DE2140337B2

DE2140337B2 - Gasturbinentriebwerk mit wärmebeweglich gelagerter Welle

Info

Publication number: DE2140337B2
Application number: DE2140337A
Authority: DE
Inventors: James Alexander Littleover Derby Petrie
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1970-08-14
Filing date: 1971-08-11
Publication date: 1975-04-10
Also published as: DE2140337C3; US3709637A; DE2140337A1; GB1316452A; FR2102268B1; FR2102268A1; JPS5217180B1

Description

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den Zeichnungen dargestellt und werden im folgen- Die wärmedehnungsbedingte Verschiebung des Geden näher beschrieben. häuses zwischen der Ebene X-X und einer weiteren

Es zeigt Radialebene Y-Y ist gleich der Summe der Wärme-

F i g. 1 schematisch ein Gasturbinentriebwerk, bei dehnungen der zwischen diesen beiden Ebenen gelewelchem die erfindungsgemäße Lehre anwendbar ist, 5 genen verschiedenen Teile des Gehäuses 18.

F i g. 2 als Einzelheit das Hochdrucksystem des in Das Zwischenstück 23 und die Art seiner Verbin-

F i g. 1 dargestellten Gasturbinentriebwerkes nach dung mit der Welle und mit dem Zusatzteil 20 ist als der Erfindung, Einzelheit in F i g. 4 dargestellt.

F i g. 3 eine weitere Ausführungsform des in Das Zusatzteil 20 ist an seinem hinteren Ende mit

F i g. 1 dargestellten Gasturbinentriebwerkes nach " einem Außengewinde 50 und mit axial vorragenden der Erfindung und Anschlägen Sl versehen. Das Gewinde 50 greift in

F i g. 4 als Einzelheit die Verbindung zwischen der ein am Zwischenstück 23 gebildetes Innengewinde Welle und dem zylindrischen Zusatzteil. ein, während die Anschläge 51 mit entsprechenden

In F i g. 1 ist schematisch ein Bypass-Gaturbinen- Anschlägen an einer Verriegelungsbüchse 52 zusamtriebwerk dargestellt, welches eine Verdichteranord- »5 menwirken. Die Büchse 52 ist an ihrer radialen nung 1, eine Brenneinrichtung 2, eine Turbine 3 und Außenfläche mit radial vorragenden Keilen 53 verseeine Schubdüse 4 aufweist. Das dargestellte Trieb- hen, die mit entsprechenden Innenkeilen an dem werk ist ein Dreiwellentriebwerk. Ein Teil der in dem Zwischenstück 23 zusammenwirken. Die gesamte Niederdruckverdichter der Verdichteranordnung 1 Verbindung wird durch eine Mutter 54 festgehalten, verdichteten Luft strömt durch einen Bypasskanal5 so welche in ein weiteres Innengewinde 55 am Zwi- und wird vor dem Ausstoß in die Atmosphäre mit schenstück 23 eingeschraubt ist.
dem Turbinenabgas vermischt. Das Zwischenstück 23 ist aus dem gleichen Matein F i g. 2 ist das Hochdrucksystem des in F i g. 1 rial wie die Welle bzw. aus einem Material mit gleigezeichneten Gasturbinentriebwerks dargestellt. Der chem Temperaturdehnungskoeffizienten hergestellt, sechs Laufrad- und sechs Leitradstufen 7 bzw. 8 auf- ²5 so daß die Verbindung zwischen dem Zwischenstück weisende Hochdruckverdichter 6 führt der Brennein- und der Welle nach Art einer herkömmlichen Currichtung 2 über einen Diffusor 9 unter hohem Druck vic-Kupplung erfolgen kann. Durch die beschriebene stehende Luft zu. Über Brenner 10 zugeführter Verbindung des Zwischenstücks 23 mit dem zylindri-Brennstoff wird in der Brennkammer 11 verbrannt. sehen Zusatzteil 20 wird den Auswirkungen unter-Die heißen Verbrennungsgase strömen durch einen 3° schiedlicher Wärmedehnung, welche eine Lockerung Leitschaufelkranz 12 hindurch zum Laufrad der der Schraubverbindung 50 hervorrufen könnten, Hochdruckturbine 13 und von da aus zu den übrigen durch die Keile 53 und die Anschläge 51 begegnet. Turbinenstufen des Triebwerks. Außerdem kann die Gewindeverbindung 50 zur Ein-

