weist jede der Naben 31 eine Ringnut auf, in der
sich ein nachgiebiger Dichtungsring 34 befindet; außerdem weist jede Scheibe 3o
an ihrem Außenumfang eine Ringnut mit darin angeordnetem nachgiebigem Dichtungsring
35 auf.
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Innerhalb des Umlaufzylinders 13 sind mehrere im Abstand voneinander
angeordnete Ringscheiben 36 fest angeordnet, die jede einen rohrförmigen sich einseitig
von der Scheibe aus in axialer Richtung erstreckenden Ansatz 37 tragen. .Mit der
zylindrischen Innenfläche eines jeden dieser rohrförmigen Ansätze wirkt einer der
Dichtungsringe 35 im Außenumfang der Ringscheibe 30 zusammen. Jede der von dem Umlaufzylinder
13 getragenen Scheiben weist andererseits an ihrem Innenumfang eine Zylinderfläche
auf, die mit einem der Dichtungsringe 34 in- den Nuten der Naben 31 der Ringscheiben
30 zusammenwirkt. Die Scheiben 36 sind in Axialrichtung zwischen einem im
Umlaufzylinder 13 vorgesehenen inneren Schulteransatz 38 und einem Klemmring 39
eingespannt.
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Die einerseits von dem Rohrkörper 21 und andererseits von dem Umlaufzylinder
13 getragenen, im Abstand voneinander gehaltenen Scheiben 30, 36 bilden gewissermsßer,
eine Kolben- und Zylinderanordnung, wobei jeH-eils ein Scheibenpaar den Ringraum
umschließt, ser durch die Dichtungsringe 34, 35 abgedichtet ist.
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Immer nur jede zweite Kammer 4o bildet einen Druckraum, und zwar sIvnd
diese jeweils diejenigen Kammern, die auf der dem Verdichter zugewandten Seite der
Scheiben 3o liegen. Die Räume befinden sich also auf der der Turbine zugewandten
Seite einer jeden Scheibe 36. Jede Druckkammer 4o sieht mit einer Druckluftquelle
in Verbindung, während die zwischen den Druckkammern liegenden Räume 41 mit einem
Raum niedrigen Druckes in Verbindung stehen.
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Aus den genannten Gründen wird ein Teil der unter hohem Druck stehenden
aus dem Verdichter i austretenden Luft durch den Kanal 42 radial nach innen geführt,
welcher zwischen einer benachbarten Rotor- und Statorscheibe des Verdichters vorgesehen
ist. Durch diesen- Kanal gelangt die Druckluft in eine innerhalb der Verdichterwelle
5 liegende mittlere Leitung 43, die mit dem vorderen Ende des Rohrkörpers 21 in
Verbindung steht. In dem Rohrkörper 21 sind mehrere Öffnungen 44 ringförmig angeordnet,
durch die die Druckluft in die einzelnen Druckkammern 4o treten kann. Idas Innere
des Rohrkörpers 21 steht auch mit dem Rohr 27 und damit mit dem Inneren der Turbinenwelle
9 in Verbindung. Die Turbinenwelle hat ihrerseits mehrere Bohrungen 45, durch die
die Druckluft hindurchgelangt, um die Rotorscheiben i i der Turbine zu kühlen. Der
Durchtritt der Luft durch die Öffnungen 45 ist jedoch gedrosselt; auf diese Weise
wird der Druck oberhalb des Rohrkörpers 21 und infolgedessen auch innerhalb der
Druckkammern auf einem geeigneten, verhältnismäßig hohen Wert gehalten.
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Die Niederdruckkammern 41 andererseits stehen über Öffnungen 46 in
den Kammeraußenwandungen mit Räumen niedrigen Druckes in Verbindung. Hierzu dienen
auch die in dem trommelartigen Teil 12 vorgesehenen Entlüftungsöffnungen 47, die
mit einem vom Brennkammersystem der Kraftanlage unabhängigen Raum niedrigen Druckes
in Verbindung stehen.
