DE2406303A1

DE2406303A1 - Turbogeblaesetriebwerk mit gegenlaeufigen verdichter- und turbinenelementen und neuartiger geblaeseanordnung

Info

Publication number: DE2406303A1
Application number: DE19742406303
Authority: DE
Inventors: Carmen Bramel Jones
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1973-02-12
Filing date: 1974-02-09
Publication date: 1974-08-15
Also published as: US3861139A; FR2217545A1; BR7400857A; JPS49112013A; BE810901A; GB1463722A; IT1006332B

Description

Patentanwalt

6 Frankfurt/ Main 1
Niddastr. 52

8. Februar 1974 WK/Cs

2617-13DV-5659

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y., U.S.A.

Turbogebläsetriebwerk mit gegenläufigen Verdichter- und Turbinenelementen und neuartiger Gebläseanordnung

Die Erfindung betrifft Gasturbinentriebwerke und insbesondere Turbostrahltriebwerke des Turbogebläsetyps.

Mit den Fortschritten auf dem Gebiet der Gasturbinentriebwerke und insbesondere solcher Triebwerke zur Verwendung zum Antrieb von Luftfahrzeugen erlangen der Gesamtwirkungsgrad der Triebwerke und das Triebwerksgewicht vorrangige Bedeutung. Im gewöhnlichen Falle beinhaltet ein Gasturbinentriebwerk einen Verdichter zuri Arbeitsleistung an einem eintretenden Luftstrom und eine Turbine zur Entnahme von Energie aus einem ausströmenden Gasstrom, Jede dieser Baugruppen enthält eine Vielzahl von tragflügelprofilähnlichen Laufschaufeln und bildet einen beträchtlichen Teil

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des Gesamtgewichtes eines Triebwerkes. Df»her können Bemühungen in Richtung einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Turbine und des Verdichters und auch zur Verringerung ihres Gesamtgewichtes wesentliche Vorteile ergeben.

Bei einer bestimmten Ausführungsart von Gasturbinentriebwerken, die gewöhnlich als Turbogebläsetriebwerke bezeichnet werden, wird ein Gebläse durch einen Teil der Turbine angetrieben und verdichtet einen Luftstrom und stößt ihn aus, ohne denselben durch das Kerntriebwerk (einschließlich des Verdichters und der Turbine) zu leiten. Insbesondere liefert bezüglich von Triebwerken, die unterhalb des Schallbereiches arbeiten, das Gebläseelement von Turbogebläsetriebwerken einen beträchtlichen Anteil des durch ein Triebwerk erzeugten Schubs und daher werden Verbesserungen im Wirkungsgrad des Gebläses in starkem Maße die Gesamtleistung des Triebwerkes steigern.

Die vorliegende Erfindung beinhaltet Konzeptionen und eine Struktur zur beträchtlichen Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades von Verdichtern und Turbinen und auch von Gebläsen. Die Erfindung sieht ein Turbogebläsetriebwerk mit hohem Bypassverhältnis unter Verwendung einer Anordnung mit drei Spulen (spools) vor. Die Richtung der Drehung der drei Spulen ist so vorgesehen, daß man eine gegenläufige Drehbewegung benachbarter Reihen von Laufschaufeln im Innern des Verdichters und auch im Innern der Turbinenkomponente erhält. Der Aufbau ist dabei so gewählt und die Konstruktion so ausgeführt, deß eine einzigartige und vorteilhafte Anpassung des Gebläses für hohes Bypassverhältnis und seiner Antriebsturbine geschaffen wird.

Weiterhin bilden die gegenläufig rotierenden Rotorstufen des Verdichters und der Turbine im wesentlichen den gesamten Aufbau jeder dieser Anordnungen. Mit anderen Worten sind gemäß der vor- ' liegenden Erfindung im wesentlichen alle Statorstufen aus dem

Triebwerk entfernt. Bezüglich des Verdichters bedeutet dies, daß im Innern des strömenden Gpses kein Druckanstieg erfolgt, ausgenommen während des Durchgangs durch eine Rotorstufe. In Verdichtern und Turbinen führen gemäß dem Stand der Technik Statorleitschaufeln oder Düsen eine bloße Hilfsfunktion oder Befähigungsfünktion aus - dabei besteht diese Funktion darin, die Strömung in wirksamster Weise in die stromabwärts gelegenen Rotorlaufschaufeln zu richten. Wenn diese Funktion von stromaufwärts gelegenen Rotorlaufschaufeln ausgeführt werden kann, so daß die Statorteile beseitigt werden können, dann ergibt sich als Hauptnutzen eine große Gewichtsersparnis. Weiterhin wird die Abwesenheit der Scherreibungsverluste und der Verluste für die Umlenkung der Strömung, welche bei den gegenwärtig verwendeten Statoren auftreten, in beträchtlichem Maße den Wirkungsgrad des Triebwerkes steigern. Gleichlaufend hiermit erzielt man auch einen Nutzen bezüglich der Herstellung und der Wartung eines Triebwerkes, das keine Statorabschnitte besitzt.

