DE2129985A1

DE2129985A1 - Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE2129985A1
Application number: DE19712129985
Authority: DE
Inventors: Bouiller Jean Georges; Lacroix Armand Jean-Baptist; Bauger Louis Jules
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1970-06-22
Filing date: 1971-06-16
Publication date: 1971-12-30
Also published as: FR2096708B1; US3768933A; FR2096708A1; CA942677A; GB1322421A; JPS5212324B1

Description

Paienvanv.'clfe
Dr. Ing. H. Negendank

Dipl. Ing. H. l-ü.uti-. Dipl. Phys. V/. Sdvr.iiz 8 Mönchen 15

Tel. 5300536

Societe" Nationale d'Etude et de
Construction de Moteurs d¹Aviation

150, Boulevard Haussmann 16. Juni 1971

75 - Paris, France Anwaltsakte M-1576

Gasturbinenanlage

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage mit einem Axialverdichter und einem Gebläse, das eine an einem Ringkörper befestigte jAußenbeschaufelung und ehe den Ringkörper mit einer Nabe verbinidende Innenbeschaufelung aufweist. Bei der Gasturbinenanlage han-

jdelt es sich insbesondere um ein Flugstrahltriebwerk; die Erfinjdung ist jedoch auch für eine industrielle Gasturbinenanlage anwendbar .

Der wesentliche Zweck eines Strahltriebwerkgebläses besteht darin, leinen sogenannten Sekundärstrom mit Luft zu versorgen. Der Sekundärstrom verläuft außerhalb des Verdichtergehäuses, um das Strahl-j triebwerk mit Verdünnungs- und Kühlluft zu versorgen. Der innere Teil des Gebläses befindet sich vor dem Verdichter und führt somit

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^! dem Verdichter im allgemeinen bereits geringfügig verdichtete Luft

Um die Befestigung der Gebläsebeschaufelung, die eine große Anzahl

' von Schaufeln aufweist, an einer Nabe verhältnismäßig kleinen Durchmessers zu erleichtern bzw. zu ermöglichen, ist es bereits

bekannt, die Beschaufelung in eine Außenbeschaufelung und eine

Innenbeschaufelung zu unterteilen, die durch einen Ringkörper voneinander getrennt sind. An dem Ringkörper sind die Schaufelfüße

der Außenbeschaufelung befestigt; der Ringkörper ist durch eine kleinere Anzahl von Schaufeln, die die Innenbeschaufelung bilden, mit der Nabe des Gebläses verbunden. Es versteht sich, daß der Ringkörper in dem verlängerten Verdichtergehäuse angeordnet ist, damit er die Strömung nicht stört.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gasturbinenanlage der eingangs angegebenen Art derart auszubilden, daß die Anzahl und die Masse der Schaufeln der Innenbeschaufelung ohne eine Erhöhung ihrer mechanischen Beanspruchung verringert werden können. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Schaufeln der Innenbeschaufelung mit ihrem Fuß an der Nabe und mit ihrem Kopf an dem Ringkörper jeweils um Achsen schwenkbar angeordnet sind, die parallel zur Drehachse der Nabe verlaufen und bezüglich des Umfangs der Nabe in der gleichen Richtung und unter dem gleichen Winkel geneigt sind.

Die Anordnung ist also derart getroffen ,daß die Ebenen, die die beiden Gelenkachsen einer Schaufel enthalten, in der Ruhestellung tangential zu einem idealen, zur Nabe koaxialen Zylinder verlaufen.

Im Betrieb übertragen die Schaufeln der Innenbeschaufelung das Drehmoment der Nabe auf den Ringkörper. Der Ringkörper dehnt sich ,unter der Wirkung der Zentrifugalkraft, die von der Außenbeschaufelung an ihn übertragen werden, elastisch aus, ohne daß irgendwelche Biegespannungen auf die sich bei der Schwenkbewegung ausrichtenden Schaufeln der Innenbeschaufelung übertragen werden und der Ringkörper örtlich verformt wird. Da die Schaufeln der Innenbeschaufelung bei der Übertragung des Drehmoments ausschließlich auf Zug beansprucht und keiner anderen mechanischen Beanspruchung ausgesetzt werden, können ihre Anzahl und Masse verringert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Schaufeln der Innenbeschaufelung "widerstandsfrei" angestellt,d.h. derart angestellt, daß sie am Auslegungspunkt keine aerodynamische Wirkung ausüben. Die Schaufeln der Innenbeschaufelung sind somit bei Vollast keiner aerodynamischen Beanspruchung ausgesetzt, wodurch ebenfalls ihre mechanische Festigkeit, d.h. ihre Masse, verringert werden kann.

