DE1814367C3 - Multi-shaft gas turbine engine - Google Patents
Multi-shaft gas turbine engineInfo
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Description
angeordneten Wellen verbunden sind, und daß jedes Turbinenrad über die zugehörige Welle mit zwei aufeinanderfolgenden Verdichter-Rotoren verbunden ist. wobei jedoch das erste und letzte Turbinenrad jeweils nur mit einem Verdichter-Rotor verbunden ist.arranged shafts are connected, and that each turbine wheel via the associated shaft with two successive compressor rotors connected. however, the first and last turbine wheel is connected to only one compressor rotor at a time.
Auf diese Weise werden als Antriebsverbindung zwischen den Turbinenrädern und den Verdichicr-Rotoren ausschließlich koaxial ineinander angeordnete Wellen verwendet, die somit einen übersichtlichen, raumsparenden Aufbau ermöglicht n. Dennoch, da mehr Tdibinenräder als Verdichterabschnitte vorgesehen sind, können die Drehzahlen der einzelnen Verdichter abschnitte in sehr weiten Grenzen gewähh werGen.This acts as a drive connection between the turbine wheels and the Verdichicr rotors exclusively coaxially arranged shafts are used, thus providing a clear, n allows space-saving construction. Nevertheless, since more Tdibine wheels are provided than compressor sections the speeds of the individual compressor sections can be chosen within very wide limits.
Vorteiiiijfte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the invention are shown in specified in the subclaims.
Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigtExemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings. It shows
Fig. 1 einen schematisierten Längsschnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Zweikrcis-Strahltriebwcrk, 1 shows a schematic longitudinal section through a two-circuit jet engine designed according to the invention,
Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Ansicht einer anderen Ausführungsform.FIG. 2 is a view corresponding to FIG. 1 other embodiment.
Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie NI-IN der F i g. 2.3 shows a cross section along the line NI-IN of FIG. 2.
Die F i g. 1 zeigt ein Zweikreis-Slrahliriebsverk mit einem Gehäuse I. Ein Eintrittslaufrad 2. das aus einem Strömungskanal 3 Luft ansaugt, fördert Luft in einen äußeren Kreis 4 und einen dazu parallel geschalteten inneren Kreis 5. die voneinander durch eine Wand 6 getrennt sind.The F i g. 1 shows a two-circuit Slrahliriebsverk with a housing I. An inlet impeller 2. which sucks in air from a flow channel 3, conveys air into one outer circle 4 and an inner circle 5 connected in parallel thereto, which are separated from one another by a wall 6 are separated.
Die Luft des inneren Kreises wird in einem aus mehreren Abschnitten bestehenden Verdichter 7 mit gegensinnig umlaufenden Schaufelkriinzen verdichtet, in einer Brennkammer 8 verbrannt und danach in einer Gasturbine 9 entspannt. Am Ausgang der Turbine werden die Verbrennungsgase durch einen Strömlings kanal IO einer Strahldüse (nicht dargestellt) zugeführt.The air of the inner circle is in a compressor 7 consisting of several sections opposite rotating blade rings compacted, burned in a combustion chamber 8 and then relaxed in a gas turbine 9. At the exit of the turbine the combustion gases are fed to a jet nozzle (not shown) through a flow channel IO.
Im dargestellten Ausführungsbeispicl weist der Verdichter 7 zwei Abschnitte 11,12 auf; es versteht sich jedoch \ on se'bst, daß die Erfindung nicht auf diese Zahl beschränkt ist. Die Turbine 9 besteht aus drei unabhängigen Laufrädern 13, 14, 15. Die Zahl dieser Laufräder ist somit um Eins größer als die Zahl der Verdichterabschnitte. Von den drei Laufrädern 13, 14, 15 rotieren jeweils zwei benachbarte in entgcgengesetzter Richtung. Die dargestellten feststehenden Leitschaufelkränze 16, 17 sind nicht unbedingt erforderlich, da die I.aufräder 13, 14,15 gegensinnig umlaufen.In the illustrated Ausführungsbeispicl the Compressor 7 has two sections 11, 12; it goes without saying however, the invention is not limited to this number. The turbine 9 consists of three independent impellers 13, 14, 15. The number of these impellers is thus one greater than the number of Compressor sections. Of the three running wheels 13, 14, 15 each two neighboring rotate in opposite directions Direction. The illustrated stationary guide vane rings 16, 17 are not absolutely necessary because the I. wheels 13, 14, 15 run in opposite directions.