Bezüglich des Gebläses sieht die vorliegende Erfindung Einrichtungen vor zum Antrieb eines Gebläses mit großem Bypassverhältnis (großer Radius) durch eine Antriebsturbine mit leichtem Gewicht und einer guten Leistung ohne unzulässige Kompromisse in einer der beiden Komponenten und ohne Notwendigkeit eines Untersetzungsgetriebes.

Die Forderung nach hoher Laufschaufelgeschwindigkeit (Umfangsgeschwindigkeit) bei einer Turbinenkonstruktion mit einem angestrebten minimalen Gewicht durch eine hohe Stufenbelastung (und daher eine geringere Zahl von Stufen) kann wie folgt veranschaulicht werden. Wenn eine festgelegte Änderung des Momentes über irgend einer Reihe von rotierenden Laufschaufeln (und daher ein konstantes Drehmoment) vorgegeben ist, dann ändert sich die entnommene Leistung linear mit der Laufschaufelgeschwindigkeit. Bei dieser Feststellung ist die Tatsache unbe-

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rücksichtigt, daß bei Erhöhung der Laufschaufelgeschwindigkeit zur Aufrechterhaltung eines konstanten Drehmomentes der Massendurchsatz gesteigert werden muß und daher eine Beschränkung dadurch auftreten kann, daß Abdrosselungsbedingungen eine Grenze für den Massendurchsatz aufzwingen.

Von einem anderen Gesichtspunkt aus kann ein Verständnis erreicht werden unter Verwendung der Konzeption eines festgelegten nahezu optimalen Verhältnisses von LaufSchaufelgeschwindigkeit zur Geschwindigkeit des Strömungsmittels, welches die Düsenreihe (für eine Rotor- und Statorkombination nach dem Stand der Technik) unmittelbar vor der Reihe der betrachteten rotierenden Laufschaufeln verläßt. Die Vorteile dieser Konzeption oder dieses Modells zur Betrachtung der Turbineneigenschaft ergibt sich aus den implizierten Kurven für die Geschwindigkeit und für den Stufenwirkungsgrad für ähnliche Werte des Geschwindigkeitsverhältnisses. Daher wird eine erhöhte LaufSchaufelgeschwindigkeit für den Fall eines konstanten GeschwindigkeitsVerhältnisses eine entsprechende Erhöhung in der "Abgabegeschwindigkeit" oder Austrittsgeschwindigkeit von der unmittelbar davor gelegenen Leitschaufelreihe erfordern. Wenn die hier betrachtete Reihe von rotierenden Turbinenlaufschaufeln auf eine Tangentialgeschwindigkeit verlangsamt wird, welche zum Antrieb eines Gebläses mit hohem Bypassverhältnis geeignet ist, wie es in der vorliegenden Erfindung in. Betracht gezogen ist, dann beeinträchtigt die Auferlegung eines Kriteriums für konstantes Geschwindigkeitsverhältnis die Strömungswinkel so sehr, daß hierdurch eine schwerfällige Konstruktion geschaffen wi-rd und eine Verschlechterung des Wirkungsgrades in Kauf genommen werden muß. Bezüglich der vorliegenden Erfindung wird durch die Freizügigkeit, gegeben durch die gegenläufige Drehung, und die Fähigkeit zur Aufrechterhaltung einer vernünftig hohen Abgabegeschwindigkeit relativ zu der Reihe unmittelbar stromaufwärts von der langsam rotierenden Reihe von Turbinenlaufschaufeln zum Antrieb des Gebläses ein

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vernünftiger Strömungswinkel in der Turbine wieder hergestellt und dies gestattet die Konstruktion einer stark belasteten Stufe mit einem erstrebenswerten Wirkungsgrad trotz der relativ niedrigen Schaufelgeschwindigkeit derjenigen Reihen, welche zur Entnahme der Energie zum Antrieb des Gebläses verwendet werden.

Ein gegenwärtig vorhandenes weiteres Problem bei der Auslegung der konventionellen Kombinationen von Rotor und Stator wurzelt in dem unvermeidbaren Drehmoment, welches infolge der einsinnig gerichteten Rotorbewegung auf das zugeordnete Triebwerksgehäuse und das Flugzeug übertragen wird. Dieses Drehmoment ergibt eine zusätzliche Anforderung der Installation bei Flugzeugen, welche konventionelle Triebwerke verwenden, infolge der gyroskopischen Belastungen. Durch die Anwendung der Prinzipien der gegenläufigen Rotation schafft die vorliegende Erfindung eine Lösung für die Probleme bezüglich des Wirkungsgrades und der gyroskopischen Belastung für das Manövrieren bei gleichzeitiger Verbesserung aerodynamischer Belastungsprobleme, wie dies noch nachstehend erläutert wird.