Diese Ausführungsform hat ferner den Vorteil, daß die Innenbeschaufelung zumindest in der Nähe des Auslegungspunktes keinen Einfluß auf die in den Verdichter eintretende Luftströmung hat, wodurch insbesondere die Regelung des Triebwerks vereinfacht wird, da die Drehzahl des Verdichters unabhängig von der des Gebläses geregelt werden kann.

Anhand der Zeichnungen wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein erfindungsgemäßes ausgebildetes Strahltriebwerk,

Fig. 2 ein Geschwindigkeitsdiagramm, das die Anstellung der Innenbeschaufelung des Gebläses darstellt,

Fig· 3 eine perspektivische Ansicht der Anordnung der Gebläseschaufeln in vergrößertem Maßstab,

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Betriebsweise des Gebläses.

JDas Gastrubinen-Strahl triebwerk, dessen vorderer Abschnitt in Fig. 1 dargestellt ist, ist ein Dreiwellentriebwerk, das ein Gebläselaufrad 1 aufweist. Das Gebläse 1 ist vor einem Niederdruck-Axialverdichter 2 angeordnet, hinter dem sich ein Hochdruck-Axialverlichter facht gezeigt) befindet. Das Gebläselaufrad 1, der Nieder-Iruckverdichter 2 und der Hochdruckverdichter werden inobekannter reise jeweils von einer eigenen Turbine angetrieben. Die drei Tur- >inen sind hinter einer Brennkammer angeordnet, die von den Ver- * dichtem mit Verbrennungsluft versorgt werden. Die aus der letzten

Turbine austretenden Verbrennungsgase werden einer Schubdüse zugeführt um einen Antriebsstrahl zu bilden.

as Gebläselaufrad weist eine Nabe 3 auf, die mit einer von der etzten Turbine angetriebenen Welle 4 kraftschlüssig verbunden st. Der Rotor 5 des Niederdruckverdichters 2 ist mit einer koaxial: ur Welle 4 verlaufenden Welle (nicht gezeigt) kraftschlüssig ver-

)unden und wird von der zugehörigen Turbine angetrieben. Bei 7

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sieht man den vorderen Teil des Verdichtergehäuses, und bei 8 den vorderen Teil des Außenmantels des Strahltriebwerks. Im Betrieb gelangt die Luft, die bei 9 in das Strahltriebwerk eintritt, in das Gebläse 1, und sie wird von dem Niederdruckverdichter 2 und anschließend von dem Hochdruckverdichter verdichtet. Die Luft, die bei 10 in den äußeren Teil des Gebläses 1 eintritt, wird von ! dem Gebläse 1 verdichtet und gelangt durch ein Leitrad 11a in j einen Ringkanal 11, der zwischen einem das Verdichtergel·imse 7 , umgebenden Gehäuse 6 und dem Außenmantel 8 angeordnet ist; der Außenstrom versorgt das Triebwerk in an sich bekannter Weise mit yerdünnungs- und Kühlluft.

Die Turbine, die das Gebläse 1 antreibt, läuft mit verhältnismäßig! niedriger Drehzahl, so daß das Gebläse mit einer entsprechend niedrigen Umfangsgeschwindigkeit in der Größenordnung von 300m/sec! läuft, um möglichst wenig Geräusch zu erzeugen. Um jedoch dem

Kanal 11 Luft von genügend hohem Druck zuzuführen, muß das Gebläsej 1 ein Verdichtungsverhältnis in der Größenordnung von 1,55 liefern^

Zur Erzielung eines solchen Verdichtungsverhältnisses mit einer Be*- schaufelung, deren Umfangsgeschwindigkeit so gering ist, ist eine große Anzahl von Schaufeln erforderlich. Um die Schwierigkeiten, ; die die Befestigung einer großen Anzahl von Schaufeln an der kleinen Nabe mit sich bringt, und den Strömungswiderstand, den eine solche Anzahl von Schaufeln vor dem Verdichter hervorrufen würde, zu vermeiden, hat man die Beschaufelung in zwei Abschnitte unterteilt, und zwar in eine Außenbeschaufelung 12 mit einer großen Anzahl von Schaufeln (45 beim dargestellten Ausführungsbeispiel) und eine Innenbeschaufelung 14 mit einer kleinen Anzahl von Schaufeln (9 beim dargestellten Ausführungsbeispiel). Die Schaufel-

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füße der Außenbeschaufelung sitzen in einem Ringkörper 13, der stromaufwärts vom Verdichtergehäuse 7 angeordnet ist. Die Schaufeln der Innenbeschaufelung 14 sind mit ihrem Fuß an der Nabe 3 und mit ihrem Kopf an dem Ringkörper 13 angelenkt.