Der erste Verdichterabschnitt Il besteht aus zwei Rotoren 18, 19, die in entgegengesetzter Richtung umlaufen. Die Schaufelkränzc der beiden Rotoren sind mit den Bezugsziffern 20, 21 bezeichnet. Die Schaufelkränze 21 des äußeren Rotors sind an ihrem äußeren Umfang mit einem gemeinsamen Außenring verbunden.The first compressor section II consists of two rotors 18, 19 which run in opposite directions circulate. The blade rings of the two rotors are denoted by the reference numerals 20, 21. The shovel rings 21 of the outer rotor are connected to a common outer ring on their outer circumference.
Der zweite Verdichtcrabschnitt 12 ist genauso wie der erste Verdichterabschnitt 11 ausgebildet und weist somit zwei gegensinnig umlaufende Rotoren 22, 23 mit Schaufclkrän/.cn 24, 25 auf, wobei der äußere Rotor 23 ebenfalls mit einem gemeinsamen Außenring verbunden ist. ftnThe second compressor section 12 is designed and has the same design as the first compressor section 11 thus two rotors 22, 23 rotating in opposite directions with Schaufclkrän / .cn 24, 25, the outer rotor 23 is also connected to a common outer ring. ftn
Die Laufräder der Turbine und dl ic verschiedenen Verdichtcrabschnitte sind durch Wellen 26, 27, 28 miteinander verbunden. Die Welle 26 verbindet das I lochdruL'krad 13 der Turbine mit dem inneren Rotor 22 des Hochdruck-Verdichterabschnitts; die Welk 27 u·, verbindet das Mitteldruckrad 14 der Turbine mit dem äußeren Rotor 23 des Hochdruck-Verdichter.ibschiiitts Mum- mil dem inneren Rotor 18 des Niederdruck Vor dichierabsehniiis; die Welle 28 verbindet das Niederdruckrad 15 der Turbine mit dem äußeren Rotor 19 des Niederdruck-Verdichterabschnitts. Die Welle 26 treibt außerdem das Eintiittslanfrad 2 an. Allein das Mitteldruckrad 14 treibt gleichzeitig zwei Rotoren an. die zwei aufeinanderfolgenden Verdichterabschnitten angehören. Die beiden anderen Turbinenräder 13 und 15 treiben dagegen jeweils nur einen einzigen Verdichterrotor an. Allgemein ausgedrückt: Bei einem Triebwerk, das η + 1 Turbinenräder aufweist, treiben allein die 11 - 1 mittleren Turbinenräder gleichzeitig zwei zu aufeinanderfolgenden Verdichtei abschniiten gehörenden Rotoren an. während die beiden äußeren Turbinenräder jeweils nur einen einzigen Rotor antreiben.The impellers of the turbine and the various compressor sections are connected to one another by shafts 26, 27, 28. The shaft 26 connects the I lochdruL'krad 13 of the turbine with the inner rotor 22 of the high pressure compressor section; the Welk 27 u ·, connects the medium pressure wheel 14 of the turbine with the outer rotor 23 of the high pressure compressor. the shaft 28 connects the low pressure wheel 15 of the turbine to the outer rotor 19 of the low pressure compressor section. The shaft 26 also drives the Eintiittslanfrad 2 on. The medium pressure wheel 14 alone drives two rotors at the same time. which belong to two consecutive compressor sections. The other two turbine wheels 13 and 15, on the other hand, each drive only a single compressor rotor. In general terms: In an engine that has η + 1 turbine wheels, the 11-1 middle turbine wheels alone drive two rotors belonging to successive compression sections at the same time. while the two outer turbine wheels each drive only a single rotor.