Es wurde bereits vorgeschlagen, daß die Laufschaufelgeschwindigkeit von den dem Gebläse zugeordneten Turbinen begrenzt werden kann. Eine weitere bedeutungsvolle Betrachtung bezüglich des Antriebs des Gebläses eines Turbogebläsetriebwerkes besteht darin, daß gefunden wurde, daß Turbogebläse unter Verwendung eines hohen Bvpassverhältnisses (d.h. ein Triebwerk, in dem das Verhältnis der durch den kreisringförmigen Gebläsekanal hindurchgehenden Luft groß ist relativ zur Luftmenge, welche in den Verdichter eintritt¹) den größten Wirkungsgrad bei Fluggeschwindigkeiten unterhalb der Schallgrenze besitzen und weniger störenden Lärm bei relativ niedrigen Schaufelgeschwindigkeiten des Gebläses erzeugen, im Vergleich zu den höheren Schaufelgeschwindigkeiten des Verdichters, welche eine Konstruktion mit höherer Stufenbelastung im Kernverdichter gestat-

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ten. Diese Betrachtung verstärkt noch die Erwünschtheit von niedrigen LaufSchaufelgeschwindigkeiten für das Gebläse. Sie macht jedoch die Probleme des möglichen Druckverhältnisses für den dem Gebläse zugeordneten Verdichter und den Wirkungsgrad für die dem Gebläse zugeordnete Turbinenstufe noch schwerwiegender, da, wie bereits ausgeführt, die Erzielung eines brauchbaren Druckanstiegs innerhalb einer vernünftigen Anzahl von Stufen eine hohe Verdichterlaufschaufelgeschwindigkeit relativ zur verdichteten Luft erfordert und der hohe Turbinenwirkungsgrad ebenso eine hohe Läufergeschwindigkeit erforderlich macht.

Diese gleich!autenden Erwägungen könnten scheinbar zu einer Verneinung der Brauchbarkeit des konventionellen Antriebes des Gebläses und des Verdichters mit Hilfe einer gemeinsamen Welle führen. Es erscheint vielmehr so, daß ein Grund für die Einführung eines Untersetzungsgetriebes vorhanden ist. welches gestattet, daß die Umdrehungszahl des Gebläses und die Umdrehungszahl der zugeordneten Turbine und des Verdichters unabhängig gewählt werden können. Das inhärente Gewicht, die erzeugte Wärme und die Unzuverlässigkeit eines solchen Getriebekastens beeinträchtigen ernsthaft dessen Vorteile oder machen sie zunichte.

Einige vorbekannte Turbogebläsetriebwerke enthielten als alternativen Versuch zur Lösung des gleichen Problems eine Turbine getrennt von der für den Antrieb des Verdichters verwendeten Turbine. Dieser Turbine war dann lediglich die Aufgabe des Antriebs des Gebläses zugeteilt. Es ist ersichtlich, daß eine solche zweite Turbine infolge der Kosten und des Gewichtes nicht besonders . wünschenswert ist. Die vorliegende Erfindung beinhaltet das Antreiben des Gebläses ohne Zusatz eines Untersetzungsgetriebes und in einer Weise, welche noch den Gesamtwirkungsgrad des Triebwerkes steigert.

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Durch Ersatz der Statorstufen in der Turbine und in dem Verdichter durch gegenläufig rotierende Rotorstufen, welche von der gleichen Welle getragen werden, die das Gebläse antreibt, steigert die vorliegende Erfindung den möglichen Druckabfall über den einzelnen Turbinenstufen und ermöglicht einen kompakteren Verdichter mit vermindertem Gewicht durch Steigerung der relativen Drehgeschwindigkeiten benachbarter Stufen und gestattet gleichzeitig die erwünschten niedrigeren Gebläsegeschwindigkeiten. Dies wird dadurch erreicht, daß die mittlere der drei koaxialen Wellen des Turbogebläsetriebwerkes nach der vorliegenden Erfindung zum Antrieb des Gebläses und vorgewählter Laufschaufelstufen des Verdichters verwendet wird. Die Welle selbst wird von Turbinenstufen angetrieben, welche zwischen benachbarten und gegenläufig rotierenden Turbinenstufen angeordnet ist, welche die erste und dritte Welle antreiben. Daher werden die Wirkungsgrade des Gebläses des Verdichters und der Turbine so gesteigert, daß ihre zuvor entgegengesetzten Interessen beseitigt werden. Insbesondere können ausgewählte Stufen des Verdichters und der Turbine mit hohen relativen Geschwindigkeiten rotieren, während gleichzeitig erwünschte niedrige Gebläsegeschwindigkeiten aufrecht erhalten werden.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gasturbinentriebwerk mit verbessertem Wirkungsgrad für Turbine und Verdichter und mit dem Merkmal eines Drehmomentausgleichs zu schaffen durch praktische Beseitigung'cter Statoren im Inneren der Turbinen und des Verdichters und Ersatz derselben durch gegenläufig rotierende Rotorteile.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Turbogebläsetriebwerk mit verbessertem Wirkungsgrad des Gebläses und verbesserten Schalleigenschaften zu schaffen durch Verminderung der Gebläsegeschwindigkeit, ohne dabei nachteilig den Wirkungsgrad der zum Antrieb des Gebläses verwendeten Turbine zu be-

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einflussen und ohne Kompromisse bezüglich des Triebwerksgewichtes.

