Gasturbinenstrahltriebwerk Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinenstrahltriebwerk.Gas turbine jet engine The invention relates to a gas turbine jet engine.
Zwei der Probleme, die bei Gasturbinenstrahltriebwerken insbesondere
bei solchen, die mit hohen Drehzahlen laufen, auftreten, sind die folgenden: a)
die hohen axialen Schubbelastungen auf den-Spurlagern, in denen die rotierenden
Teile des Triebwerks gelagert sind, b) die Verminderung des Gasleckstromes durch
die Dichtungen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gasturbinentriebwerk
zu schaffen, bei welchem der Dichtungsspielraum automatisch gesteuert werden kann
und bei dem Axialbelastungen auf einem Schublager auf einem genau gleichen Wert
gehalten werden können. Gemäß der Erfindung ist ein Gasturbinentriebwerk mit einem
von einem Schublager abgestützten Rotor in der Weise ausgebildet, daB das Schublager
ein begrenztes axiales Spiel hat, dae der Rotor einen Teil mit einer axial gerichteten
Stirnfläehe aufweist, die
zusammen mit einem festen Bauteil eine
Kammer bildet, in die Druckgas aus einer Druckgasleitung des Triebwerkes während
des Betriebes zugeführt wird,und da1 eine einstellbare Strömungscinschnürung mit
der Kammer in Verblndun@ steht und jcmci3 der Alialbewegung des Rotors relativ zu
dem festen Bauteil gespeist wird, um den Druck in der Kammer zu ::teuern.Two of the problems that are common to gas turbine jet engines in particular
in those that run at high speeds, the following occur: a)
the high axial thrust loads on the thrust bearings in which the rotating
Parts of the engine are stored, b) the reduction of the gas leakage flow through
the seals. The invention is based on the object of a gas turbine engine
to create in which the sealing clearance can be controlled automatically
and with the axial loads on a thrust bearing at exactly the same value
can be held. According to the invention is a gas turbine engine with a
designed by a thrust bearing supported rotor in such a way that the thrust bearing
a limited axial play because the rotor has a part with an axially directed
Has end face that
together with a fixed component a
Chamber forms into the pressurized gas from a pressurized gas line of the engine during
of the operation, and da1 an adjustable flow constriction with
the chamber is in Verblndun @ and jcmci3 relative to the alial movement of the rotor
is fed to the solid component in order to control the pressure in the chamber.
Die veränderbare Einscnnürung kann zwischen relativ ;;ueinandcr beweglichere
Teilen ausgebildet werden, die mit dem festen Bauteil bzw. dem Rotor verbunden sind,
wobei das Druckgas der Kammer über diese Einschnürung geliefert bzw. über diese
Einschnürung au-,- der Kammer abgezogen wird. Die veränderbare Einschnürungkann
beispielsweise durch eine Labyrinthdichtung gebildet werden, die in dem radial verlaufenden
Raum zwischen benachbarten Radialoberflächpn des festen Bauteiles und des Rotors
ausgebildet ist. Die Labyrinthdichtung kann beispielsweise aus radial distanziert,#ri,
axial verlaufenden, ringförmigen Dichtungskörpern gebildet werden, die an dem festen
Bauteil und/oder dem Rotor angeordnet sind. Um die Axialbdastung des Schublagers
auf einem vorbestimmten und im wesentlichen konstanten Wert zu halten, können PIittel
vorgesehen sein, um unabhängig eine Axialbelastung; auf das Lager auszuüben. Diese
Mittel können aus einer oder mehreren Federn bestehen oder aus hydraulisch betätigten
Kolben.The changeable constriction can be between relatively flexible ones
Parts are formed that are connected to the fixed component or the rotor,
wherein the compressed gas is delivered to the chamber via this constriction or via this
Constriction au -, - the chamber is withdrawn. The changeable constriction can
be formed for example by a labyrinth seal in the radially extending
Space between adjacent radial surfaces of the solid component and the rotor
is trained. The labyrinth seal can, for example, be spaced radially, # ri,
axially extending, annular sealing bodies are formed, which are attached to the fixed
Component and / or the rotor are arranged. About the axial load on the thrust bearing
To keep them at a predetermined and essentially constant value, PI means
be provided to independently an axial load; to exercise on the camp. These
Means can consist of one or more springs or hydraulically operated
Pistons.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der:
Zeichnung beschrieben, deren einzige Figur einen Schnitt eines gemäß der Erfindung
ausgebildeten Gasturbinentriebwerks zeigt.
