DE2209713C3 - Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk, bei welchem ein Kompressor und eine Turbine auf einer gemeinsamen Welle getragen sind, die wenigstens nahe dem Kompressor und nahe der Turbine unter Verwendung eines Loslagers und eines Festlagers gelagert ist, wobei der Kompressor an die Welle einen axialen Schub anlegt, der größer als der entgegengesetzt gerichtete axiale Schub ist, der von der Turbine an die Welle angelegt wird.

Bei bekannten Gasturbinentriebwerken ist das kompressorseitige Lager der gemeinsamen Welle als ein Axialschub aufnehmendes Festlager, und das turbinenseitige Lager als Loslager ausgebildet. Diese Anordnung ist durch die Sorge gerechtfertigt, in allen Betriebszuständen ein möglichst geringes axiales Spiel zwischen den Spitzen der Schaufeln des Kompressors und den benachbarten Gleichrichterbeschaufelungen aufrechtzuerhalten, um die bestmögliche Leistung zu erzielen. Tatsächlich sind bei den klassichen Ausführungsformen die Enden der Turbinenschaufeln mit Ansätzen oder Wulsten versehen, um Vibrationen zu vermeiden, während die Enden der Schaufeln des Kompressors frei von solchen Ansätzen sind. Das Fehlen dieser Ansätze würde, falls das Festlager von dem Kompressor entfernt angeordnet wäre, eine Änderung des axialen Spiels am Ende der Schaufeln des Kompressors unter dem Einfluß von thermisch bedingten axialen Verschiebungen des Rotors des Kompressors hervorrufen. Im Fall eines Zweiwellen-Triebwerks, das einen Niederdruckkompressor enthält, dessen erste Stufe ein Gebläse bildet, würde die Änderung des S axialen Spiels an der Spitze der Schaufeln des Gebläses offensichtlich einen maximalen Wert haben.

Aus diesem Grund wird das Festlager möglichst nahe an dem Kompressor angeordnet und zwischen den Beschaufelungen der Turbine ein ausreichender Zwischenraum vorgesehen, um die axialen Wärmedehnungen aufzunehmen. Dieser Zwischenraum setzt jedoch die Leistung der Turbine herab, und zwar deshalb, weil er der Ventilationsluft, die in dem die Lager enthaltenden Raum umläuft, ermöglicht, in den in der Turbine arbeitenden Gasstrom einzudringen.

Bei den bekannten Ausführungen kann bei einem Bruch der Welle der Turbinenrotor sich axial verschieben, bis seine Schaufeln sich an den Statorschaufeln reiben, so daß ein Durchdrehen des Turbinenrotors verhindert ist, welches zu einem Bersten der gesamten Turbine führen kann.

Es ist ein Gasturbinentriebwerk bekannt (GB-PS

9 31 904), bei welchem die einen Kompressor und eine Turbine tragende Welle zwei axial zueinander ver-

is schiebbare Teile aufweist, wobei das kompressorseitige

Lager und das turbinenseitige Lager jeweils als Festlager gebildet ist. Das turbinenseitige Festlager

besitzt zwei Einzellager, von denen das eine ortsfest, und von denen das andere in axialer Richtung entgegengesetzt zu dem von der Turbine ausgeübten Axialschub belastet und verschiebbar ist.

Es ist auch ein Gasturbinentriebwerk bekannt

(GB-PS 9 65 465), bei welchem die Niederdruckturbine einen stromabwärts von ihr liegenden leichten Hilfskompressor antreibt, dessen Axialschub in der gleichen