Es ist eine weitere Aufgäbe der vorliegenden Erfindung, ein Turbogebläsetriebwerk mit verbessertem Drehmomentsusgleichsverhalten dadurch zu schaffen, daß ein einlaßseitiges Viertelstufengebläse in gegenläufiger Drehung relativ zum Hauptgebläse vorgesehen wird.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Turbogebläsetriebwerk mit verbessertem Wirkungsgrad des Gebläses und der Turbine zum Antrieb des Gebläses dadurch zu schaffen, daß ein Dreiwellentriebwerk mit gegenläufig rotierenden Verdichterund Turbinenstufen und ein durch die mittlere der Wellen angetriebenes Gebläse vorgesehen werden.

Zusammengefaßt löst die vorliegende Erfindung die vorstehenden Aufgaben dadurch, daß in dem Turbogebläsetriebwerk drei Spulen vorgesehen werden, welche unabhängig voneinander drehbnre koaxiale Wellen umfassen, die ,jeweils mit Lauf schaufel η ausgestattete Stufen tragen, welche eine statorlose gegenläufig rotierende Anordnung für Verdichter und Turbine bilden. Die Niederdruckstufen des Verdichters werden durch die erste Welle angetrieben und sind durch sie mit Niederdruckturbinenstufen verbunden. In ähnlicher Weise sind die Verdichterstufe.n und Turbinenstufen mit Mitteldruck durch die zweite Welle miteinander verbunden, und die Hochdruckstufen für Verdichter und Turbine sind über die dritte Welle untereinander verbunden. Ein mit Laufschaufeln ausgestattetes Gebläse wird von der mittleren Welle getragen und rotiert integral mit den Zwischendruckverdichterstufen. Ein einlaßseitiges Viertelstufengebläse wird von der ersten Welle getragen und rotiert integral mit den Niederdruckverdichterstufen. Jede mit Laufschaufeln ausgestattete Stufe der Turbine und im wesentlichen jede Verdichterstufe ist in einer gegenläufigen

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Drehung relativ zu ,jeder ihr benachbarten Stufe. Weiterhin ist ,iede Welle in gegenläufiger Drehung relativ zu benachbarten Wellen, und das Hauptgebläse und das einlaßseitige Viertelstufengebläse rotieren gegenläufig zueinander.

Weitere Auf gabett"und ÄbwaWaiüngen'ⁱ⁼der~"vBrTiegenden Erf indung sind ersichtlich aus der nachstehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform im Zusammenhang mit den Abbildungen.

Figur 1 zeigt eine Teilansicht im Schnitt für ein Turbogebläsetriebwerk als Ausführungsform der Erfindung.

Figur 2 ist ein Geschwindigkeitsdiagramm und zeigt die relativen Geschwindigkeiten-#üF-das^i;ießfähige Mittel und die Rotorstufen im Innern der Turbine nach der Erfindung.

Figur 1 zeigt ein Turbogebläsetriebwerk 10, welches einen Verdichterabschnitt 12, einen Brenner 14 und einen Turbinenabschnitt 16 enthält. Ein inneres Gehäuse IR umschließt diese Hauptelemente und bildet zusammen mit einem äußeren Gehäuse 20 einen kreisringförmigen Kanal oder Gebläseraum 21. Das äußere Gehäuse 20 wird durch eine Führungsleitschaufel 22 an seinem Platz gehaltenj welche sich über den kreisringförmigen Kanal erstreckt. Ein mit Laufschaufeln versehenes Hauptgebläse 24 ist zur Rotation gemäß der nachstehenden Beschreibung gelagert und erstreckt sich im wesentlichen über die gesamte radiale Breite des Kanals 2t, Ein einlaßseitiges Viertelstufengebläse 26 ist zur Drehung in einer Richtung entgegengesetzt zu dem Gebläse gehaltert. Es erstreckt sich in den kreisringförmigen Kanal 21 hinein und seine Laufschaufeln besitzen eine solche Länge, daß sie sich über etwa die Hälfte der radialen Breite des Kanals oder über einen geringeren Teil erstrecken, wobei dieser Anteil zur Steigerung der Gebläseleistung und zur Erzielung eines Drehmomentausgleichs gewählt ist.

