DE4008432A1 - Halterungsanordnung fuer eine leistungsturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentrieb­ werke und insbesondere auf eine Verbindungsanordnung zur Halterung der Leistungsturbine eines mantellosen Fan-Trieb­ werkes auf einer statischen Struktur.

Gasturbinentriebwerke, wie sie in einem Flugzeug verwendet werden, enthalten im allgemeinen einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Hochdruckturbine in Strömungsrichtung hintereinander. In das Triebwerk eintretende Luft wird durch den Verdichter verdichtet und dann mit Brennstoff gemischt und gezündet, um eine hochenergetische Gasströ­ mung zu bilden. Die Gasströmung strömt durch die Hochdruck­ turbine, wo ein Teil der Verbrennungsenergie entzogen wird, um den Verdichter anzutreiben. Turboprop- und Turbofan- Triebwerke, wie sie zum Antrieb von Flugzeugen verwendet werden, enthalten üblicherweise auch eine zweite Turbine, die als eine Kraft- oder Leistungsturbine bekannt ist und stromabwärts (hinter) der Hochdruckturbine angeordnet ist. Die Leistungsturbine bezieht Energie aus der Gas­ strömung, um mehrere Propeller oder Fanschaufeln anzu­ treiben, die die Vortriebskraft liefern, um ein Flugzeug zu bewegen.

Die deutschen Patentanmeldungen P 36 14 157.7 und P 33 38 456.8 beschreiben ein Gasturbinentriebwerk, bei dem erste und zweite ringförmige Anordnungen von Antriebs­ schaufeln von der Leistungsturbine radial nach außen ragen. Die Leistungsturbine enthält mehrere Anordnungen von Turbi­ nenschaufeln, die abwechselnd mit ersten und zweiten Rotoren verbunden sind, so daß die Rotoren in entgegengesetzter Richtung umlaufen, wenn die Gasströmung durch die Leistungs­ turbine hindurchströmt. Die ersten und zweiten Anordnungen von Antriebsschaufeln sind auf entsprechende Weise mit den ersten und zweiten Rotoren verbunden, um für eine Antriebs­ bewegung zu sorgen.

Bei der bekannten Leistungsturbine sind die ersten und zweiten Rotoren koaxial um eine statische Struktur ange­ ordnet, wobei der erste Rotor drehbar mit der statischen Struktur in Verbindung steht durch einen ersten Satz von Rollelementlagern, und der zweite Rotor ist drehbar mit der statischen Struktur durch einen zweiten Satz von Roll­ elementlagern verbunden.

Ein Nachteil der Halterung beider Rotoren direkt auf der statischen Struktur besteht darin, daß eine axiale Biegung der statischen Struktur bewirken kann, daß die Turbinen­ schaufeln in der einen Ringanordnung ausgelenkt werden oder, im schlimmsten Falle, mit gegenläufig rotierenden Turbinenschaufeln in einer benachbarten Ringanordnung zusammenprallen. Derartige Auslenkungen können auftreten, wenn die statische Struktur Biegekräfte aus den Antriebs­ schaufeln erfährt, während sie auch das Gewicht der Rotoren trägt. Da ein Flugzeug Manöver durchläuft oder externen Kräften ausgesetzt ist, wird die statische Struktur Biege­ momenten unterworfen, die Auslenkungen der Rotorhalterungen zur Folge haben. Wenn die Drehachse der Struktur an dem ersten Lagersatz in signifikanter Weise von der Drehachse der Struktur des zweiten Lagersatzes abweicht, können benachbarte Anordnungen von Turbinenschaufeln unterschied­ liche Drehachsen haben und miteinander kollidieren. Da eine derartige Kollision ernsthafte Beschädigungen an der Leistungsturbine hervorrufen kann, ist es wünschens­ wert, eine Leistungsturbine für ein mantelloses Fan-Trieb­ werk zur Verfügung zu haben, bei dem die benachbarten Anordnungen von Turbinenschaufeln keinen derartigen Aus­ lenkungen ausgesetzt sind.