Die Zentrierung der verschiedenen rotierenden Bauteile wird nun erläutert. Die Welle 26. die den inneren Rotor 22 des Mochdruck-Verdichterabschnius antreibt, ist durch ein vorderes Lager 29. das von einem stromaufwärts liegenden Flansch des äußeren Rotors des Hochdruck-Verdichicrabschnitts getragen wird, und durch ein hinteres Lager 30. das sich am Gehäuse abstützt, gelagert.The centering of the various rotating components will now be explained. The wave 26. the den inner rotor 22 of the Mochdruck-Verdichterabschnius drives is through a front bearing 29th of a upstream flange of the outer rotor of the high pressure Verdichicrabschnitts is supported, and supported by a rear bearing 30. which is supported on the housing.
Die Welle 27. die den äußeren Rotor 2] des Hochdruck-Vcrdichlerabschniits und den inneren Rotor 18 des Niederdruck-Verdichterabschnitts antreibt, besteht aus zwei Abschniiten. die durch eine Keilnutserbindung 31 miteinander verbunden sind. Der stmmaufliegenJe Abschnitt 27.1 dieser Welle, der die beiden Rotoren miteinander verbindet, ist durch ein sorderes Lager 32 und ein hinteres Lager 33.die sich am Gehäuse abstützen, gelagert.The shaft 27. which the outer rotor 2] des High pressure compressor sections and the inner rotor 18 drives the low pressure compressor section, consists from two sections. which are connected to one another by a keyway connection 31. The mutually supportive Section 27.1 of this wave, which covers the two Connecting rotors to one another is through a front bearing 32 and a rear bearing 33. which are located on the housing support, stored.
Der stromabwärtsliegende Abschnitt tier Welle 21. der vom Turbinenrad 14 weggeht, ist some durch die Keilnuiserbindung 31 und hinten durch ein Lager 54. das sieh an der Welle 28 abstützt, gelagen.The downstream portion of the shaft 21. going away from turbine wheel 14 is some through that Wedge connection 31 and behind by a bearing 54. the see supported on the shaft 28, lay.
Die Welle 28. die das Eintrittslaufrad 2 und den äußeren Rotor 19 des Niedcrdruck-Vcrdichterabschnitts antreibt, svird durch ein Lager 35. das in dem vorderen Lagerzapfen des inneren Rotors ties Nieder druck-Vcrdichterabschnitts angeordnet ist. und durch ein hinteres Lager 36. das sich am Gehäuse abstützt. gelagert.The shaft 28. which the inlet impeller 2 and the outer rotor 19 of the low pressure compressor section drives, it is driven by a bearing 35. which lowers in the front bearing journal of the inner rotor Druck-Vcrichterabschnitts is arranged. and by a rear bearing 36 which is supported on the housing. stored.
Der äußere Rotor 23 des Hochdruck-Verdichterabschnitts ist vorne mittels einer Kcilnuivcrbindung Ϊ7 aiii der Welle 27.Ί und hinten durch ein Lager 38. das sich am Gehäuse abstützt, gelagert.The outer rotor 23 of the high pressure compressor section is at the front by means of a linkage Ϊ7 aiii the shaft 27.Ί and behind by a bearing 38. which is located on the Housing supported, stored.
Die Lager 29, 33, 34, 35 und 38 sind vorzugsweise Rollenlager, während es sich bei den Lagern 30, 32, 36 vorzugsweise um Kugellager handelt.The bearings 29, 33, 34, 35 and 38 are preferred Roller bearings, while the bearings 30, 32, 36 are preferably ball bearings.