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Beim Betrieb gleicht das Turbogebläsetriebwerk nach der vorliegenden Erfindung oberflächlich gesehen den konventionellen Turbogebläsetriebwerken. Insbesondere tritt ein Luftstrom in das Triebwerk von links in der Abbildung ein, wird teilweise durch dps einlnßseitige Viertel stufengebläse 26 verdichtet, ein erster Teil des Luftstroms geht weiter in den Kanal 21 bis zur weiteren Verdichtung durch das Gebläse 24 und wird als* Gebläseluftstrom mit erhöhtem Impuls durch den Kanal getrieben. Ein zweiter Teil des Luftstroms tritt in den Verdichter 12 ein, um einen hochverdichteten Luftstrom zur Unterhaltung der Verbrennung eines vorgewählten Brennstoffes im Brenner 14 zu ergeben. Der Arbeitsmittelstrom (erhitzte Luft und verbrannter Brennstoff), der vom Brenner 14 austritt, läuft durch die mit Laufschaufeln ausgestatteten Stufen der Turbine 16 und gibt Impulsenergie an diese ab. Die Turbinenstufen verwandeln diese Impulsenergie in ein Drehmoment zum Antrieb der anderen rotierenden Elemente des Triebwerkes einschließlich der Verdichterstufen. Der aus der Turbine austretende Arbeitsmittelstrom vermischt sich erneut mit dem Gebläsestrom und tritt durch eine geeignete Austrittsdüse aus und ergibt dabei einen Schub zusätzlich zu dem Schuby welcher durch den Auslaßstrom des Gebläses erzeugt wird. Dabei* werden die beiden Ströme nach den Erfordernissen der jeweiligen Anordnung vorgemischt und durch die Düse abgegeben oder durch getrennte Düsen ausgestoßen.

Das bestimmte Zusammenwirken zwischen den jeweiligen mit Laufschaufeln ausgestatteten rotierenden Stufen der Turbine und des Verdichters und die Einrichtungen zum Antrieb der Gebläse 24 und 26 stellen beträchtliche Abweichungen vom Stand der Technik dar und werden noch nachstehend besonders erörtert.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich insbesondere mit Vorkehrungen für gegenläufig rotierende Turbinenstufen, die gegenläufig rotierenden Verdichterstufen zugeordnet sind, und mit der

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Anordnung von mit Laufschaufeln ausgestatteten Gebläselementen. Dabei besteht das erwünschte Ergebnis darin, daß das Triebwerk praktisch im Drehmomentgleichgewicht arbeiten kann, wie dies zwischen gegenläufig rotierenden Komponenten möglich ist. wobei die einzelnen Elemente noch in ihrer richtigen Betriebsart für einen Spitzenwirkungsgrad arbeiten.

In der bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach der Darstellung in Figur t ist ein Zehnstufen-Verdichter mit einer Siebenstufenturbine mit Hilfe von drei unabhängig drehbaren Wellen verbunden. Die Hauptgebläseschaufeln sind im Zusammenwirken mit den mittleren der drei Wellen gehaltert und ein einlaßseitiges Viertelstufengebläse ist im Zusammenwirken mit der innersten Welle gelagert.

In dem Verdichter 12 in der Figur 1 stellt ,jede abgebildete Laufschaufel eine Laufschaufel aus einer Vielzahl von Laufschaufeln dar, die beabstandet am Umfang einer Vielzahl von im wesentlichen kreisringförmigen Scheiben angebracht sind, die zusammen die mit Laufschaufeln versehenen Stufen des Verdichters bilden. Der Verdichter kann in Segmente für niedrigen, mittleren und hohen Druck unterteilt werden. In der abgebildeten Ausführungsform umfaßt der Niederdruckverdichter die Stufe Cl, den radial inneren Teil des Tragflügelprofil teils der Laufschaufel des ein-Iaßseitigen Viertel stufengebläses 26 und C3, wobei beide in gleicher Richtung laufen. Der Mitteldruckverdichter enthält die mit Laufschaufeln ausgestatteten Stufen C2, C4 und C6. Der Hochdruckverdichter enthält die mit Laufschaufeln ausgestatteten Stufen CP. C7, CR, C9 (ein Stator) und ClO, sowie eine ausgangsseitige Leitschaufel 62 zur geraden Ausrichtung. Während des Betriebs des Triebwerkes kommt ein von links in den Verdichter eintretender Luftstrom nacheinander in Eingriff mit den mit Schaufeln ausgestatteten Stufen Cl bis ClO. Der Luftstrom wird schrittweise durch Eingriff mit jeder Stufe während seines Durch»

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gangs durch den Verdichter solange verdichtet, bis an der Stufe IO ein vorgegebener Druck erreicht ist. Anschließend wird der Luftstrom in den Brenner 14 gerichtet. Wie bereits vorstehend ausgeführt, ist der Wirkungsgrad von einzelnen Stufen eines Verdichters und einer Turbine teilweise von den erreichbaren Laufschaufelgeschwindigkeiten in Kombination mit dem Angriffswinkel zwischen der Strömung des fließfähigen Mittels und zugeordneten Laufschaufelstufen abhängig. Bei Verdichtern der konventionellen Bauart mit Rotor und Stator wird die relative Geschwindigkeit zwischen dem Luftstrom und einer gegebenen Rotor stufe bestimmt durch die Winkelgeschwindigkeit der Rotorstufe_; wobei die St?torstufe lediglich dazu dient, den Luftstrom in einen optimalen Angriffswinkel zum Eingriff mit den Laufschaufeln der Rotorstufe zu lenken. Infolge des statischen Charakters

der Stator. schaufeln wird eine obere Grenze für die relative

Geschwindigkeit und damit den Wirkungsgrad zwischen einzelnen Rotorstufen und der auftreffenden Luft definiert durch die Beschränkungen der Zentrifugal geschwindigkeit der Läuferscheibe der Rotorstufen und durch die Grenzen des Drehmomentungleich-· gewichts für das Triebwerk. Durch Beseitigung der Statorstufen und ihren Ersatz durch gegenläufig rotierende Rotorstufen steigert die vorliegende Erfindung den Wirkungsgrad in hohem Maße.