Bei einem Flugzeug, das mantellose Fan-Triebwerke verwendet, sind die Triebwerksbefestigungen, die die Triebwerke an dem Flugzeug anbringen, an jedem Triebwerk vor dem Leistungs­ turbinenabschnitt befestigt, um Störungen mit den Antriebs­ schaufeln zu vermeiden. Ein Teil der statischen Struktur ist hinter den Triebwerksbefestigungen zentral durch den Leistungsturbinenabschnitt abgehängt, um die Rotoren dieses Abschnittes zu haltern. Ein Nachteil der Halterung jedes Rotors direkt an der statischen Struktur besteht darin, daß die statische Struktur eine größere Länge haben muß, um jeden Rotor getrennt zu haltern. Um für eine relativ stabile, nicht auslenkende Halterung für diese lange, abgehängte Konfiguration zu sorgen, müssen die Gesamt­ größe und die Masse des Stators relativ groß sein. Die entsprechende Gewichtserhöhung beeinflußt direkt die Brenn­ stoffausnutzung des Flugzeugs. Wenn die Rotoren in einer Art und Weise gehaltert werden könnten, die gestatten würde, daß die Länge der statischen Struktur verkürzt würde, könnte das Gewicht des Triebwerkes ebenfalls verkleinert werden und die Brennstoffausnutzung des Flugzeuges würde weiter erhöht.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Leistungsturbine für ein mantelloses Bläsergasturbinen­ triebwerk zu schaffen, die die vorstehend erläuterten Nachteile vermeidet. Dabei sollte die Rotorhalterungs­ struktur eine verkürzte Länge haben. Weiterhin sollte nur ein vorderer Abschnitt eines Rotors mit einem Stator verbunden sein, um dadurch eine Verkleinerung der Masse des Stators zu erlauben. Weiterhin soll eine statische Rotorhalterungsstruktur verkürzter Länge geschaffen werden, die eine Auslenkung der Halterungsstruktur gestattet, wobei eine unterschiedliche Auslenkung zwischen Trieb­ werksrotoren verhindert sein sollen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält der Leistungsturbinenabschnitt eines Gasturbinentriebwerks einen Stator, erste und zweite Rotoren und erste und zweite Lagereinrichtungen. Die ersten und zweiten Rotoren sind koaxial um eine Längsachse des Stators angeordnet. Eine ringförmige Gasströmungsbahn ist um die Längsachse zwischen den ersten beiden Rotoren angeordnet. Jeder Rotor ist mit mehreren ringförmigen Anordnungen von Turbinenschaufeln verbunden, die in Umfangsrichtung um den Rotor herum ange­ ordnet sind und in die Gasströmungsbahn hineinragen, so daß die Gasströmung durch die Strömungsbahn die Wirkung hat, daß jeder der Rotoren in Drehung versetzt wird. Jede Anordnung von an dem ersten Rotor befestigten Turbinen­ schaufeln ist koaxial zu und benachbart zu einer Anord­ nung von Turbinenschaufeln, die an dem zweiten Rotor be­ festigt sind und alternierende, ineinandergreifende ring­ förmige Anordnungen von Schaufeln für jeden Rotor bilden. Eine erste Lagereinrichtung ist zwischen dem ersten Rotor und dem Stator angeordnet, um den ersten Rotor an dem Stator für eine Drehung zu befestigen. Eine zweite Lager­ einrichtung ist zwischen den ersten und zweiten Rotoren angeordnet, um den zweiten Rotor an dem ersten Rotor für eine Drehung zu befestigen. Da der zweite Rotor an dem ersten Rotor befestigt ist, behalten beide Rotoren eine im wesentlichen gemeinsame Drehachse unabhängig von irgend­ welchen Statorauslenkungen in bezug auf die Längsachse.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt ein Hauptteil von sowohl den ersten als auch zweiten Rotoren entlang der Längsachse hinter der ersten Lager­ einrichtung. Somit werden die Rotoren in einer auskragen­ den Weise hinter der ersten Lagereinrichtung gehaltert. Da derjenige Abschnitt des Stators, der hinter der ersten Lagereinrichtung verläuft, keine Last trägt, müssen seine Festigkeit und die entsprechende Länge und Masse nicht so groß sein wie der Abschnitt des Stators vor der ersten Lagereinrichtung. Dies gestattet eine Senkung des Gewichtes und verbessert die Brennstoffausnutzung.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnungen von Ausführungs­ beispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht von einem mantellosen Fan-Gasturbinentriebwerk.

Fig. 2 ist eine geschnittene Seitenansicht von einem Teil des Leistungsturbinenabschnittes in einem mantellosen Fan-Gasturbinentriebwerk, das gemäß der Erfindung aufgebaut ist.