Die Hochdruckturbine 13 und der Hochdruckver- stellung der Ausgangsgröße des Dichtspalts zwischen dichter 6 sind über eine Welle 14 miteinander ver- 35 dem Turbinenläufer und dem benachbarten festen bunden, welche an ihren Enden jeweils in Rollenla- Aufbau verwendet werden.

gern 15 und 16 gelagert ist. Diese Rollenlager lassen Die Lage der Verbindung zwischen dem Zusatzteil

eine axiale Wärmedehnung der aus der Turbine, dem und der Welle wird so berechnet, daß der Dichtspalt Verdichter und der Welle gebildeten Anordnung zu. bei jedem Nennbetriebszustand des Triebwerks er-Der Turbinenläufer 13 trägt axial vorragende 4o halten bleibt.

Dichtrippen 17, welche mit an den Düsenleitschau- Zur Erleichterung der Bestimmung der zur ebenfein 12 befestigten Dichtungsteilen 19 zusammenwir- genannten Berechnung erforderlichen Temperatur ken. des Zusatzteils bei der in F i g. 2 dargestellten Aus-

Die Welle 14 ist über ein zylindrisches Zusatzteil führungsform wird Luft mit genau bekannter Tempe-20 axial festgelegt, dessen stromab gelegenes Ende 45 ratur aus dem Verdichter durch Öffnungen 30 in der über ein Zwischenstück 23 an einer zwischen dem Welle in einen zwischen dem Zusatzteil 20 und Verdichter 6 und dem Turbinenläufer 13 gelegenen einem Dichtungsrohr 32 gebildeten Ringraum 31 einstelle an der Welle 14 befestigt ist und dessen strom- geleitet, so daß diese Luft die Außenfläche des zylinauf gelegenes Ende in einer Radialebene X-X an drischen Zusatzteils umströmt. An der Innenfläche einem als Festlager wirkenden Kugellager 21 gehal- 5° des zylindrischen Zusatzteils 20 strömt ein Gemisch tert ist. Die Ebene X-X stellt daher eine gemeinsame aus Kühlluft und öl, welches durch ein ölrohr 34 Bezugsebene für die Messung der Wärmedehnungen herangeführt wird und zur Kühlung der hinteren Lades Zusatzteils mit der Welle und des Triebwerksge- ger verwendet worden ist. Die Temperatur dieses Gehäuses dar. misches kann ebenfalls genau vorhergesagt werden.

Mit Bezug auf das Zusatzteil 20 dehnt sich also 55 Die Wandstärke des zylindrischen Zusatzteils 20 der verdichterseitige Teil der Welle stromaufwärts wird so gering wie praktisch möglich gehalten, damit und der turbinenseitige Wellenteil stromabwärts. Zur das Zusatzteil schnell auf Temperaturänderungen än-Verringerung der Stromabwärtsverschiebung der spricht.

Turbine mit Bezug auf die Ebene X-X ist das Zu- Die Temperatur des Gehäuses 18 kann sehr genau

Satzteil 20 aus einem Material mit niedrigerem Tem- ^6o vorhergesagt werden, da die Temperaturen der Byperaturdehnungskoeffizienten als demjenigen des passluft und der Brennkammerkühlluft auf dessen Materials der Welle 14 und des Gehäuses 18 herge- gegenüberliegenden Seiten sich nicht stark ändern,
stellt. Das Zusatzteil 20 ist aus einer Nickel-Kobalt-

Die wärmedehnungsbedingte axiale Verschiebung Stahl-Legierung mit einem Temperaturdehnungsdes Turbinenläufers 13 von der Ebene X-X aus nach ⁶5 koefflzienten zwischen 0,000102 grd"¹ und hinten, d.h. stromabwärts, ist gleich der Summe der 0,000127 grd"¹ hergestellt.

