DE3719541A1 - Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk und insbesondere auf die Nutzleistungsturbine dieses Triebwerks.

Bei einer bestimmten Ausführungsform von Gasturbinen­ triebwerken, die zum Antrieb von Flugzeugen geeignet sind, ist ein Kerngasturbinentriebwerk herkömmlicher Kon­ struktion vorgesehen, das eine Nutzleistungsturbine am stromabwärtigen Ende aufweist. Die Nutzleistungsturbine umfaßt axial abwechselnde Laufschaufelkränze, die im Ge­ gensinn umlaufen und die antriebsmäßig mit ebenfalls im Gegensinn umlaufenden Vortriebsschaufeln verbunden sind, die in einem außen geschlossenen Kanal oder auch frei um­ laufen können. Wesentlich dabei ist, daß die Abgase des Kerngasturbinentriebwerks in die Nutzleistungsturbine so eingeführt werden, daß die gegensinnige Drehung der Lauf­ kränze und demgemäß der Vortriebsschaufeln gewährleistet wird, um einen Vortrieb zu erreichen.

Bei einer herkömmlichen Konstruktion einer solchen Nutz­ leistungsturbine sind die stromlinienförmigen Vortriebs­ schaufeln am radial äußeren Ende der gegensinnig umlau­ fenden Turbinenschaufeln befestigt. Dies gibt jedoch Schwierigkeiten im Hinblick auf eine wirksame Verbindung mit dem erforderlichen Grad mechanischer Integrität zwi­ schen den Turbinenschaufeln und den stromlinienförmigen Vortriebsschaufeln.

Eine weitere Schwierigkeit bei einer derartigen Konstruktion tritt auf, wenn axial abwechselnde Schaufel­ kränze von Turbinenschaufeln der Nutzleistungsturbine an ihren radial äußeren Enden mit einer Trommel verbunden sind, die einem doppelten Zweck dient, nämlich der Defi­ nition eines Teils des radial äußeren Gasströmungskanals durch die Nutzleistungsturbine und der Definition eines Abschnitts der radial inneren Begrenzung der Luftströ­ mung, die über die Vortriebsschaufeln abfließt. Die Trom­ mel liegt notwendigerweise zwischen den im Gegensinn um­ laufenden Schaufeln der Nutzleistungsturbine und den Vor­ triebsschaufeln, und es besteht eine große Schwierigkeit darin, eine mechanische Integrität des Aufbaus zu gewähr­ leisten. Wenn beispielsweise die stromlinienförmigen Vor­ triebsschaufeln direkt an der Trommel befestigt würden, dann müßte die Trommel extrem robust und daher von schwe­ rer Konstruktion sein, damit sie den Belastungen wider­ stehen kann, die auf sie ausgeübt werden. Außerdem würde eine Schwierigkeit darin bestehen zu gewährleisten, daß die Trommel steif und ringförmig bleibt, um eine stabile Konzentrizität des Aufbaus Nutzleistungsturbine/Vortriebs­ schaufelaufbau zu gewährleisten.

Bei einer anderen Ausführungsform sind die Vortriebs­ schaufeln direkt an den radial äußeren Enden der jeweili­ gen Turbinenschaufeln befestigt, wobei die Trommel mit geeigneten Öffnungen versehen ist, um eine Befestigung zu ermöglichen. Der Nachteil einer solchen Anordnung besteht jedoch darin, daß beim Bruch einer Turbinenschaufel die Vortriebsschaufel, die daran festgelegt ist, abgeschleu­ dert würde.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Nutzleistungsturbinenaufbau zu schaffen, bei dem diese Schwierigkeiten im wesentlichen vermieden sind.