Die Anordnung der Beschaufelungen 12 und 14 ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Jede der Schaufeln 15 der Außenbeschaufelung ist mit einem Schaufelfuß 16 von trapezförmigen Querschnitt versehen, der in einer Längsnut 17 von entsprechendem Querschnitt auf der Außenseite des Ringkörpers sitzt, um eine schwalbenschwanzartige Einheit zu bilden. Jede der Schaufeln 18 der Innenbeschaufelung 14 ist mit einem Kopf 19, deijmehrere mit axialem Abstand angeordnete und radial nach außen gerichtete Ansätze 20 aufweist, und mit einem Fuß 21 versehen, der mehrere mit axialem Abstand zueinander und radial nach innen gerichtete Ansätze 22 aufweist. Die Ansätze 20 greifen zwischen kreisförmige Rippen 2 3 auf der Innenseite des Ringkörpers 13 ein, und sie sind mittels eines Zapfens 24, der sich durch Bohrungen der Ansätze und der Rippen erstreckt, schwenkbar angeordnet. Die schwenkbare Anordnung des Fußes einer jeden Schaufel 18 erfolgt in der gleichen Weise mittels einer Achse 25 die sich durch auf dem Umfang der Nabe 3 vorgesehene kreisförmige Rippen 26 und die Ansätze 22 erstreckt, die zwischen die Rippen greifen bzw. beidseitig zu den Rippen verlaufen. Die Achsen 24 und 25 verlaufen parallel zu der gemeinsamen Achse X-X¹ der Nabe 3 des Rotors 5, und die Schaufeln 18 sind derart angeordnet, daß sie bezüglich des Umfangs der Nabe 3 in der glei- ; chen Richtung und unter dem gleichen Winkel geneigt sind, das heißt, daß die Ebenen, die durch die Achsen 24 und 25 derselben Schaufel 18 gehen, tangential zu einem idealen Zylinder 27 mit

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OfUGtNAL INSPECTED

der Achse X-X¹ verlaufen* (Fig. 4). Wenn die Nabe 3 in Richtung des Pfeils F (Fig. 4) angetrieben wird, werden die Schaufeln 18 der Innenbeschaufelung 14, die das Drehmoment auf den Ringkörper 13 \ übertragen, lediglich auf Zug beansprucht. Unter der Wirkung der ■

Zentrifugalkräfte,die durch die Außenbeschaufelung 12 übertragen

j werden, dehnt sich der Ringkörper 13 elastisch, und diese Dehnung ' wird nicht behindert, da der Ringkörper 13 von den Schaufeln 18 "dehnungsfrei¹¹ gehalten wird. Wenn sich der Ringkörper 13 ausdehnt, um die mit gestrichelten Linien dargestellte Lage 13a . (Fig. 4) einzunehmen, schwenken die Schaufeln 18 um die Achsen 24 und 25 und nehmen die mit gestrichelten Linien dargestellte Lage 18a ein. Bei dieser Verschiebung wird keinerlei Biegespannung auf die Schaufeln 18 ausgeübt.

Die Schaufeln 18 der Innenbeschaufelung 14 sind "widerstandsfrei" angestellt, d.h. derart angestellt, daß sie auf diebei 9 (Fig. 1) eintretende Luft keine aerodynamische Wirkung ausüben, wenn das I Strahltriebwerk im Auslegungspunkt arbeitet. Die "widerstandsfreie'¹ Anstellung der Schaufeln 18 ist in Fig. 2 dargestellt, das das Geschwindigkeit sdiagramm am Eintritt und Austritt eines Schaufelpro- \ fils 18 darstellt, das mit einer Tangentialgeschwindigkeit \T in j Richtung des Pfeils F angetrieben wird. Die in die Beschaufelung ; 14 mit einer Absolutgeschwindigkeit V eintretende Luft hat bezug-' !lieh des Schaufelprofils 18 eine Relativgeschwindigkeit W, die die. !Resultierende aus V und -U darstellt. Die "widerstandsfreie" Anstellung besteht nun darin, daß die Schaufeln 18 bezüglich der Richtung der einströmenden Luft 9 um einen WinkelOC angestellt werden, den die Relativgeschwindigkeit W und die Absolutgeschwin-

■ ■ ■ - - ■' ■ ■ · -8-ϊ~09 8 5 3 /123 2 "~"

j digkeit V miteinander einschließen. Die Relativgeschwindigkeit W₁

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am Austritt der Beschaufelung ist gleich W, so daß de Resultierende aus der Relativgeschwindigkeit W^ und der Tangentialgeschwindigkeit U am Austritt der Beschaufelung 14 eine Absolutgeschwin-

J digkeit V₁ ergibt, die gleich der Absolutgeschwindigkeit V am Eintritt der Beschaufelung ist.