Wie bereits erwähnt, hat ein derartiges Triebwerk den Vorteil, daß nur eine beschrankte Anzahl von unabhängigen Wellen zwischen der Turbine und dem Verdichter verwendet wird,daß eine bessere Lastaufteilung zwischen den verschiedenen Bauteilen des Verdichters und der Turbine erzielt wird und daß in sämtlichen Verdichtcrabscnnittcn mit höherem Wirkungsgrad als bei den bekannten Triebwerken gearbeitet wird. Ferner isi tier innere Rotor 22 dos Hochdriick-Verdichterabschniits »frei«, d.h., er ist das einzige Bauteil, das (über die Welle 26) vom Ilochdruck-Tnrbinenrad 13 angetrieben svird, Seine Drehzahl wird somit nicht durch einen mit ihm gekoppelten Rotor mit Außenring begrenzt, einen Rotor also, der aufgrund seines Außenrings erhöhten Zentrifugalkräften ausgesetzt ist. Durch diesen inncp.-n I luclHlruck-Verdichierrotor verfügt man somit über einen Vcrdichtcrteil. den man bis an die Grenzen seinerAs already mentioned, has such an engine the advantage that only a limited number of independent shafts between the turbine and the Compressor is used that better load sharing is achieved between the various components of the compressor and the turbine and that in all compressor sections with higher efficiency than is used with the known engines. Furthermore isi tier inner rotor 22 dos High-pressure compressor section "free", i.e. it is that The only component that is driven (via the shaft 26) by the Ilochdruck-Tnrbinenrad 13, Seine Speed is therefore not limited by a rotor with an outer ring coupled to it, a In other words, a rotor that is exposed to increased centrifugal forces due to its outer ring. Through this inncp.-n I luclHlruck compression rotor is thus available a sealing part. that you push to the limits of your
Möglichkeit ausnutzen kann, was dem Gesamtwirkungsgrad zugute kommt.Possibility can take advantage of what the overall efficiency benefits.
Die F i g. 2 betrifft eine weitere Ausführungsform der Erfindung. In dieser Figur findet man die in der Fig. 1 gezeigten wesentlichen Bauteile wieder, für clic dieselben Bezugsziffern verwendet wurden, und zwar das Eintrittslaufrad 2. den Verdichter 7 mit zwei Abschnitten II. 12. die Turbine 9 mit unabhängigen Laufrädern 13, 14, 15 und die Wellen 26, 27, 28. Wie im Fall der F i g. 1 wird der Rotor 19 (mit dem Außenring) des Niedcrdruck-Vcrdiehicrabschnilts 11 gemeinsam mit dem Eintrittslaufrad 2 vom Niederdruck-Laufrad 15 der Turbine 9 über die Welle 28 angciricben. während der innere Rotor 18 dieses Vcrdichtcrabschnitts über die Welle 27 vom Mitieldruck-Laufrad 14 der Turbine angetrieben wird.The F i g. 2 relates to a further embodiment of FIG Invention. In this figure one finds those in FIG. 1 The essential components shown again, for clic the same reference numerals have been used, namely the inlet impeller 2. the compressor 7 with two sections II. 12. the turbine 9 with independent Impellers 13, 14, 15 and the shafts 26, 27, 28. As in Case of fig. 1, the rotor 19 (with the outer ring) of the low-pressure Vcrdiehicrabschnilts 11 is common angciricben with the inlet impeller 2 from the low-pressure impeller 15 of the turbine 9 via the shaft 28. while the inner rotor 18 of this sealing section via the shaft 27 from the medium pressure impeller 14 of the turbine is driven.