Die Erfindung geht aus von einer Nutzleistungsturbine für ein Gasturbinentriebwerk, die Turbinenschaufelkränze mit radial verlaufenden Schaufeln umfaßt, deren radial inne­ res Ende an Mitteln festgelegt ist, die drehbar um die Längsachse der Nutzleistungsturbine gelagert sind, wäh­ rend die radial äußeren Enden einer jeden Schaufel mit Befestigungsmitteln versehen sind, mit denen die Schau­ felspitze am radial inneren Ende von Gebläsevortriebs­ schaufeln befestigt ist, wobei eine Trommel wenigstens eine weitere Laufschaufelstufe trägt und koaxial zwischen den Turbinenrotorschaufeln und den Gebläsevortriebs­ schaufeln angeordnet ist und betriebsmäßig mit diesen umläuft.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe weist die Trommel Aus­ nehmungen auf, um die Befestigungsmittel aufzunehmen, wo­ durch eine relative Radialbewegung zwischen den Turbinen­ rotorschaufeln und der Trommel möglich wird, wobei die Gebläsevortriebsschaufeln und die Trommel in der Weise verbunden sind, daß eine begrenzte relative Radialbewe­ gung zwischen ihnen bis zu einer Grenze ermöglicht wird, bei der die Trommel wenigstens eine teilweise radiale Ab­ stützung für die Gebläsevortriebsschaufeln bewirkt.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Seitenansicht eines Gasturbinentriebwerks mit einer Nutzlei­ stungsturbine gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt eines Teils der Nutzleistungs­ turbine gemäß Fig. 1 in größerem Maßstab,

Fig. 3 in noch größerem Maßstab eine Teilschnittan­ sicht gemäß Fig. 2.

Fig. 1 zeigt ein Gebläsegasturbinentriebwerk 10 mit einem Kerntriebwerk 11, das am stromabwärtigen Ende eine Nutz­ leistungsturbine 12 speist. Das Kerntriebwerk 11 ist von herkömmlicher Bauart und weist einen Lufteinlaß 13, einen Kompressor 14, eine Verbrennungseinrichtung 15 und eine Turbine 16 auf. Das Kerntriebwerk 11 arbeitet in herkömm­ licher Weise und bewirkt, daß die durch den Einlaß 13 eintretende Luft vom Kompressor 14 komprimiert wird, be­ vor sie mit Brennstoff vermischt und die Mischung in der Verbrennungseinrichtung 15 verbrannt wird. Die resultie­ renden Verbrennungsprodukte expandieren über die Turbine 16, bevor sie in die Nutzleistungsturbine 12 ausgeblasen werden.

Die Nutzleistungsturbine 12 ist nicht von herkömmlicher Konstruktion insofern, als sie eine Anzahl von Stufen ge­ genläufig rotierender Turbinenschaufeln besitzt. Zwei Stufen davon tragen stromaufwärtige und stromabwärtige Gebläsepropellerschaufeln 17 und 18, die an den radial äußeren Enden der Turbinenschaufeln festgelegt sind. Die Gebläseschaufeln 17 und 18 drehen sich im Gegensinn und sie sind von einer Gebläseverkleidung 19 umschlossen.

Im Betrieb werden heiße Gase, die vom Kerntriebwerk 11 ausgestoßen werden, in die Nutzleistungsturbine 12 einge­ leitet, um eine gegensinnige Drehung der Turbinenschaufel­ kränze und demgemäß eine gegensinnige Drehung der Ge­ bläseschaufeln 17 und 18 zu bewirken. Ein gewisser Vor­ schub ergibt sich durch die aus der Nutzleistungsturbine 12 über den ringförmigen Auslaßkanal 20 ausgestoßenen Gase. Der Hauptteil des Vortriebsschubes des Gasturbinen­ triebwerks 10 wird jedoch durch Luft geliefert, die in das stromaufwärtige Ende 21 des Gebläsekanals eingesaugt und durch die gegensinnig umlaufenden Gebläseschaufeln 17 und 18 beschleunigt ist, bevor sie am stromabwärtigen Ende 22 der Gehäuseverkleidung 19 ausgestoßen wird.