Das in der Zeichnung
dargestellte Gasturbinentriebwerk 10 weist in Strömungsrichtung hintereinander einen
Axialströmungskompressor 11,-eine Verbrennungseinrichtung 12 und eine Turbine 13
auf. Die
Turbine 13/sitzt mehrere von einer Rotorscheibe 15 getragene
Schaufeln 14. Die Turbine 13 ist antriebsmäßig mit dem Axialströmungskompressor
11 über eine Welle 16 verbunden, die die Rotorschcibe 15 trägt. Die Welle 16 wird
am stromunterseitigen Ende von einem Rollenlager 1-r-- getragen und-am..stromoberseitigen
Ende. durch. ein Schubkugellager 20. Das Schublager 20 weist einen inneren Laufring
21 auf, der an der Welle 1,3 festgelegt ist und-außerdem einen äußeren Laufring
22, der begrenzt axial verschieblich gelagert ist und hierbei
in axial verlaufenden Keilnuten C'-eines festen Trägers
`4 Geführt
wird. Der äuf-ere Lagerlaufring 22 wird axial in stromaufwärtiger
Richtung (d.li. gecrräf@ der Zeichnung nach linIts) durch mehrere
Federn
25 gedrückt; die auf die stromabwärts gerichtete Oberfläche
des
äußeren.Laufriri-gs# #'.' an Stellen -einwirken, die im Winkelabstand
[email protected]äer Liegen.
Eine I3tiü@i vurä -,IM '.Unkelabstand zueinander liegenden
Turbint--ndü-
senlaitschaufeln 2L) liegt unmittelbar stromeberseitig der
Turbine
Die hnuf eln 2') sini in dem festen Bauteil riontiert, der
eine Rin @Izand -,- einscüli:.@t. Die Ringwand 2't- i"#t
mit einer ra--iia-
len D_chtung1 äche ? versehen, die in der =,ühe einer radialen
Labyrntidichtung 70 liegt, welche an der trö.-ra:if;rärts ;:eisend#:n
radial =_:@ere_iberfl:-`_che de'_ Rotcrscheibe
Radial innerhalb der Fläche 2#, ist die Wandung 2'( mit einer zylindrischen
Dichtungsfläche 29 ausgestattet, die in der Nähe einer Axiallabyrinthdichtung 33
liegt, welche auf der Scheibe 15 radial innerhalb der Dichtung 30 liegt.An exemplary embodiment of the invention is described below with reference to the following drawings, the single figure of which shows a section of a gas turbine engine designed according to the invention. The gas turbine engine 10 shown in the drawing has an axial flow compressor 11, a combustion device 12 and a turbine 13 one behind the other in the direction of flow. the Turbine 13 / sits several carried by a rotor disk 15
Blades 14. The turbine 13 is drivingly connected to the axial flow compressor 11 via a shaft 16 which carries the rotor disk 15. The shaft 16 is supported at the downstream end by a roller bearing 1-r-- and at the upstream end. by. a thrust ball bearing 20. The thrust bearing 20 has an inner race 21 which is fixed on the shaft 1, 3 and also an outer race 22, which is axially displaceable to a limited extent and here
Guided in axially extending keyways C'- of a solid support `4
will. The outer bearing race 22 is axially in the upstream
Direction (i.e. gecrräf @ the drawing to the left) by several springs
25 pressed; the downstream surface of the
outer.Laufriri-gs # # '.' -act at points that are angularly spaced
. @. ueinarian loungers.