Wärmedehnungen des Zusatzteils 20, des Zwischen- Das Material der Welle ist eine Hochtemperaturle-

stücks 23 und des hinteren Teils 26 der Welle 14. gierung auf Nickelbasis. Das äußere Gehäuse 18 be-

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steht in den kühleren Bereichen, die den Hochdruck- Gleitverbindung 43 an ihrem stromauf gelegenen verdichter umschließen, hauptsächlich aus Titan, Ende.

während es in den Bereichen um die Brennkammer Der Ringraum 44 zwischen den Wänden 40 und

und um die Turbine herum aus einer Hochtempera- 41 wird mit Luft aus dem Verdichter versorgt, deren turlegierung auf Nickelbasis besteht. 5 Temperatur und Strömungsmenge ausreichend genau

Mit dieser Materialkombination und der in F i g. 2 bekannt sind. Diese Luft wird durch öffnungen 45 in gezeigten Anordnung kann der Dichtspalt zwischen der Innenwand 41 und öffnungen 46 in dem Triebden Dichtrippen 17 und den Leitschaufeln 12 im werksgehäuse stromab von dem Flansch 42 in den Nennbetriebszustand des Triebwerks auf einem Wert Bypasskanal 5 abgelassen und kann noch zur Kühim Bereich zwischen 0,25 und 0,51 mm gehalten wer- _i0 lung weiter stromabwärts gelegener heißer Teile der den. Turbine verwendet werden.

Dieser Spalt kann bei Inkaufnahme zusätzlichen Die Verwendung eines Materials mit niedrigerem

Gewichts durch die in F i g. 3 dargestellte abgewan- Temperaturdehnungskoeffizienten für die Außendelte Ausführungsform des gleichen Triebwerks wei- wand verringert die Wärmedehnung des Gehäuses, ter verringert werden. Identische Teile in F i g. 3 sind 15 Da außerdem die Temperatur und Menge der Luftmit den gleichen Bezugszahlen wie in Fig.2 verse- strömung auf beiden Seiten der Wand 40 bekannt hen und werden im einzelnen nicht näher beschrie- sind, kann die Temperatur der Wand und damit ihre ben. Ausdehnung leichter berechnet werden.

Bei dieser Anordnung ist zwar das zylindrische Gleichzeitig wird die Stromabwärtsverschiebung

Zusatzteil, wie mit Bezug auf F i g. 2 beschrieben, 20 des Turbinenläufers dadurch verringert, daß die vorhanden, darüber hinaus ist jedoch der die Brenn- Stelle, an welcher das zylindrische Zusatzteil auf die kammer umschließende Teil des äußeren Gehäuses Welle 14 trifft, weiter stromabwärts verlegt wird. Dadoppelwandig ausgeführt. Die äußere Wand ist aus durch läßt sich die Stromabwärtsverschiebung der Material mit niedrigem Temperaturdehnungskoeffi- Turbine leichter vorausbestimmen, weil das Zusatzzienten hergestellt. 25 teil eine größere Länge aufweist.

Die äußere Wand 40 ist verhältnismäßig dünn aus- Bei der Triebwerksanordnung gemäß Fi g. 3 kann

geführt, da sie nur geringe Belastungen aufzunehmen der Dichtspalt auf einem Wert im Bereich von 0,13 hat. Sie dehnt sich in bezug auf die gemeinsame Be- bis 0,39 mm gehalten werden.

zugsebene X-X nach hinten, d. h. stromabwärts, aus. Die Gehäuseöffnungen, durch welche die Brenner