Richtung wie der Axialschub der Turbine wirkt. Die Verbindungswelle ist turbinenseitig in einem Festlager, und und verdichterseitig in einem axial verschiebbaren in Richtung gegen den Axialschub von Turbine und Hilfskompressor belasteten Schublagern gelagert.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gasturbinentriebwerk einleitend genannter Art so auszuführen, daß unter Beibehaltung des Merkmales, daß bei Wellenbruch der Turbinenrotor sich axial verschieben kann, bis er sich an seinen Statorschaufeln reibt, das kompressorseitige Lager als Loslager ausgeführt werden kann. Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß das Fes'.lager nahe der Turbine an einem verschiebbaren Halter angeordnet ist, der in Richtung des Schubs des Verdichters an einem Widerlager anliegend in einer Stellung gehalten ist, in der er die Drehung des Rotors der Turbine zuläßt, aber zusammen mit dem Festlager in Richtung des Schubes der Turbine axial bis in eine Stellung verschiebbar ist, in welcher die Schaufeln des Rotors der Turbine an der Beschaufelung ihres Stators reiben.

Gemäß einer bevorzugten Ausfühningsform ist das Gasturbinentriebwerk dadurch gekennzeichnet, daß der Halter für das Festlager von einem feststehenden Teil des Triebwerks unter Zwischenfügung einer ringförmigen biegsamen Scheibe abgestützt ist, und einen Körper aufweist, der mit einem mit radialem Spiel in bezug auf einen feststehenden Teil angeordneten Vorsprung und mit einer frontalen Fläche versehen ist, die durch den Schub des Verdichters in Anlage an dem Widerlager gehalten ist, und daß der Körper weiter einen sich axial erstreckenden Ansatz aufweist, der mit einem Vorsprung versehen ist, welcher mit radialem Spiel in bezug

auf einen weiteren feststehenden Teil angeordnet ist

Durch die Erfindung ist es möglich, die Nachteile zu vermeiden, die sich bei Ausbildung des kompressorseitigen Lagers als Festlager ergeben, was beispielsweise für Kompressoren vorteilhaft ist, bei denen eine Änderung des radialen Spiels unter der Wirkung von Wärmeausdehnungen die Leistung des Kompressors nicht nachteilig beeinflußt. Dieser Fall Hegt insbesondere bei Gasturbinentriebwerken vor, die ein einziges Gebläserad aufweisen, das in axialem Abstand von dem Gleichrichter des Gebläses liegt, um das von dem Gebläse ausgehende Geräusch zu vermindern; wenn außerdem die Luft in Form einer zylindrischen Strömung das Gebläse durchströmt, bewirkt eine beträchtliche Änderung des axialen Spiels des Gebläses keine Änderung der Leistung. Gleichzeitig ist ermöglicht, daß bei Wellenbruch der Turbinenrotor sich axial verschieben kann, bis er sich an seinen Statorschaufeln reibt, so daß die Gefahr eines Berstens der gesamten Turbine nicht auftreten kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

F i g. I ist eine schematische axiale Halbschnittansicht des vorderen und des hinteren Teils eines Gasturbinentriebwerks gemäß der Erfindung.

F i g. 2 ist eine der F i g. 1 ähnliche Teilschnittansicht, welche die Ausbildung und Anordnung des Drucklagers in größerem Maßstab wiedergibt.

Das in F i g. 1 teilweise dargestellte Gasturbinentriebwerk weist einen Niederdruckkompressor 1 auf, dessen Rotor 2 am vorderen Ende einer Welle 3 angeordnet ist, die an ihrem hinteren Ende den Rotor 4 einer Niederdruckturbine 5 trägt.

Der in der Zeichnung nicht dargestellte Zwischenteil des Triebwerkes enthält in bekannter Weise einen Hochdruckkompressor, der stromab des Niederdruckkompressors 1 an dem vorderen Ende einer Hohlwelle angeordnet ist, welche die Welle 3 gleichachsig umgibt, durch das innere Gehäuse einer Brennkammer hindurchgeht un- an ihrem hinteren Ende eine stromauf der Niederdruckturbine 5 befindliche Hochdruckturbine trägt.