An I3tiü @ i vurä -, IM '.
senlaitschaufeln 2L) is located directly upstream of the turbine
The hnuf eln 2 ') are rionated in the solid component that
a Rin @Izand -, - einscüli:. @ t. The ring wall 2't- i "# t with a ra - iia-
len d_chtung1 area? provided, which in the =, ühe a radial
Labyrinth seal 70, which is on the trö.-ra: if; rärts;: eisend #: n
radial = _: @ ere_iberfl: -`_che de'_ Rotcrscheibe
Radially inside the surface 2 #, the wall 2 '(is provided with a cylindrical sealing surface 29 which lies in the vicinity of an axial labyrinth seal 33, which lies on the disc 15 radially inside the seal 30.
Die Turbinenrotorscheibe 15 und die feste Irrlandung 27 definieren
eine Kammer 31. Druckluft von der Förderseite des Kompressors 11 wird über eine
Öffnung oder Öffnungen 32 abgezapft und der Kammer 31 über die Strömungseinschnürung
zugeführt, die durch die axiale Labyrinthdichtung 33 gebildet wird. Im Betrieb strömt
Druckluft in PAilrichtung in die Kammer 31 ein und wird von der Kammer 31 in die
Gasströmung zwischen die DüsenleitschaufQln 26 und die Turbine 13 über die radiale
Labyrinthdichtung 30 eingelassen. Die Labyrintlidichtung 30 bildet eine ver"nderbare
Einschnürung für die hindurchtretende Strömung, wobei die Veränderung von der Axial-°stellung
der @Iclle 1(@ relativ zu der Wandung 2'( abhängt: Wenn die Motorscheibe 15 und
di t# t,landung 2'( gegeneinander bewegt werden, wird bei einer stromaufwärts gerichteten
Bewegung der Welle 1E die Einschnürung durch die Dichtung 30 relativ hoch, während
dann, wenn bei einer von einarider weg gerichteten Bewegung von Rotorschei. Le '5
und Wand 2"( und einer stromabwärts; gerichteten Bewegung der :;elle l!: die Einschnürung
durch die Dichtung 30 relativ gering ist. I:a Betrieb des Gasturrinentriebwerks
10 hwngt daher der Ütrömunl;sr:@. tteldruck ir-lerhalb der Kammer -"1 direkt von
den Axial; tellun:flen der festenreocrerl:.l:auteile (und demger:Uß der t;andung
%;) gegenüber
der Welle 16 ab. Der Druck in der Kammer 31 übt eine
Kraft in stromabwärt.iger Richtung auf die stromaufwärts weisende Ober-
aus
fläche der Rotorscheibe 15d diese Kraft wirkt bis zu einem
ge-
wissen Ausmaß jener Kraft entgegen, die auf die Welle 16 durch die Wirkung des Axialströmungskompressors
11 in stromaufwärtiger Richtung aufgebracht wird.The turbine rotor disk 15 and the fixed irrigation 27 define a chamber 31. Compressed air from the delivery side of the compressor 11 is drawn off via an opening or openings 32 and supplied to the chamber 31 via the flow constriction formed by the axial labyrinth seal 33. During operation, compressed air flows into the chamber 31 in the direction of the valve and is let into the gas flow from the chamber 31 between the nozzle guide vanes 26 and the turbine 13 via the radial labyrinth seal 30. The labyrinthine seal 30 forms a variable constriction for the flow passing through, whereby the change depends on the axial position of the Iclle 1 (@ relative to the wall 2 '(when the motor disk 15 and di t # t, landing 2 '(are moved against each other, with an upstream movement of the shaft 1E the constriction by the seal 30 becomes relatively high, while when, with a movement away from the rotor blade Le' 5 and wall 2 "(and one downstream; directional movement of the:; elle l !: the constriction by the seal 30 is relatively small. I: a Operation of the gas turbine engine 10 depends on the Ütrömunl; sr: @. tteldruck inside the chamber - "1 directly from the Axial; tellun The pressure in the chamber 31 exerts a force in the downstream direction on the upstream upper- the end
area of the rotor disk 15d this force acts up to a
know the extent of the force that is applied to the shaft 16 by the action of the axial flow compressor 11 in the upstream direction.