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Aus vorstehendem ergibt sich, daß der in den Druckks,mmern 4o befindliche
hohe Luftdruck, der auf die Scheiben 30 und 36 einwirkt, das Bestreben
hat,
die Verdichterwelle 5 und die Turbinenwelle 7 in Verbindung zueinanderzuziehen;
damit wirkt die Druckluft ganz oder teilweise den axialen Kräften entgegen, die
auf die Verdichter- und Turbinenrotoren einwirken und das Bestreben. haben, diese
Rotoren auseinanderzudrücken; diese Kr=äfte werden ausgelöst durch die Einwirkung
des Arbeitsmittels auf die Rotorschaufeln. Bei der geschilderten Anordnung stehen
also sowohl das hintere Ende der Verdichterwelle 5 als auch der ganze trommelartige
Teil 12 unter Zugbeanspruchung.
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Bei der Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 entsprechen die Verdichter,
die Brennkammern und die Turbine den gleichen Teilen wie bei der Ausführungsform
nach den Fig. i und 2. Die Turbinenwelle 9 steht in drehmomentübertragender Verbindung
mit der Verdichterwelle, und zwar durch den trommelartigen Teil 12, der mit der
Verdichterwelle über die Verzahnungskupplung 14 verbunden ist. Gleiche Teile sind
der Übersichtlichkeit halber mit den gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. i und
2 bezeichnet. Bei dieser Ausführungsform wird in axialer Richtung nach außen ausgeübten
Drücken auf den Verdichter und die Turbine mittels einer Druckkolbenausgleicheinrichtung
entgegengewirkt, die auf der dem Verdichter abgewandten Seite der Turbine angeordnet
ist, und zwar innerhalb des für gewöhnlich freien Raumes, der innerhalb- der Auspuffleitung
18 liegt und von einer annähernd kegelförmigen Wändung So abgeschlossen ist. Zu
diesem Zweck ist das hintere außen in einem Lager 5 i unterstützte Ende der Turbinenwelle
9 mit einem Ansatz 52 versehen, der über eine Klauenkupplung 54 mit einer Flanschscheibe
53 drehbar verbunden ist. Die Flanschscheibe 53 ist mittels einer Mutter 55 an einem
Verschlußstück 56 fest angeordnet, das seinerseits z. "B. durch Schweißen mit einem
rohrförmigen Spannglied od. dgl. 57 fest verbunden ist. Dieses Spannglied erstreckt
sich durch die hohle Turbinenwelle 9 und den trommelartigen Teil i2; es ist an seinem
vorderen Ende mit der Verdichterwelle 5 durch eine Kugelgelenkkupplung 58 verbunden,
die der Kupplung 2o bei der Ausführungsform nach den Fig. i und 2 entspricht. Auf
die Flanschscheibe 53 in axialer Richtung ausgeübte Drücke werden also unter Vermittlung
des hohlen Spanngliedes 57 auf die Verdichterwelle übertragen.
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Der Umfang der Flanschscheibe liegt innerhalb einer an sich offenen
Zylindertrommel 6o, die mit einer zweiten Flanschscheibe 61 aus einem Stück besteht.
Die. Scheibe 61 ist mittels einer Haltemutter 62 in axialer Richtung fest auf der
Turbinenwelle 9 angeordnet. Die Mutter 62 drückt die Flanschscheibe 61 fest gegen
mehrere Teile 63, 64, 65, 66, welche Bestandteile einer Lageranordnung 5 i - bilden,
die alle mit der Turbinenwelle 9 zusammen umlaufen und sich gegen einen an dieser
Welle vorgesehenen Schulteransatz 67 abstützen. Jeder in axialer Richtung auf die
Flanschscheibe 61 ausgeübte Druck wird also unmittelbar auf die Turbinenwelle 9
übertragen. Andererseits läuft die Flanschscheibe 61 mit dei Turbinenwelle und damit
auch in gleicher Geschwindigkeit mit der Flanschscheibe 53 um.