Mit 6 sind die von dem Rotor 2 getragenen beweglichen Schaufeln des Kompressors 1 und mit 7 seine von einem Gehäuse 8 getragenen feststehenden Schaufeln bezeichnet. Die am vorderen Ende des Triebwerks angesaugte Luft wird nacheinander von den Schaufeln 6 des Kompressors 1 und dann von dem Hochdruckkompressor komprimiert und dringt danach in die Brennkammer ein, wo sie einen Treibstoff verbrennt, um heiße Gase zu erzeugen, die aufeinanderfolgend in äer Hochdruckturbine und in der Niederdruckturbine 5 arbeiten, wonach sie in eine nicht dargestellte Düse abgegeben werden, um einen Vortriebsstrahl zu bilden. Der Rotor 2 des Kompressors 1 trägt außerdem vor seiner von den Schaufeln 6 gebildeten ersten Stufe ein Gebläserad 9, dessen Schaufeln 10 einen äußeren Luftstrom in Bewegung setzen, der danach durch einen Gleichrichter 11 hindurchströmt, um in bekannter Weise um die oben erwähnten Gehäuse herum eine äußere Luftströmung 12 zu bilden, die als Sekundärströmung bezeichnet wird.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist der Gleichrichter 11 in einem Abstand von den Schaufeln 10 des Gebläserades 9 angeordnet (um das von dem Gebläse erzeugte Geräusch zu vermindern), und der von den Schaufeln 10 des Gebläse.· »des 9 in Bewegung gesetzte Luftstrom ist im wesentlichen zylindrisch.

Die Welle 3 ist am vorderen Ende durch ein in Höhe des Kompressors 1 liegendes Lager 3a und am hinteren Ende durch ein in Höhe dei Turbine 5 liegendes, als Drucklager wirkendes Festlager 13 abgestützt. Die

S Welle 3 hat eine beachtliche Länge, da sie sich längs des Hochdruckkompressors, der Brennkammer und der Hochdruckturbine erstreckt, und sie ist im Betrieb Temperaturen ausgesetzt, die geringer als diejenigen der Gehäuse sind. Es ergeben sich daraus beträchtliche

ίο unterschiedliche Wärmedehnungen in Höhe des Gebläserades 9, jedoch kann dieses sie ohne Leistungsverlust aufnehmen.

Die Anordnung und Ausbildung des Festlagers 13 in dem Stator 14 der Turbine 5 sind in F i g. 2 näher veranschaulicht Das Drucklager 13 ist von einem Kugellager gebildet, dessen innerer Laufring 15 in bekannter Weise auf der Welle 3 mittels eines mit Gewinde versehenen Ringes 16 angeordnet ist, der den inneren Laufring 15 unter Zwischenfügung einer Ablenkplatte 17 und eines Schikane 18a tragenden Teils 18 gegen eine Schulter 3ödcr Welle ?. preßt Diese Schulter befindet sich nahe dem hinteren Ende der Welle 3, das mit dem Rotor 4 der Turbine 5 durch eine Kupplung 19 von der mit »curviccoupling« bezeiciineten Art verbunden ist. Der äußere Laufring 20 des Kugellagers 13 ist in einem ringförmigen Gehäuse 21 befestigt, mit dem bei 22a ein Teil 22 verbolzt ist der mit den Schikanen 18a zusammenwirkt.

Das Lagergehäuse 21 weist einen Körper 21a, auf den ein mit Gewinde versehener Ring 20a aufgeschraubt ist, der den äußeren Laufring 20 des Drucklagers 13 an dem Teil 22 hält, einen sich parallel zur Achse der Welle 3 erstreckenden zylindrischen Ansatz 216 und einen ebenen Schirm 21c in Form einer ringförmigen Scheibe auf, die nach Art einer Membran biegsam ist und sich in einer Querebene zur Außenseite des Körpers 21a erstreckt. Die biegsame Scheibe 21c ist an ihrem äußeren Umfang ohne Spiel in einem ringförn igen Ansatz 14a des Gehäuses 14 zentriert, mit der sie bei 23

4c verbolzt ist, um die radiale Lage des Lagers 13 zu gewährleisten. Der vordere Teil des Körpers 21a weist außen eine zylindrische Fläche 24 auf, die mit einem geringen radialen Spiel j\ in einem ringförmigen feststehenden Teil 146 des Gehäuses 14 angeordnet ist, der an der Vorderseite eine Schulter 14c aufweist, die ein Widerlager für eine frontale Fläche 24a des Körpers 21a bildet.