Die sich drehenden Teile, bestehend aus Welle 16, Kompressor 11, Turbine
l3 und Lager 20, können sich begrenzt axial bewegen, da der äußere Laufring 22 des
Schublagers verschiebbar ist. Die Federn 2.5 üben eine Axialkraftin Richtung stromaufwärts
auf den-äußeren n-Laufring 22 aus und die Größe dieser Kraft wird durch die Zusammendrückungder
Federn 25 bestimmt und diese Kraft bleibt über einen geringen Bereich von Axialbewegungen
der Welle 16 im wesentlichen konstant. - " Wenn sich die drehenden Teile, die von
der Welle 16 getragen werden, in ihrer richtigen Axialstellung relativ zu den festen
Bauteilen 24,27 des Triebwerks 10 befinden, dann ist das Axialspiel zwischen festen
und drehenden Teilen der Dichtung 30 auf einen vorbestimmten Minimalwert eingestellt.
Auch die resultierende Axiallast des Lagers 20 hat einen vorbestimmten konstanten
Wert, der durch die Federn 25 bestimmt wird: Daher wird, wenn sich die Welle 16
in der Sollstellung befindet, die Axialkraft, die auf die Turbinenbotorscheibe 15
infolge des Strömungsmitteldruckes lastet, durch die Reaktion des Axialströmungskompreasors
11 zuzüglich einer kleinen Axiallast ausgeglichen, die durch die Federn 25-auf das
Lager 20 aasgeübt wird. Die Größe des Spiels' der Dichtung 30 kann erforderlichenfalls
dadurch festgelegt werden, daß der Durchmesser der
Axialdichtung
33 zwischen der Scheibe 15 und der Wandung 27 entsprechend gewählt wird. Die Lagerbelastung
wird durch geeignete Wahl der Federn 25 im Hinblick auf die optimalen Lastbedingungen
für den Lauf des Lagers 20 bestimmt. Wenn die Axiallasten der sich drehenden, von
der Welle 16 getragenen Teile aus irgendeinem Grunde aus dem Gleichgewicht kommen,
ist die Welle 16 bezüglich der Axialbehstung nicht mehr im Gleichgewicht und dies
führt zu einer resultierenden Axialbelastung der Welle 16. Die Welle 16 bewegt sich
gemäß dieser Kraft in Axialrichtung und diese Axialbewegung hat die Wirkung einer
Veränderung der Strömungseinschnürung, die durch die Labyrinthdichtung 30 repräsentiert
wird, wie dies bereits oben erwähnt wurde, und die Anordnung ist dabei so getroffen,
daß die resultierende Änderung im Druck innerhalb der Kammer 31 in einem solchen
Sinne erfolgt, daß eine Kraft auf die Turbinenrotorscheibe 15 entgegengesetzt zur
Axialbewegung der Welle 16 ausgeübt wird.The rotating parts, consisting of shaft 16, compressor 11, turbine
l3 and bearing 20 can move axially to a limited extent, since the outer race 22 of the
Drawer is displaceable. The springs 2.5 exert an axial force in the upstream direction
on the outer n-race 22 and the magnitude of this force is determined by the compression of the
Springs 25 are determined and this force remains over a small range of axial movements
of the shaft 16 is essentially constant. - "If the rotating parts that are driven by
of the shaft 16, in their correct axial position relative to the fixed ones
Components 24,27 of the engine 10 are located, then the axial play between fixed
and rotating parts of the seal 30 are set to a predetermined minimum value.