Die Gebläseverkleidung 19 und das Kerntriebwerk 11 sind über mehrere allgemein radial verlaufende vordere Streben 23 verbunden, während mehrere allgemein radial verlaufen­ de hintere Streben 24 die Gebläseverkleidung 19 mit der übrigen Nutzleistungsturbine 12 verbinden. Die hinteren Streben 24 übertragen den Hauptanteil der Last zwischen Triebwerk 10 und dem Flugzeug, an dem das Triebwerk mon­ tiert ist, und die Streben sind an ihren radial inneren Enden an den axial stromabwärtigen Enden eines allgemein zylindrischen Trägers 22 festgelegt, der koaxial zur Nutzleistungsturbine 12 liegt. Der zylindrische Träger 25 trägt alle gegenläufigen Elemente der Nutzleistungs­ turbine 12 und er ist an seinem stromaufwärtigen Ende am stromabwärtigen Ende des Gehäuses 26 des Kerntriebwerks 11 über einen Lastübertragungsaufbau 27 festgelegt.

Der Träger 25 weist, wie aus Fig. 2 ersichtlich, eine Welle 28 auf, die koaxial mittels zweier axial im Abstand zueinander liegender Lagergrupen 29 und 29 a abgestützt ist. Die Welle 28 weist einen Abschnitt 28 a kegelstumpf­ förmiger Gestalt an ihrem stromabwärtigen Ende auf und trägt dort einen Turbinenleitschaufelkranz 30, dessen Schaufeln sich radial erstrecken. Jede Turbinenschaufel 30 ist an ihrem radial äußeren Ende mit zwei im axialen Abstand zueinander liegenden radial verlaufenden geloch­ ten Ansätzen 31 versehen. Die Ansätze 31 tragen einen Zapfen 32, der seinerseits innerhalb von vier im axialen Abstand zueinander angeordneten radial verlaufenden ge­ lochten Ansätzen 33 gelagert ist, die am radial inneren Ende einer entsprechenden stromabwärtigen Gebläseschaufel 18 vorgesehen sind.

Der kegelstumpfförmige Wellenabschnitt 28 a besitzt weite­ re kegelstumpfförmige Wellenabschnitte 34 und 35, die daran befestigt sind. Der kegelstumpfförmige Wellenab­ schnitt 35 liegt radial innerhalb des stromaufwärtigen Endes 36 des kegelstumpfförmigen Wellenabschnitts 34 und dient zur Abstützung desselben. Der kegelstumpfförmige Wellenabschnitt 34 trägt die radial inneren Fortsätze von drei ringförmigen Turbinenlaufschaufelkränzen 37, 38 und 39 und dient zusätzlich dazu, einen radial inneren Ab­ schnitt des Turbinenabgaskanals durch die Nutzleistungs­ turbine 12 hindurch zu definieren.

Das stromaufwärtige Ende der Welle 28 ist außerdem mit einem kegelstumpfförmigen Abschnitt 40 versehen, der dazu dient, zwei Turbinenlaufkränze 41 und 42 und einen Ring­ aufbau 40 a zu tragen, der einen weiteren radial inneren Abschnitt des Turbinenabgaskanals durch die Nutzlei­ stungsturbine 12 bildet. Es ist daher ersichtlich, daß die Drehung der Welle 28 zu einer entsprechenden Drehung der Turbinenlaufkränze 30, 37, 38, 39, 41 und 42 und zum Antrieb der stromabwärtigen Gebläseschaufeln 18 führt.

Die Welle 28 lagert eine weitere Welle 43 koaxial über zwei im axialen Abstand zueinander angeordnete Lager 44 und 45. Die Welle 43 besteht im wesentlichen aus zwei ke­ gelstumpfförmigen Abschnitten 44 und 45, die an ihren ra­ dial inneren Enden durch einen zylindrischen Körper 46 verbunden sind.

Die kegelstumpfförmigen Abschnitte 44 und 45 sind an ihren radial äußeren Enden mit den radial inneren Enden eines Kranzes von Turbinenschaufeln 47 verbunden.