\ Aufgrund der "widerstandsfreien" Anstellung hat die Innenbeschaufelung 14 des Gebläses - zumindest in der Nähe des Ausiegungspunktes - keinen Einfluß auf die in den Verdichter eintretende Luftströmung 9. Der Hauptvorteil dieser Anordnung besteht darin, daß W sich das Triebwerk im Hinblick auf seine Regelung wie ein Zweij wellentriebwerk verhält, (d.h. als ob kein Gebläse vorhanden wäre). Das Gebläse dient allein dazu, den Außenstrom 11 mit Verdünnungs-

und Kühlluft zu versorgen. Da ferner das Bypassverhältnis unab-

"

j hängig von dem Verdichtungsverhältnis des Zweiwellen-Verdichters j ist, läßt sich das Strahltriebwerk zur Erzielung eines anderen Bypassverhältnisses in einfacher Weise abändern, indem lediglich das Gebläselaufrad ausgewechselt wird, ohne daß das übrige Triebwerk berührt wird. Eine solche Änderung kann tatsächlich wünschenswert sein, um das Strahltriebwerk für ein Kurzstartflugzeug (STOL) umzubauen, das ein Strahltriebwerk mit großem Bypassverhältnis erfordert.

Da außerdem die Beschaufelung 14 keine aerodynamische Wirkung hat, übt die Luftströmung 9 praktisch keine Kräfte auf die Beschaufelung aus. Es genügt somit, daß die Schaufeln 18 lediglich eine solche mechanische Festigkeit aufweisen, wie sie zur Übertragung des Drehmoments von der Nabe 3 auf den Ringkörper 13 unter

-9-

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Zugbeanspruchung erforderlich ist, da sie keine aerodynamischen
Kräfte aufnehmen müssen.

Die Erfindung ist nicht nur auf Strahltriebwerke, sondern auch für j

industrielle Gasturbinenanlagen anwendbar, bei denen sie die I

folgenden Vorteile bietet:

I

Die Zentrifugalkräfte werden nicht auf die mittlere Nabe über-

tragen;

die Schaufeln der Innenbeschaufelung werden nicht durch Biegespannungen beansprucht; ;

der Einbau der Schaufeln der Innenbeschaufelung ist besonders einfach ;

die Masse der Innenbeschaufelung kann sehr gering sein.

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ORIGINAL INSPECTED

Claims

Or. Ing. H N^ l. Ing. H. . I. Phyv Vv-. Societe Nationale d'Etude et de Construction de Moteurs dfAviation 150, Boulevard Haussmann J. Mai 1971 - Paris, France, Anwaltsakte M-I576 Patentansprüche

1.J Gasturbinenanlage mit einem Axialverdichter und einem Gebläse, das eine an einem Ringkörper befestigte Außenbeschaufelung und eine den Ringkörper mit einer Nabe verbindende Innenbeschaufelung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (l8) der Innenbeschaufelung (l4) mit ihrem Fuß (21) an der Nabe (3) und mit ihrem Kopf (19) an dem Ringkörper (13) jeweils um Achsen (24,25) schwenkbar angelenkt sind, die parallel zur Drehachse (X-X¹) der Nabe verlaufen und bezüglich des Umfangs der Nabe in der gleichen Richtung und unter dem gleichen Winkel geneigt sind.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (l8) der Innenbeschaufelung (14) "widerstandsfrei" angestellt sind, d.h. in der Richtung der Relativgeschwindigkeit der Strömung, die durch die Innenbeschaufelung (14) hindurchtritt, wenn die Gasturbinenanlage in ihren Auslegungspunkt arbeitet.

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OFMQINAL INSPECTED

3· Gasturbinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die als Flugstrahlstriebwerk ausgebildet ist, bei dem die Innenbeschaufelung von einem in den Verdichter eintretenden Hauptstrom und die Außenbeschaufelung von einem den Verdichter umgehenden Nebenstrom durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse (1) durch eine vom Verdichter (2) getrennte Turbine antreibbar ist.

4. Gasturbinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse (l) zur Erzeugung möglichst wenig Geräuschesmit einer geringen Umfangsgeschwindigkeit antreibbar ist und die Außenbeschaufelung (12) eine zur Erzeugung eines beträchtlichen Verdichtungsverhältnisses ausreichend große Anzahl von Schaufeln (15) aufweist.

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ORIGINAL INSPECTEO