Es wird nunmehr Bezug genommen 8uf den Turbinenteil 16 des Triebwerkes 10 in Figur 1. Jede abgebildete Laufschaufel stellt eine mit Laufschaufeln ausgestattete Stufe von im wesentlichen kreisförmiger Gestalt dar ähnlich den mit Laufschaufeln ausgestatteten Stufen des Verdichters. In der abgebildeten Ausführungsform enthält die Hochdruckturbine die mit Laufschaufeln ^ ausgestatteten Stufen Tl und T3, die Zwischendruckturbine enthält die Stufen T2, T4 und T6 und die Niederdruckturbine ent-· hält die mit Laufschaufeln ausgestatteten Stufen T5 und T7. Beim Betrieb dient die Turbine dazu, den am Brenner 14 austre-

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tenden Gasstrom (Arbeitsmittelstrom) aufzufangen zur Umwandlung eines Teils der kinetischen Energie des Stroms in ein Drehmoment zum Antrieb der rotierenden Elemente des Triebwerkes einschließlich der Verdichterstufen. Der Turbinenwirkungsgrad ist eine Funktion der relativen Geschwindigkeit zwischen den Laufschaufeln einer gegebenen Rotorstufe und des mit dieser Stufe in Eingriff kommenden Gasstroms, Daher unterliegt der Wirkungsgrad einer Turbinenstufe den Beschränkungen der zentrifugalen Belastungsgrenzen bezüglich der Läufergeschwindigkeit und ist für den Fall der vorliegenden Erfindung in gewissem Maße umschrieben durch Erwägungen bezüglich des Drehmomentungleichgewichtes. Die vorliegende Erfindung dient dazu, den Wirkungsgrad der Turbine zu erhöhen und gleichzeitig ein Überschreiten dieser Grenzwerte zu vermeiden.

Vor der Beschreibung bestimmter betriebsmäßiger Eigenschaften des Verdichters und der Turbine nach der vorliegenden Erfindung ist es angemessen, die Antriebsmechanismen zur Verbindung der beiden zu beschreiben. Wie bereits vorstehend ausgeführt, dient die Turbine dazu, einen Teil der kinetischen Energie des aus dem Brenner 14 austretenden Heißgasstroms in ein Drehmoment zum Antrieb der drehenden Elemente umzuwandeln. Das Triebwerk nach der vorliegenden Erfindung ist eine Dreispulenanordnung, welche drei koaxiale Wellen 28, 30 und 32 enthält, die so gelagert sind, daß sie unabhängig voneinander drehbar sind. Ein statischer Rahmen ist am inneren Gehäuse 18 in der Ebene des Verdichterauslasses befestigt. Er ergibt eine Halterung für die Welle 32, die an ihm mit Hilfe eines Drucklagers 36 am linken Ende der Welle und mit Hilfe einer radialen Belastungseinheit 38 am rechten Ende der Welle befestigt ist. Die Zwischenwelle 30 wird im Innern der Welle 32 mit Hilfe eines Differentialdrucklagers 40 in der Nähe des linken Endes der Welle 30 und mit Hilfe einer differentialen radialen Belastungseinheit 42 am rechten Ende der Welle 30 gehaltert. Die radial am weitesten innen liegende Welle 28 ist in-

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nerhalb der Welle 30 mit Hilfe einer differentiellen radialen Belastungseinheit 44 an ihrem linken Ende und mit Hilfe eines Drucklagers 46 gehaltert, welches an ihrem rechten Ende und an einem statischen Rahmenteil 48 angeordnet ist. Die innerste Welle 28 treibt eine Leistungsabnahmeeinheit 50 mit Schrägverzahnung, welche in konventioneller Weise ausgeführt ist und rückwärts von dem Lager 46 angeordnet ist und zum Antrieb von solchen durch das Triebwerk angetriebenen Hilfsaggregaten dient, die außerhalb des rückwärtigen Mittelteils erforderlich sind.

Die gegenseitige Verbindung zwischen Verdichterstufen und Turbinenstufen wird nachstehend erörtert. Wie in Figur 1 abgebildet, sind die Verdichterstufen Cl und C3 an ihren Läuferscheiben mit Hilfe konischer Strukturteile 52 verbunden. Diese Stufen werden gegenseitig gehnltert und angetrieben durch einen konischen Teil 2Ra der Welle 28. d.h. der innersten der drei koaxialen Wellen. Das entgegengesetzte Ende der Welle 28 trägt die Turbinenstufen TP und T7, welche gegenseitig mit dem Wellensegment 28b der Welle 28 verbunden sind, und wird von diesen Stufen angetrieben. Die Laufschaufeln der Turbinenstufen T5 und T7 sind so angeordnet, daß der in Eingriff mit diesen Stufen tretende Gasstrom die Stufen und damit die Wellen 28 in einer Drehrichtung im Uhrzeigersinn antreibt. Daher werden die Verdichterstufeη Cl und C3 für Niederdruck im Uhrzeigersinne und mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit angetrieben, mit welcher die Welle 28 durch die Niederdruckturbinenstufen T5 und T6 angetrieben wird.