Die in dieser Figur dargestellte Aiisführungsform unterscheidet sich von der in der Fi g. I dargestellten im wesentlichen durch den Aufbau des Hochdruck-Vcrdichicrabschnilts 12 und den Antrieb der gcgcnsinnig ^o rotierenden Schaulelkrän/e 40, 41 des Verdichters durch die Hochdruck- und Miucldruck-Laufrädcr 13, 14 der Turbine 9. Zweck dieser Anordnung ist einerseits, den Außenring des Hochdruck-Verdichterabschnitis überflüssig /u machen, und andererseits gegensinnig rotierende, unabhängige Schaufelräder vorzusehen, die getrennt voneinander steuerbar sind, so daß höhere Drehzahlen und somit eine Steigerung des Druckvcrhältnisses pro Stufe möglich sind.The embodiment shown in this figure differs from that in Fig. I depicted in essentially through the structure of the high-pressure Vcrdichicrabschnilts 12 and the drive of the sensible ^ o rotating rocker cranes 40, 41 of the compressor by the high and low pressure impellers 13, 14 the turbine 9. The purpose of this arrangement is on the one hand, make the outer ring of the high pressure compressor section superfluous, and on the other hand in opposite directions to provide rotating, independent paddle wheels that can be controlled separately from one another, so that higher speeds and thus an increase in the pressure ratio are possible per level.
Wie die I" ig. 2 /eigt. worden die Schaufclkriin/e 40,Like the I "ig. 2 / shown the Schaufclkriin / e 40,
41 des Hochdruck-Verdiehlcrabschnitls von Scheiben41 of the high pressure Verdiehlcrabschnittls of disks
42 b/\\. 43 getragen, die unabhängig voneinander mittels Kugellager 44, 45 im Gehäuse gelagert sind. Diese Scheiben weisen jeweils einen axialen Ansät/ auf. der in einem innenveivahnten Rad 46 (für die Scheiben 42) b/w. 47 (für die Scheiben 43) mündet. )edes der Zahnräder 46 steht mit einem Riiy-el 48 in Eingriff, das mit einer Welle 49 drehfesl verbunden ist. Die Welle 49 ist mittels Lager 50, 51 im Gehäuse gelagert. In gleicher Weise steht jedes Zahnrad 47 mit wenigstens einem Ritzel 52 in Eingriff, das mit einer Welle 53. die mittels Lager 54, 55 im Gehäuse gelagert ist. drehfest42 b / \\. 43 worn independently are mounted in the housing by means of ball bearings 44, 45. These disks each have an axial seed / on. in an internally toothed wheel 46 (for the disks 42) b / w. 47 (for the disks 43) opens. ) edes der Gears 46 is in engagement with a Riiy-el 48, the is rotatably connected to a shaft 49. The shaft 49 is supported in the housing by means of bearings 50, 51. In the same Way is each gear 47 with at least one pinion 52 meshed with a shaft 53. The means Bearing 54, 55 is mounted in the housing. non-rotatable
\erblinden ist. Die Anzahl der Ritzel 48, 52. die den Zahnrädern 46,47 zugeordnet sind, beträgt vorzugsweise drei pro Zahnrad: die Ritzel sind über den Umfang verteil» angeordnet.\ is blind. The number of pinions 48, 52. the Gear wheels 46,47 are assigned, is preferably three per gearwheel: the pinions are arranged around the circumference ».
|edc der Wellen 49 und 53 ist mit einem zusätzlichen Zahnrad 56 bzw. 57 drehfest verbunden, die an dem der Turbine zugewandten F.ndc der betreffenden Welle angeordnet sind.| edc of the shafts 49 and 53 is non-rotatably connected to an additional gear 56 and 57, which is connected to the Turbine facing F.ndc of the shaft in question are arranged.
Die Ritzel 56, deren Anzahl im gewählten Beispiel drei beträgt (s. F i g. 3), stehen mit einem innenverzahnten Zahnrad 58 in Eingriff, das mit der Welle 26 fest verbunden ist. In gleicher Weise stehen die Zahnräder 57, deren Zahl ebenfalls drei beträgt, mit einem weiteren innenverzahnlen Zahnrad 59 in Eingriff, das mit der Welle 27 drehfest verbunden ist.The pinions 56, the number of which is three in the example chosen (see FIG. 3), have an internally toothed one Gear 58 in engagement, which is fixedly connected to the shaft 26. The gears are in the same way 57, the number of which is also three, with a further internally toothed gear 59 in engagement with the Shaft 27 is rotatably connected.