Jede der Turbinenschaufeln 47 ist, wie deutlicher aus Fig. 3 erkennbar, am radial äußeren Ende mit zwei im axialen Abstand zueinander angeordneten radial vorstehen­ den gelochten Ansätzen 48 und 49 versehen. Die Löcher in den Ansätzen 48 und 49 tragen einen Zapfen 50, der sei­ nerseits in Löchern gelagert ist, die in axial im Abstand zueinander liegenden radial vorspringenden Ansätzen 51, 52, 53 und 54 angeordnet sind, die am radial inneren Ende einer stromaufwärtigen Gebläseschaufel 17 angeordnet sind.

Eine Trommel 55 erstreckt sich sowohl stromauf als auch stromab der Turbinenschaufeln 47 und ist koaxial zwischen die Turbinenschaufeln 47 und die Gebläseschaufeln 17 der­ art gefügt, daß sie sich zusammen mit diesen dreht. Die Trommel 55 ist mit Öffnungen 56 versehen, die den An­ sätzen 48 und 49 auf den radial äußeren Enden jeder Turbinenschaufel 47 entsprechen, so daß eine direkte Be­ festigung der Gebläseschaufeln 17 an den entsprechenden Turbinenschaufeln 47 erfolgt. Die Ausnehmungen 56 sind an ihren stromaufwärtigen und stromabwärtigen Rändern mit gelochten Ansätzen 57 und 58 versehen, durch die die Zapfen 50 hindurchstehen. Die Löcher in den Ansätzen 57 und 58 haben einen größeren Durchmesser als der Stift 50, so daß eine begrenzte relative Radialbewegung, die durch Temperaturdifferenzen veranlaßt wird, zwischen der Primärtrommel 15 und den Turbinenschaufeln 47 bis zu einer Grenze stattfinden kann, bei der die Trommel 55 we­ nigstens eine teilweise radiale Abstützung für jede Ge­ bläseschaufel 17 bewirkt. Es ist daher ersichtlich, daß durch Zusammenwirken der Ansätze 48 und 49 mit den Öff­ nungen 56 gewährleistet wird, daß die Trommel 55 koaxial zur Achse der Nutzleistungsturbine 12 gehalten wird und daß die Turbinenlaufschaufelkränze 59, 60, 61, 62 und 63 die Gebläseschaufeln 17 antreiben.

Das stromaufwärtige Ende der Trommel 55 dient zur Ab­ stützung der radial äußeren Fortsätze von zwei Turbinen­ schaufelkränzen 59 und 60, die zwischen den Schaufel­ kränzen 41 und 42 liegen. In gleicher Weise dient der stromabwärtige Abschnitt der Trommel 55 zur Abstützung der radial äußeren Enden von drei Turbinenschaufelkränzen 61, 62 und 63, die zwischen den Schaufelkränzen 37, 38 bzw. 39 liegen. Die Trommel 55 dient außerdem dazu, einen Aufbau 55 a zu schaffen, der einen radial äußeren Ab­ schnitt des Turbinenabgaskanals durch die Nutzleistungs­ turbine 12 definiert.

Das radiale äußere Ende des stromabwärtigen Endes der Trommel 55 besitzt einen eine Begrenzung definierenden Zylinder 64, der daran befestigt ist und dazu dient, einen Teil der radial inneren Begrenzung des Gasströ­ mungskanals 65 zu definieren, der die Gebläseschaufeln 17 und 18 enthält und durch die Verkleidung 19 umschlossen ist.

Es ist daher ersichtlich, daß eine Drehung der Welle 43 zu einer Drehung des Turbinenschaufelkranzes 47, der Trommel 55, der Turbinenlaufschaufeln 59, 60, 61, 62 und 63 und der stromaufwärtigen Gebläseschaufeln 17 führt.