Die innere Wand 41 stellt jedoch das Äquivalent für 30 10 hindurchgeführt sind, müssen so abgedichtet sein, die Gehäusewand 18 dar, welche in Fig. 2 die daß eine relative Wärmedehnung zwischen dem inne-Brennkammer umschließt. Sie ist stark genug ausge- ren und äußeren Gehäuse möglich ist. Dazu ist eine führt, damit sie den Verdichter 6 zu tragen vermag Büchse 50' in dem inneren Gehäuse eingeschraubt und dem Druck im Inneren des Triebwerks stand- und ein napfförmiges Teil 51' ist zwischen einem hält. Außerdem ist sie an einem Flansch 42 an ihrem 35 Bund 52' der Büchse und dem inneren Gehäuse anstromabwärts gelegenen Ende verankert, so daß sie geordnet. Das napfförmige Teil 51' kann sich in besieh axial in Stromaufwärtsrichtung ausdehnt. Die in- zug auf die Büchse 50' axial und in bezug auf das äunere Wand 41 trägt den Verdichter 6 mit Hilfe einer ßere Gehäuse radial verschieben.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 ... Die Erfindung betrifft ein Gasturbinentriebwerk Patentansprüche: mit einer wärmebeweglich gelagerten Welle gemäß

1. Gasturbinentriebwerk mit einer Welle, die Oberbegriff des vorstehenden Anspruchs 1.

an ihren Enden jeweils in eine axiale Wärmedeh- Ein solches Gasturbinentriebwerk ist aus der nung der Welle gestattenden Lagern — Losla- 5 CH-PS 4 85 946 bekannt, welche Maßnahmen zur gern — gelagert ist, und mit einem mit der Welle Verringerung der auf den Rotor wirkenden Axialverbundenen Läuferteil, das von einem in einer kräfte vorschlägt. Die Welle des bekannten Triebradialen Triebwerksebene am feststehenden Auf- werks ist an ihren beiden Enden in Loslagern gelabau gehalterten Dichtungsteil durch einen Axial- gert, die eine axiale Wärmedehnung des Rotors gedichtspalt getrennt ist, dadurch gekenn- io statten. Die axiale Festlegung der Welle erfolgt etwa zeichnet, daß an der Welle (14) in ihrem zwi- in Wellenmitte durch ein Festlager. Bei dem bekannschen den Loslagern (15, 16) liegenden Bereich ten Triebwerk sind keine Maßnahmen zur Beherrein sich axial erstreckendes Zusatzteil (20) mit schung der Größe eines Axialdichtspalts bei sich änseinem einen Ende befestigt ist, daß das Zusatz- dernden Temperaturen und den damit verbundenen teil (20) mit seinem anderen Ende in einer radia- 15 Wärmedehnungen der einzelnen Triebwerksteile gelen Triebwerksbezugsebene (X-X) im feststehen- troffen.

■den Aufbau (18) durch ein Festlager (21) axial Bei Hochleistungs-Gasturbinentriebwerken, in defestgelegt ist und daß das Material des Zusatzteils ren Arbeitsmittel hohe Drücke und Temperaturen er-(20) einen kleineren Temperaturdehnungskoeffi- zeugt werden, hat jedoch das Entweichen von Arzienten als den des Wellenmaterials aufweist. 20 foeitsmittel durch Dichtspalte hindurch, insbesondere

2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch ge- in der ersten Turbinenstufe, in welcher die Drücke kennzeichnet, daß das Läuferteil ein Turbinen- und Temperaturen am höchsten sind, eine erhebliche läufer (13) ist, welcher in an sich bekannter Verringerung der Gesamttriebwerksleistung zur Weise über die Welle (14) mit einem Triebwerks- Folge.