Die Welle 28, die den äußeren Rotor 19 des Nicderdruck-Verdichterabschnitts sowie das Eintriltslaufrad 2 antreibt, ist vorne mittels cinis Lagers 60 und hinten mittels eines Lagers (>1 gelagert, die sich beide am Gehäuse abstützen. Die Welle 27, die den inneren Rotor 18 des Niederdruck-Vcrdichterabschnitts und die Schaufelkränzc 41 des Hochdruck-Verdichterabschniits antreibt, ist vorne mittels eines Lagers 62, das sich am Gehäuse abstützt, und hinten mittels eines Lagers 63. das von der Welle 28 getragen wird, gelagert. Die Welle 26, die die Schaufelkränzc 40 antreibt, ist im Gehäuse mittels zweier Lager 64,65 gelagert. Die Lager 60, 62, 64 sind vorteilhafterweise Kugellager, während die Lager61,63,65 vorzugsweise Rollenlager sind.The shaft 28, the outer rotor 19 of the Nicder pressure compressor section and the Eintriltslaufrad 2 drives is at the front by means of cinis bearings 60 and at the rear by means of a bearing (> 1, both of which are located on the Support the housing. The shaft 27, the inner rotor 18 of the low pressure compressor section and the Blade ring 41 of the high pressure compressor section drives is at the front by means of a bearing 62, which is supported on the housing, and at the rear by means of a bearing 63. which is carried by the shaft 28, stored. The shaft 26, which drives the blade ring 40, is in the housing stored by means of two bearings 64,65. The bearings 60, 62, 64 are advantageously ball bearings, while the Bearings61,63,65 are preferably roller bearings.
Im Betrieb treibt das Hochdruckrad 13 der Turbine das Zahnrad 58 und somit über die Zahnräder 56,48 und 46 die Schaufclkränze 40 des Hochdruck-Verdichterabschnitts an.In operation, the high pressure wheel 13 of the turbine drives the gear 58 and thus via the gear wheels 56, 48 and 46, the impeller rims 40 of the high pressure compressor section.
Das Mitleldruckrad 14 der Turbine treibt in umgekehrter Richtung über die Welle 27, das Zahnrad 59. die Zahnräder 57 und 52 und die Zahnräder 47. die Schaufelkränzc 41 des Hochdruck-Vcrdichlcrabschnitts an.The middle pressure wheel 14 of the turbine drives in reverse direction via the shaft 27, the gear 59. the gears 57 and 52 and the gears 47. the Blade ring 41 of the high pressure valve section on.
Die Übersetzungsverhältnisse zwischen den Zahnrädern 48 und den Zahnrädern 46 bzw. zwischen den Zahnrädern 52 und den Zahnrädern 47 sind im dargestellten Beispiel für sämtliche Stufen des Hochdruckabsehnilts gleich: es versteht sich jedoch von selbst, daß diese Verhältnisse den jeweiligen Verhältnissen entsprechend für jede Stufe gesondert gewählt werden könnten.The gear ratios between the gears 48 and the gears 46 or between the In the example shown, gears 52 and gears 47 are for all stages of the high-pressure absorption the same: it goes without saying, however, that these relationships correspond to the respective relationships could accordingly be selected separately for each level.
Der Verzicht auf die äußere I lülsc im Hochdruck-Verdichlerabschnitl gibt, wie bereits erwähnt, die Möglichkeit, die Drehzahl der Schaufelkränzc zu erhöhen, somit das Gesamtverdichtungsverhältnis des Verdichters zu vergrößern und somit bei gegebener Temperatur am Eintritt der Turbine den Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks zu verbessern.The waiver of the outer I lülsc in the high-pressure compressor section gives, as already mentioned, the possibility of adjusting the speed of the blade ring increase, thus increasing the overall compression ratio of the compressor and thus at a given Temperature at the inlet of the turbine to improve the overall efficiency of the engine.
Kicr^is-2*Blatt ZeichnungenKicr ^ is-2 * sheets of drawings
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