Jede Gebläseschaufel 17 ist hohl und enthält radial ver­ laufende Fasern 66 aus Aramidmaterial, die im Spitzenbe­ reich 67 der Gebläseschaufel 17 verklebt und am radial inneren Ende an dem Zapfen 50 verankert sind. Obgleich in der Zeichnung nur zwei Faserstränge 66 dargestellt sind, ist klar, daß weitere Stränge über die Gebläseschaufel 17 verteilt und an geeigneten Stellen des Zapfens 50 ver­ ankert sein können. Gleiche Fasern können innerhalb der Gebläseschaufeln 18 angeordnet sein, die dann an den Zapfen 32 verankert sind. Die Fasern 66 sind normalerwei­ se nicht lasttragend. Bei einem Bruch irgendeiner Schau­ fel 17 oder 18 gewährleisten die Fasern 66 jedoch, daß keine Teile der Gebläseschaufeln 17 oder 18 abfallen und eine Beschädigung des Triebwerks 10 oder des Flugzeugs bewirken, an dem das Triebwerk aufgehängt ist.

Die Turbinenlaufschaufeln innerhalb der Nutzleistungs­ turbine 12 sind so ausgebildet, daß abwechselnde Schau­ felkränze im Gegensinn umlaufen, so daß die Wellen 28 und 43 auch gegensinnig umlaufen und ebenso die Gebläse­ schaufelkränze 17 und 18, die den Vorwärtsschub erzeu­ gen.

Es ist daher ersichtlich, daß die ringförmige Anordnung von Turbinenschaufeln 47 die stromaufwärtigen Gebläse­ schaufeln 17 trägt und zusätzlich dazu dient, die Trommel 55 und ihre Turbinenschaufelkränze 59, 60, 61, 62 und 63 festzulegen, so daß sie hiermit umlaufen können, wodurch die Gebläseschaufeln 17 angetrieben werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung ergibt wesentliche Vorteil­ le. Erstens bilden die Turbinenschaufeln 47, die Trommel 55 und die radial inneren Enden der Gebläseschaufeln 17 einen steifen ringförmigen Aufbau, der eine stabile Kon­ zentrizität des gesamten Aufbaus gewährleistet. Zweitens besteht ein direkter radialer Lastübertragungspfad zwi­ schen jeder Gebläseschaufel 17 und der Turbinenschaufel 47, von der die Gebläseschaufel getragen wird. Drittens wird eine axiale Torsionssteifigkeit gegenüber dem Gir- Moment der Gebläseschaufeln 17 erreicht, wodurch die Be­ lastungskonzentration an der Schaufelfußbefestigung der Turbinenschaufel 47 entlastet wird. Viertens wird im Falle eines Bruchs einer der Turbinenschaufeln 47 die entsprechende Gebläseschaufel 17, die radial außerhalb von dieser Schaufel getragen wird, durch ihre Befestigung an der Trommel 55 durch den Zapfen 50 gehalten, so daß die Gebläseschaufel 17 nicht verlorengeht. Schließlich schafft die Trommel 55 eine zusätzliche Ringverstärkung der Gebläseschaufelkränze 17, wenn die Nutzleistungstur­ bine 12 in ihrem oberen Leistungsbereich arbeitet.

Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit einem Mantelstromgebläsetriebwerk beschrieben. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung auch bei einem Gasturbinentrieb­ werk anwendbar ist, dessen Nutzleistungsturbine gegenläu­ fig rotierende Propellerschaufeln antreibt, die nicht von einer Gebläseverkleidung umschlossen sind.