Fig. 1 und 2 stellen ein mantelloses Fan-Jet-Triebwerk 20 dar, das im wesentlichen konzentrisch um eine mittlere Längsachse 58 des Triebwerks angeordnet ist. Das Triebwerk enthält vordere und hintere, gegenläufig rotierende Fan­ oder Propulserschaufeln 22 und 24, die von einem Leistungs­ turbinenabschnitt 25 radial nach außen ragend angeordnet sind. Der Leistungsturbinenabschnitt 25 enthält erste und zweite gegenläufig rotierende Rotoren 26 und 28, die jeweils mit mehreren ringförmigen Anordnungen von gegen­ läufig rotierenden Turbinenschaufeln 30 und 32 gekoppelt sind. Vordere und hintere Fanschaufeln 22 und 24 sind mit den ersten und zweiten Rotoren 26 bzw. 28 verbunden und laufen mit diesen um.

Die gegenläufig rotierenden Turbinenschaufeln 30 und 32 liegen in einer ringförmigen Gasströmungsbahn 42, die durch die ersten und zweiten Rotoren 26 und 28 gebildet wird. Durch das Triebwerk 20 hindurchströmende Luft wird verdichtet und erhitzt, um eine hochenergetische (hoher Druck/hohe Temperatur) Gasströmung zu bilden, die durch einen Pfeil 44 angedeutet ist. Die Gasströmung 44 expandiert durch die Strömungsbahn 42 und reagiert mit den Schaufeln 30 und 32, um die Rotoren 26 und 28 in Drehung zu versetzen, die ihrerseits die gegenläufig rotierenden Fanschaufeln 22 bzw. 24 antreiben. Ein Konus 49, der hinter dem zweiten Rotor angeordnet und an diesem befestigt ist, liefert die richtigen Luftströmungscharakteristiken der Gasströmung 44, wenn diese aus dem Triebwerk 20 austritt.

Der Rotor 26 weist einen vorderen tragenden Halterungs­ abschnitt 50 auf, der konzentrisch um einen hinteren Ab­ schnitt einer zentralen statischen Struktur 52 angeordnet ist. Der vordere Abschnitt 50 ist drehbar an der statischen Struktur 52 befestigt durch Rollelementlager, die ein ringförmiges Schublager 54 und zwei ringförmige Rollen­ lager 56 aufweisen, die zwischen der statischen Struktur 52 und dem vorderen Abschnitt 50 angeordnet sind. Der erste Rotor 26 befindet sich neben der statischen Struktur 52 fluchtend ausgerichtet entlang der Längsachse 58, und der zweite Rotor 28 ist konzentrisch um den ersten Rotor 26 angeordnet. Der zweite Rotor 28 ist drehbar an einem hinteren Abschnitt 60 des ersten Rotors 26 befestigt durch ein weiteres ringförmiges Schublager 62 und zwei ringförmige Rollenlager 64, die zwischen den Rotoren angeordnet sind. Das gesamte Gewicht des Leistungsturbinenabschnittes 25 wird von der statischen Struktur 52 durch die Lager 54 und 56 getragen. Der Antriebsschub von dem Leistungs­ turbinenabschnitt 25 wird durch das vorderste Schublager 54 auf die statische Struktur 52 übertragen. Es sei darauf hingewiesen, daß die Kreisel- bzw. Gyro-Momente der zwei gegenläufig rotierenden Rotoren intern aufgenommen werden, d.h. aufgrund der gegenläufigen Rotation wird das positive Drehmoment des vorderen Rotors durch das negative Drehmoment des hinteren Rotors durch die Lager aufgehoben, die die zwei Rotoren verbinden. Deshalb besteht praktisch kein resultierendes Gyro-Moment, das durch die Triebwerks­ befestigungen auf den Flugzeugrahmen übertragen wird, so daß leichtere und weichere Befestigungen benutzt werden können.