Verdichter (6) verbunden ist, und daß das Zusatz- 25 Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,

teil (20) ein zylindrisches Teil ist. bei einem Gasturbinentriebwerk gemäß Oberbegriff

3. Triebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch des vorstehenden Anspruchs 1 einen Axialdichtspalt gekennzeichnet, daß das Zusatzteil (20) in an sich zwischen einem mit der Welle verbundenen Läuferbekannter Weise mittels eines Kugellagers (21) in teil und einem Dichtungsteil am benachbarten festder Triebwerksbezugsebene (X-X) gelagert ist. 30 stehenden Aufbau insbesondere im Nennbetriebszu-

4. Triebwerk nach Anspruch 2 oder 3, dadurch stand des Triebwerks möglichst klein zu halten, um gekennzeichnet, daß sich die Triebwerksbezugs- das Entweichen von Treibmittel durch diesen Dichtebene (X-X) stromauf des mit der Welle (14) ver- spalt hindurch zu verringern.

bundenen Verdichters (6) befindet. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch

5. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 35 die im Kennzeichen des vorstehenden Anspruchs 1

4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung angegebenen Merkmale gelöst.

der Temperatur des Zusatzteils (20) aus einem Die Erfindung bringt den technischen Fortschritt,

Verdichter (6) des Triebwerks ausgetretene Luft daß durch die mittelbare axiale Festlegung der Welle

über mindestens eine Fläche des Zusatzteils gelei- mittels eines Zusatzteils mit kleinerem Temperatur-

tetwird. 4° dehnungskoeffizienten als demjenigen der Welle die

6. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis durch die Wärmedehnung bedingte axiale Verschie-

5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse (18) bung des Läuferteils der axialen Wärmedehnung des des Triebwerks Teil des feststehenden Aufbaus Triebwerksgehäuses bzw. des feststehenden Aufbaus ist und daß mindestens ein Teil dieses Gehäuses angepaßt werden kann. Die Größe des Axialdichtzwischen den beiden genannten radialen Trieb- 45 spalts zwischen dem Läuferteil und dem feststehenwerksebenen (X-X, Y-Y) aus einem Material be- den Aufbau ändert sich dadurch bei sich ändernden steht, dessen Temperaturdehnungskoeffizient Temperaturen nur in sehr kleinen Grenzen,
niedriger ist als der Temperaturdehnungskoeffi- Aus der CH-PS 3 14 750 ist zwar ein Triebwerk zient des übrigen Teils des Gehäuses zwischen bekannt, bei welchem die Welle mittels eines kein den beiden radialen Triebwerksebenen. 5° Drehmoment übertragenden Wellenansatzes axial

7. Triebwerk nach Anspruch 6, dadurch ge- festgelegt ist, jedoch ist dieser kurze, konische WeI-kennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Ge- lenansatz des bekannten Triebwerks in keiner Hinhäuses eine innere Wand (41) und in radialem sieht mit dem Zusatzteil des erfindungsgemäßen Abstand davon eine äußere Wand (40) aufweist, Triebwerks vergleichbar, da er nur der Befestigung wobei die äußere Wand das Dichtungsteil (19) 55 der Welle auf dem diese axial festlegenden' Lager trägt und aus dem genannten Material mit nied- dient.

rigem Temperaturdehnungskoeffizienten besteht, Bevorzugte Ausführungsformen und Ausgestaltun-

und daß Einrichtungen vorgesehen sind, welche gen der Erfindung sind in den vorstehenden Unteran-

aus einem Verdichter (z. B. 6) des Triebwerks Sprüchen angegeben.

austretende Kühlluft in den zwischen der inneren 60 Die jeweils erforderliche Lage der Verbindungsund äußeren Wand gebildeten Raum (44) einlei- stelle zwischen dem Zusatzteil und der Welle läßt ten. sich aus den Längen der Welle, des Zusatzteils und

8. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis des Triebwerksgehäuses und den Betriebstemperatur 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit ren dieser Teile errechnen.

dem verhältnismäßig niedrigen Temperaturdeh- 65 Die Wandung des Zusatzteils ist vorzugsweise so

nungskoeffizienten eine Nickel-Kobalt-Stahl-Le- dünn wie möglich gehalten, um ein schnelles Anspre-

gierung ist. chen auf Temperaturänderungen zu gewährleisten.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in