Das vordere Ende des zylindrischen Ansatzes 216 ist außen mit einem ringförmigen Vorsprung 25 (in Gestalt eines Teilwulstes bei der dargestellten Ausführungsform) versehen, der sich mit dem gleichen radialen Spiel j\ auf einem weiteren ringförmigen feststehenden Teil 14t/des Gehäuses 14 verschieben kann.
Im normalen Betrieb zieht der Kompressor 1 die Welle 3 mit einet Krrft nach vorn, die größer als die von der Turbine 5 auf die Welle 3 ausgeübte, nach hinten gerichtete Kraft ist. Die Resultierende dieser Kräfte ist daher nach vorn gerichtet und wird von der Widerlagerschulter Ac des Gehäuses 14 aufgenommen.

Im Fall eines Bruchs der Welle (der zwangsläufig vor dem Drucklager 13 auftritt) wirkt die von dem Kompressor 1 ausgeübte Kraft nicht mehr auf das Lager 13 ein, so daß dieses durch die von der Turbine 5 ausgeübte Kraft nach hinten gezogen wird. Diese Kraft verschiebt das Lagergehäuse 21 nach hinten, und die biegsame Scheibe 21c wird nach Art einer Membran um einen Betrag verformt, der ausreicht, daß die Schaufeln :26 (F i g. 1) des Rotors der Turbine an den Schaufeln 27

ihres Stators reiben, wobei das Lagergehäuse 21 durch das Zusammenwirken der Fläche 24 und der Fläche des Vorsprungs 25 mit den feststehenden Abstützteilen 146 bzw. 14d in dem Turbinengehäuse 14 im wesentlichen zentriert bleibt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Gasturbinentriebwerk, bei welchem ein Kompressor und eine Turbine auf einer gemeinsamen Welle getragen sind, die wenigstens nahe dem Kompressor und nahe der Turbine unter Verwendung eines Loslagers und eines Festlagers gelagert ist, wobei der Kompressor an die Welle einen axialen Schub anlegt, der größer als der entgegengesetzt gerichtete axiale Schub ist, der von der Turbine an die Welle angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Festlager (13) nahe ~cr Turbinen (5) an einem verschiebbaren Halter (21) angeordnet ist, der in Richtung des Schubs des Verdichters (1) an einem Widerlager (14a,) anliegend in einer Stellung gehalten ist, in der er die Drehung des Rotors (4) der Turbine (5) zuläßt, aber zusammen mit dem Festlager (13) in Richtung des Schubs der Turbine axiaJ öis in eine Stellung verschiebbar ist, in welcher die Schaufeln (26) des Rotors (4) der Turbine (5) an der Beschaufelung (27) ihres Stators reiben.

2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (21) für das Festlager (13) von einem feststehenden Teil des Triebwerks unter Zwischenfügcng einer ringförmigen biegsamen Scheibe (21ς) abgestützt ist und einen Körper (2t a) aufweist, der mit einem mit radialem Spiel in bezug auf einen feststehenden Teil (Hb) angeordneten Vorsprung und mit einer frontalen Fläche (24a) versehen ist, die durch den Schub des Verdichters (1) in Anlage an d/m Widerlager (14) (14c; gehalten ist, und daß der Körper (2Ia^ weiter einen sich axial erstreckenden Anritz(21Z>,J aufweist, der mit einem Vorsprung (25) versehen ist, welcher mit radialem Spiel in bezug auf einen weiteren feststehenden Teil (14d^angeordnet ist.