Während eines stationären Betriebs, d.h. wenn die Bewegung des Triebwerkes 20 parallel zur Achse 28 ist, rotieren die Schaufeln 22 und 24 konzentrisch um die Triebwerks­ achse 58. Das Winkelmoment der umlaufenden Rotoren 26 und 28, der Turbinenschaufeln 30 und 32 und der Fanschau­ feln 22 und 24 liefern ein Kreiselmoment entgegengesetzt zu irgendeinem Moment, das ausgeübt wird, um die Drehachse zu ändern. Wenn ein durch das Triebwerk angetriebenes Flugzeug plötzlich seine Richtung ändert, d.h. wendet, ansteigt oder sinkt oder anderen äußeren Kräften ausgesetzt wird, übt die statische Struktur 52 ein Drehmoment gegen die Rotoren 26 und 28 aus, das versucht, die Drehachse von jedem Rotor in bezug auf die Achse 58 der statischen Struktur 52 zu verschieben. Ein derartiges Drehmoment bewirkt, daß das Triebwerk 20 ein Biegemoment quer zur Achse 58 erfährt. Da der gesamte Leistungsturbinenabschnitt 25 mit der sta­ tischen Struktur 52 durch die Lager 54 und 56 verbunden ist, können die Rotoren in bezug auf die Struktur 52 auslenken. Da jedoch der zweite Rotor 28 konzentrisch um den ersten Rotor 26 gehalten ist, lenken die Rotoren 26 und 28 zusammen in einer Art und Weise aus, die ihre konzentrische Rotation in bezug aufeinander beibehält. Infolgedessen wird eine Kollision der Turbinenschaufeln 30 und 32 vermieden. Durch die Halterung des zweiten Rotors 28 auf dem ersten Rotor 26 wird eine unterschiedlich Auslenkung vermieden und die Möglichkeit von Kollisionen der Turbinenschaufeln wird auf ein Minimum gesenkt.

Ein weiterer Vorteil der drehbaren Kopplung des zweiten Rotors 28 an dem ersten Rotor 26 besteht darin, daß der Rotor 32 zu Halterungszwecken nicht direkt mit der stati­ schen Struktur 52 gekoppelt werden muß. Wenn die Stator­ struktur 52 nach hinten verlängert werden würde, um den zweiten Rotor 28 zu haltern, müßten seine Größe und Masse entlang der Achse 58 vergrößert werden, um den zweiten Rotor 28 zu haltern und den Biegemomenten zu widerstehen. Die Statorstruktur 52 kann jedoch trotzdem bis zum hinteren Abschnitt 60 des Rotors 26 oder über diesen hinaus ver­ längert werden aus nicht-tragenden Gründen, um beispiels­ weise Steuerleitungen aufzunehmen, die mit dem hinteren Abschnitt des Triebwerks in Verbindung stehen. Eine der­ artige verlängerte Gehäusestruktur braucht nicht so stabil oder massiv zu sein, wie es für die direkte Halterung eines zweiten Rotors erforderlich wäre. Durch die Halte­ rung der gesamten Leistungsturbine 25 an einer vorderen Position der Turbine in der vorstehend beschriebenen Weise kann das Gesamtgewicht des Triebwerks verkleinert werden.

Claims (8)

1. Leistungsturbinenabschnitt in einem Gasturbinentrieb­ werk mit einer stationären statischen Struktur, die um eine Längsachse zentriert ist, gekennzeichnet durch:
einen äußeren Rotor (28) und einen inneren Rotor (26), die konzentrisch zueinander und entlang der Längsachse (58) angeordnet sind und eine ringförmige Strömungsbahn (42) zwischen den äußeren und inneren Rotoren bilden für einen Durchtritt einer hochenergetischen Gasströmung (44) durch das Triebwerk (20),
eine erste ringförmige Anordnung von Turbinenschaufeln (30), die mit dem inneren Rotor (26) verbunden sind und in die Strömungsbahn ragen zum Umwandeln von Energie der Gasströmung in Bewegung des inneren Rotors (26),
eine zweite ringförmige Anordnung von Turbinenschaufeln (32), die mit dem äußeren Rotor (28) verbunden sind und in die Strömungbahn ragen zum Umwandeln von Energie der Gasströmung in Bewegung des äußeren Rotors (2 S), wobei die zweite ringförmige Anordnung von Turbinenschaufeln (32) koaxial mit und benachbart zu der ersten ringförmigen Anordnung von Turbinenschaufeln (30) ausgerichtet ist, eine erste Lagereinrichtung (54, 56), die an dem einen axialen Ende des inneren Rotors (26) angeordnet ist für eine drehbare Befestigung des inneren Rotors (26) an der statischen Struktur (52), und
eine zweite Lagereinrichtung (62, 64), die zwischen dem inneren Rotor (26) und dem äußeren Rotor (28) angeordnet ist für eine drehbare Befestigung des äußeren Rotors (28) konzentrisch um den inneren Rotor (26) mit einer gemein­ samen Drehachse, die von der statischen Struktur (52) entkoppelt ist.