Claims (9)

1. Nutzleistungsturbine für ein Gasturbinentriebwerk mit radial verlaufenden Turbinenrotorschaufeln, deren radial inneres Ende an Mitteln befestigt ist, die drehbar um die Längsachse der Turbine ge­ lagert sind, während das radial äußere Ende der Schaufeln mit Befestigungsmitteln versehen ist, mit denen die Schaufeln mit dem radial inneren Ende einer stromlinienförmigen Vortriebsschaufel verbunden sind, und mit einer Trommel, die wenig­ stens einen weiteren Laufschaufelkranz mit Turbi­ nenrotorschaufeln trägt, wobei die Trommel koaxial zwischen die Turbinenrotorschaufeln und die strom­ linienförmigen Vortriebsschaufeln geschaltet ist, um betriebsmäßig mit diesen umzulaufen, da­ durch gekennzeichnet, daß die Trommel (55) mit Öffnungen (56) versehen ist, um die Befestigungsmittel (48 bis 54) aufzunehmen, wodurch eine relative Radialbewegung zwischen den Turbinenrotorschaufeln (47) und der Trommel (55) zu­ stande kommt, wobei die stromlinienförmigen Vor­ triebsschaufeln (17) und die Trommel (55) in der Weise miteinander verbunden sind, daß eine relative Radialbewegung zwischen ihnen bis zu einer Grenze möglich wird, an der die Trommel (55) wenigstens teilweise eine radiale Abstützung für jede strom­ linienförmige Vortriebsschaufel bildet.

2. Nutzleistungsturbine nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Befestigungsmittel (48 bis 54) gelochte Ansätze auf­ weisen, die an jeder Turbinenrotorschaufel (47) und an den stromlinienförmigen Vortriebsschaufeln (17) vorgesehen sind, und daß die Ansätze jeder Turbinen­ rotorschaufel (47) und der entsprechenden Vortriebs­ schaufel (55) durch einen Zapfen (50) miteinander verbunden sind, die durch die Löcher der Ansätze ge­ führt sind.

3. Nutzleistungsturbine nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Trommel (55) außerdem mit Ansätzen (57, 58) versehen ist, die Löcher aufweisen, in denen die Zapfen (50) angeordnet sind, wobei die Löcher in den Trommelan­ sätzen (57, 58) größer sind als jene in den anderen Ansätzen (48, 49, 51, 52, 53, 54), so daß die be­ grenzte relative Radialbewegung zwischen den strom­ linienförmigen Vortriebsschaufeln (17) und der Trommel (55) ermöglicht wird.

4. Nutzleistungsturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Nutzleistungsturbine (12) weitere Turbinenschaufelkränze (41, 42, 37, 38, 39) umfaßt, die axial zwischen die ersten Turbinenschaufelkränze (47) gefügt sind und im Gegensinn zu diesen umlau­ fen, und daß die Turbinenschaufeln (59, 60, 61, 62, 63) von der Trommel (55) getragen werden.

5. Nutzleistungsturbine nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die weiteren Turbinenlaufschaufelkränze (41, 42, 37, 38, 39), die im Gegensinn zu den ersten Turbinenschau­ feln (47) umlaufen, und die Turbinenschaufeln (59, 60, 61, 62, 63), die von der Trommel (55) getragen werden, antriebsmäßig mit einer zweiten ringförmigen Anordnung von radial verlaufenden stromlinienförmi­ gen Vortriebsschaufeln (18) verbunden sind.

6. Nutzleistungsturbine nach Anspruch 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die zusätzliche ringförmige Anordnung von stromlinien­ förmigen Vortriebsschaufeln (18) stromab der Vor­ triebsschaufeln (17) angeordnet sind, die am ersten Turbinenlaufschaufelkranz (47) festgelegt sind.

7. Nutzleistungsturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die stromlinienförmigen Vortriebs­ schaufeln (17) von einer Verkleidung umschlossen sind.

8. Nutzleistungsturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Trommel (55) Mittel (64) aufweist, die einen Teil der radial inneren Begrenzung der Luftströmung bilden, die betriebsmäßig über die stromlinienförmigen Vortriebsschaufeln (17) ab­ fließt.

9. Nutzleistungsturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß jede stromlinienförmige Vortriebs­ schaufel (17) hohl ist und Fasern (66) enthält, die die Schaufelspitze (67) mit den Befestigungsmitteln (48 bis 54) am radial äußeren Ende der entsprechen­ den Turbinenrotorschaufel (47) verbinden.