Die Verdichterstufen C2 und C6 sind untereinander verbunden und werden an ihren spitzen Enden mit Hilfe eines rotierenden Gehäuses 54 angetrieben, das einen Teil des Verdichters umschließt und einen radial inneren Teil des Kanals 21 stromauf- · wärts vom inneren Gehäuse 18 bildet. Die Stufe C4 ist auch noch mit den Stufen C2 und C6 verbunden und verläuft radial zwischen

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dem rotierenden Gehäuse P4 und einer Gebläsescheibe 56, welche das mit Laufschaufeln ausgestattete Gebläse 24 antreibt. Die Gebläsescheibe 56 ist mit Hilfe der Welle 30 gehaltert und wird von ihr angetrieben. Am rückwärtigen Ende der mittleren Welle ist ein Wellenteil 30b angeordnet, welcher die Welle 30 mit der Scheibe der mit Laufschaufeln ausgestatteten Turbinenstufe T4 verbindet. Die mit Laufscheufein ausgestattete Stufe Ύ4 ist mit den Stufen T2 und T6 durch eine rotierende Hülle 58 verbunden, welche an den Laufschaufelenden dieser letzteren Stufen befestigt ist. Die Laufschaufeln der Turbinenstufen T2, T4 und T6 sind so angeordnet, daß sie durch den aus dem Brenner 14 austretenden Gasstrom in Richtung des Gegenuhrzeigersinnes angetrieben werden. Daher wird die Welle 30 und die Mitteldruckverdichterstufen C2, C4 und C6 zusammen mit dem Gebläse 24 in einer Richtung im Gegenuhrzeigersinn mit einer Winkelgeschwindigkeit angetrieben, welche durch die Turbinenstufen T2,, T4 und T6, d.h. durch die Mitteldruckturbine bestimmt wird.

In ähnlicher Weise sind die Hochdruckverdichterstufen C5, C7, CR und ClO an ihren Läuferscheiben miteinander und durch den Wellenteil 32a mit der radial äußeren Welle 32 verbunden. Die Turbinenstufen Tl und T3 der Hochdruckturbine sind an ihren Läuferscheiben und mit der Welle 32 durch den Schaftteil 32b verbunden. Die Laufschaufeln der Turbinenstufen Tl und T3 sind in einer solchen Weise angeordnet, daß sie die Welle 32 und ihre zugeordneten Verdichterstufen C5, C7, C8 und ClO im Uhrzeigersinne antreiben.

Als Ergebnis ist zu beobachten, daß die Teile jedes Paars von axia}. benachbarten mit Laufschaufeln ausgestatteten Stufen der Turbine relativ zueinander gegenläufig rotieren, wenn der aus dem Brenner 14 austretende Gasstrom mit diesen Stufen in Eingriff kommt. Ebenso rotiert die Welle 30 in einer Richtung entgegengesetzt zu der Drehung der Welle 32 und 28. Die gegenläufige Drehung

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wird daher auf den Verdichter übertragen, in dem sich im wesentlichen pile benachbarten Stufen gegenläufig zueinander drehen. Ausnahmen für die gegenläufige Drehung im Innern des Verdichters sind die benachbarten Stufen C7 und C8, welche als Teile einer einzigen Scheibe rotieren, und der Stator C9, welcher nicht rotiert, sondern mit Hilfe einer Strebe 60 gehaltert ist, die an dem festen Gehäuse IS befestigt ist. Die statischen auslaßseitigen Leitschaufeln 62 zur geraden Ausrichtung und die Turbinendüsenleitschaufeln 64 sind ,jeweils am Einlaß zum Brenner bzw. am Auslaß des Brenners und am Einlaß zur Turbine 16 angeordnet .

Nachstehend folgt eine Beschreibung des Betriebs des Turbogebläsetriebwerkes nach der Erfindung. Um die Vorteile der Anwendung des Prinzips der gegenläufigen Drehung in der Turbine zu veranschaulichen, ist die Figur 2 vorgesehen. Diese Figur 2 ist ein Schaubild der relativen Geschwindigkeiten des Strömungsmittels und der Stufengeschwindigkeiten, welche im Innern der Turbine vorhanden sind. In diesem Diagramm stellen die Vektoren U die mittlere Laufscheufelgeschwindigkeit der entsprechenden mit Laufschaufeln ausgestatteten Stufe dar, und die Vektoren V stellen die relativen Geschwindigkeiten zwischen der Strömungsmittelströmung und den mit Laufschaufeln ausgestatteten Stufen dar. Die Indizes der Größen zur Bezeichnung der Laufschaufelgeschwindigkeit und der relativen Geschwindigkeit beziehen sich dabei auf die einzelnen mit Laufschaufeln ausgestatteten Stufen der Turbine Tl bis T7. Aus der Gestaltung der Laufschaufeln und der Welle nach Figur 1 ist ersichtlich, daß die Stufengeschwindigkeiten UTl und UT3 gleich groß sind und ebenso die Stufengeschwindigkeiten UT2, UT4 und UT6 und ebenso die Stufengeschwindigkeiten UT5 und ÜT7. Dabei stellen die vorstehenden Gruppierungen jeweils die Hochdruckstufe, die Zwischendruckstufe und die Niederdruckstufe der Turbine dar. Gemäß einer Aufgabe der vorliegenden Erfindung sind die GrÖs-