2. Leistungsturbinenabschnitt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Rotor (26) eine vordere tragende Halterung (50) aufweist, die konzentrisch um die statische Struktur (52) angeordnet ist, wobei die erste Lagereinrichtung aufweist:
ein erstes ringförmiges Schublager (54), das zwischen der statischen Struktur (52) und der vorderen tragenden Halterung (50) des inneren Rotors (26) angeordnet ist, wenigstens ein ringförmiges Rollenlager (56), das zwischen der statischen Struktur (52) und der vorderen tragenden Halterung (50) angeordnet ist,
und wobei die zweite Lagereinrichtung aufweist:
ein zweites ringförmiges Schublager (62), das zwischen den inneren und äußeren Rotoren (26, 28) angeordnet ist, und
wenigstens ein zweites ringförmiges Rollenlager (64), das zwischen den ersten und zweiten ringförmigen Schub­ lagern (54, 62) angeordnet ist.

3. Leistungsturbinenabschnitt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des inneren Rotors (26) und ein Teil des äußeren Rotors (28) sich in Längsrichtung hinter der ersten Lagerein­ richtung (54, 56) erstrecken und hinter der ersten Lager­ einrichtung auskragend angeordnet sind.

4. Leistungsturbinenabschnitt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dritte und vierte ringförmige Anordnungen von Turbinen­ schaufeln mit den ersten bzw. zweiten Rotoren (26, 28) verbunden sind und in die Strömungsbahn ragen, wobei die dritten und vierten Anordnungen von Turbinenschaufeln in Längsrichtung hinter der ersten Lagereinrichtung (54, 56) angeordnet sind.

5. Leistungsturbinenabschnitt in einem Gasturbinentrieb­ werk mit einer stationären statischen Struktur, gekenn­ zeichnet durch:
einen Rotor koaxial zu der stationären statischen Struktur, eine ringförmige Gasströmungsbahn neben und koaxial zu dem Rotor für einen Durchtritt einer hochenergetischen Gasströmung durch das Triebwerk,
mehrere ringförmige Anordnungen von Turbinenschaufeln, die mit dem Rotor verbunden sind und in die Strömungs­ bahn ragen zur Umwandlung von Energie der Gasströmung in Rotorbewegung und
Lagereinrichtungen zum drehbaren Befestigen eines vorderen Abschnitts des Rotors an der statischen Struktur und zur auskragenden Halterung eines hinteren Teils des Rotors hinter der Lagereinrichtung.

6. Leistungsturbinenabschnitt nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Anordnung von Turbinenschaufeln hinter der Lagereinrichtung angeordnet ist.

7. Leistungsturbinenabschnitt für ein Gasturbinentrieb­ werk mit ersten und zweiten gegenläufig rotierenden Rotoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren (26, 28) koaxial gehaltert sind für eine Rotation um eine statische Struktur (52), die um eine Längsachse (58) zentriert ist,
eine erste Lagereinrichtung (54, 56) für eine drehbare Befestigung des ersten Rotors (26) an der statischen Struktur (52) und
eine zweite Lagereinrichtung (62, 64) für eine drehbare Befestigung des zweiten Rotors (28) nur um den ersten Rotor (26) mit einer gemeinsamen Drehachse, wenn die statische Struktur (52) entlang der Längsachse (58) aus­ gelenkt wird.

8. Leistungsturbinenabschnitt nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Rotor (26) eine vordere strukturelle Halterung (50) aufweist, die konzentrisch um die statische Struktur (52) angeordnet ist,
die erste Lagereinrichtung ein erstes ringförmiges Schub­ lager (54) das zwischen der statischen Struktur (52) und der vorderen Strukturwellenhalterung (50) des ersten Rotors (26) angeordnet ist, und wenigstens ein erstes ringför­ miges Rollenlager (56) aufweist, das zwischen der stati­ schen Struktur (52) und der vorderen strukturellen Halte­ rung (50) neben dem ersten Schublager (54) angeordnet ist, und
die zweite Lagereinrichtung ein zweites ringförmiges Schub­ lager (62) , das zwischen den ersten und zweiten gegen­ läufig rotierenden Rotoren (26, 28) angeordnet ist, und wenigstens ein zweites ringförmiges Rollenlager (64) auf­ weist, das zwischen den ersten und zweiten gegenläufig rotierenden Rotoren (26, 28) neben dem zweiten Schub­ lager (62) angeordnet ist.