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Am Umfang der Flanschscheibe 53 ist ein ringförmiger biegsamer Dichtungsring
68 befestigt; dei mit der Innenwandung der Trommel 6o in Berührung steht und so
mit ihr zusammen eine dichte Verbindung schafft, wobei dennoch eine leichte Relativverstellung
zwischen diesen Teilen in axialer Richtung stattfinden kann. Der Dichtungsring 68
besteht zweckmäßig aus nachgiebigem Baustoff; auf jeden Fall wird er beim Umlauf
der Flanschscheibe 53 unter dem Einfluß der Fliehkraft nach außen gedrückt und mit
der Wandungsfläche der Trommel 6o in Berührung gehalten.
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Die ringförmige, zwischen der Flanschscheibe53 und der flanschartigen
Trommelscheibe 60, 61 eingeschlossene Kammer 70 steht mit dem Innenraum des
hohlen Spanngliedes 57 durch Öffnungen in Verbindung, die in der Klanenkupplung
54 liegen, und außerdem durch die Öffnungen 71 in der Wandung selbst. Wie
schon erwähnt, ist das hintere Ende des hohlen Spanngliedes durch ein Verschlußstück
56 verschlossen; das vordere Ende des hohlen Spanngliedes steht mit der -Leitung
43 innerhalb der Verdichterwelle 5 in Verbindung; dieser Leitung wird in der gleichen
Weise wie in der Ausführungsform nach den Fig. i und 2 aus der Hauptauslaßöffnung
des Verdichters z Luft unter relativ hohem Druck zugeführt.
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Der innerhalb der Turbinenwelle g liegende Abschnitt des hohlen Spannungsgliedes
57 weist Öffnungen 72 auf, durch welche ein Teil der im Innern des Spanngliedes
57 befindlichen Druckluft zu Kühlungszwecken den Turbinenrotorscheiben zugeführt
wird; der Durchtritt der Luft durch diese Öffnungen ist jedoch derart gedrosselt,
daß der Druck innerhalb der Kammer 7o auf einem verhältnismäßig hohen Wert gehalten
wird.
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Der auf die Scheiben 53 und 61 mittels der in der Kammer 7o befindlichen
Druckluft ausgeübte Axialdruck setzt das Spannglied 57 unter eine Zugspannung und
übt auf die Turbinenwelle 9 einen Druck aus, was zur Folge hat, daß die Rotoren
der Turbine und des Kompressors gegeneinandergepreßt werden. Auf diese Weise wird
dem auf diese Rotoren in Richtung nach außen einwirkenden Axialdruck entgegengewirkt,
der durch das Arbeitsmittel auf seinem Wege durch die Kraftanlage ausgeübt wird.
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Aus dem in den Fig. 3 und 4 veranschaulichten Ausführungsbeispiel
liegt die Druckausgleicheinrichtung auf dem einen Eide der Turbine. Daher kann der
Durchmesser und der wirksame Querschnittsbereich der Kolbenanordnung entsprechend
groß gemacht werden, um einen entsprechend hohen Ausgleichdruck zu erzeugen, ohne
eine Vervielfachung der einzelnen Teile anwenden zu müssen.
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Die Höhe des in der Kammer 7o bei der Ausführungsform nach den Fig.
3 und 4 oder des in den Kammern 4o bei der Ausführungsform nach den Fig. i und 2
herrschenden Druckes hängt von
dem Lieferdruck des Verdichters ab.
Da der vom Verdichter gelieferte Drück sich in ähnlicher Weise ändert wie der Axialdruck,
welcher von der durch den Verdichter strömenden Luft auf diesen ausgeübt wird, kann
der Ausgleichdruck, der von der Druckau sgleichanordnung ausgeübt wird, in jedem
Fall so groß gemacht werden, daß er dem gewünschten Gegendruck entspricht.
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Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, daß die einzelnen der Druckluft
ausgesetzten Teile der Kolben- und Zylinderanordnungen als eine Einheit umlaufen;
zur Anwendung kommende Dichtungsmittel brauchen also nicht so beschaffen zu sein,
daß sie auch eine relative Drehbewegung zwischen den Kolben- und Zylinderteilen
zulassen; sie werden also lediglich durch die geringfügige Bewegung in axialer Richtung
beansprucht, die durch Wärmedehnung und -zusammenziehung bzw. durch Änderungen des
auf die Dichtungen einwirkenden Lufdruckes hervorgerufen wird.