The resulting axial load of the bearing 20 also has a predetermined constant
Value that is determined by the springs 25: Therefore, when the shaft 16
is in the desired position, the axial force acting on the turbine rotor disk 15
load due to the fluid pressure, by the reaction of the axial flow compressor
11 plus a small axial load balanced by the springs 25-on the
Camp 20 is practiced. The amount of play of the seal 30 can be changed if necessary
be determined by the fact that the diameter of the
Axial seal
33 between the disc 15 and the wall 27 is selected accordingly. The bearing load
is made by suitable choice of the springs 25 with regard to the optimal load conditions
intended for the run of the bearing 20. When the axial loads of the rotating, from
parts carried by shaft 16 become unbalanced for any reason,
the shaft 16 is no longer in equilibrium with respect to the axial restraint and this
leads to a resulting axial load on the shaft 16. The shaft 16 moves
according to this force in the axial direction and this axial movement has the effect of a
Change in the flow constriction represented by the labyrinth seal 30
is, as already mentioned above, and the arrangement is made in such a way that
that the resulting change in pressure within chamber 31 is such
Meaning takes place that a force on the turbine rotor disk 15 is opposite to
Axial movement of the shaft 16 is exerted.
Wenn sich die Welle 16 infolge eines solchen Ungleichgewichtes in
Richtung stromaufwärts, d.h. gemäß der Zeichnung nach links, bewegt, dann wird die
Strömung, die durch die Labyrinthdichtung 30 hindurchströmt, ansteigen, wie oben
beschrieben. Dies führt zu einem Ansteigen des Strömungsmitteldruckes innerhalb
der Kammer 31, wodurch die stromabwärts gerichtete Kraft auf der Turbinenrotorscheibe
15 ansteigt. Die Folge davon ist, daß die Welle 16 stromabwärts bewegt wird, bis
eine Lage erreicht ist, in der Kompressor 11 und Turbine 13 wiederum hinsichtlich
des Druckes ausgeglichen,..
sind; wobei die Axialbelastung des Lagers
20 durch die Federn 25 bestimmt wird: Die erfindungsgemäße Anordnung arbeitet in
der Weise, daß die Welle 16 in einer im wesentlichen konstanten Axialstellung relativ
zu den festen Bestandteilen des Triebwerks bewegt wird, so daB ein minimaler Dichtungsspalt
an der Turbine unter allen Betriebsbedingungen aufrechterhalten wird, während die
rotierenden Teile in einer Druckausgleichsstellung gehalten werden. Die resultierende
Axiallast auf dem Lager 20 wird im wesentlichen auf den durch die Federn 25 bestimmten
Wert konstantgehalten. Die Labyrinthdichtungen 30 und 33 können so ausgebildet werden,
daB, wenn die Welle 16 sich in ihrer Sollaxialstellung befindet, die Luftströmung,
die durch die Pfeile angedeutet ist, für Kühlzwecke wirksam wird. Die erfindungsgemäße
Ausbildung wurde vorstehend in Verbindung mit einer Turbinenrotorscheibe 15 beschrieben,
sie könnte jedoch auch in Verbindung mit einer Kompressorrotorscheibe Anwendung
finden.If the shaft 16 as a result of such an imbalance in
Direction upstream, i.e. to the left according to the drawing, then the
The flow passing through the labyrinth seal 30 will increase, as above
described. This leads to an increase in the fluid pressure within
the chamber 31, thereby reducing the downstream force on the turbine rotor disk
15 increases. The consequence of this is that the shaft 16 is moved downstream until
a position has been reached in which the compressor 11 and turbine 13 again with regard to
of pressure balanced, ..
are; where is the axial load on the bearing
20 is determined by the springs 25: The arrangement according to the invention works in
such that the shaft 16 is in a substantially constant axial position relative
is moved to the fixed components of the engine, so that a minimal sealing gap
on the turbine is maintained under all operating conditions while the
rotating parts are kept in a pressure equalization position. The resulting
Axial load on the bearing 20 is essentially determined by the springs 25
Value held constant. The labyrinth seals 30 and 33 can be designed so
that when the shaft 16 is in its nominal axial position, the air flow,
which is indicated by the arrows, is effective for cooling purposes. The inventive
Training was described above in connection with a turbine rotor disk 15,
however, it could also be used in conjunction with a compressor rotor disk
Find.