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sen UT2, UT4 und UT6 (die mittleren Geschwindigkeiten der Laufschaufeln der Mitteldruckturbine, welche der Welle 30 zugeordnet ist und durch welche das Gebläse 24 angetrieben wird), im wesentlichen kleiner als die Geschwindigkeiten UTl und UT3 und UTP und UT7. welche den Wellen 28 bzw. 32 zugeordnet sind.

Weitere Größen in der Figur 2 beinhalten;die Größe V., welche die Geschwindigkeit des Arbeitsmittels darstellt, das sich der Leitschaufel 64 für die Turbinendüse nähert, die Größe E ,welche die relative Geschwindigkeit des Strömungsmittels bezüglich der einlaßseitigen Leitschaufel 64 beim Austritt des Strömungsmittels aus dieser Leitschaufel darstellt und V₁ welche die Geschwindigkeit des aus der Turbine austretenden Strömungsmittels darstellt. Die Vektoren VTl, VT2, VT3 usw. stellen die Annäherungsgeschwindigkeit des auftreffenden Arbeitsmittels relativ zu den Laufschaufelstufen Tl, T2, T3 usw. dar. Die Vektoren ETl, ET2, ET3 usw. stellen die Austrittsgeschwindigkeit des Arbeitsmittels relativ zu den mit Laufschaufeln ausgestatteten Stufen Tl, T2, T3 usw. dar.

Beim Betrieb nähert sich das aus dem Brenner 14 austretende Arbeitsmittel der Einlaßleitschaufel 64 mit der Geschwindigkeit V. und wird durch die DÜsenleitschaufel abgelenkt und auf eine neue Geschwindigkeit E beschleunigt, welche die Geschwindigkeit des Strömungsmittels relativ zur Leitschaufel 64 darstellt .Wie bereits vorstehend erörtert, ist ein Parameter von größtem Interesse bezüglich des Wirkungsgrades der Tubine, die relative Annäherungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels bezüglich jeder mit Laufschaufeln ausgestatteten Stufe und die Beziehung des Angriffswinkels zwischen der Stufe und dem Strömungsmittel * Um diese Geschwindigkeit relativ zur Stufe Tl zu bestimmen, wird die mitt- >, lere Drehgeschwindigkeit UTl der Stufe Tl vektoriell mit E kombiniert, um den Vektor VTl als den erwünschten Parameter zu erhalten. Daher nähert sich das Strömungsmittel, welches aus der

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einlaßseitigen Leitschaufel mit der Geschwindigkeit E austritt, der ersten Turbinenstufe Tl mit der relativen Geschwindigkeit VTl. Das Strömungsmittel gibt einen Teil seiner Impulsenergie sn die Stufe Tl ab und wird durch diese Stufe auf eine bestimmte Austrittsgeschwindigkeit relativ zur Stufe Tl beschleunigt, welche durch den Vektor ETl dargestellt ist.

Anschließend nähert sich das Strömungsmittel der mit Laufschaufeln ausgestatteten Stufe T2. Um eine Vektordarstellung der Annäherungsgeschv/indigkeit des Strömungsmittels relativ zur Stufe T2 zu erhalten, ist es notwendig, die Geschwindigkeit ETl vektoriell mit der Geschwindigkeit der Stufe Tl (UTl) und der Geschwindigkeit der Stufe T2 (UT2) zu kombinieren. Das Ergebnis dieses Vorganges ist der Vektor VT2. Daher nähert sich das Strömungsmittel der zweiten Laufschaufelstufe T2 der Turbine mit einer relativen Geschwindigkeit VT2, gibt einen Anteil des Impulses an diese Laufschaufelstufe ab und verläßt sie mit einer relativen Geschwindigkeit ET2. Ähnliche Vektoroperationen ergeben Darstellungen der Näherungsgeschwindigkeiten und Austrittsgeschwindigkeiten für das Gas relativ zu den übrigen Laufschaufelstufen der Turbine. Die Annäherungsgeschwindigkeiten, dargestellt durch die Größen VTl, VT2, VT3 usw., sind angenähert an Annäherungsgeschwindigkeiten, welche für den Betrieb von Turbinen als die Geschwindigkeiten mit dem größten Wirkungsgrad befunden wurden. Das Vektordiagramm der Figur 2 veranschaulicht, daß diese mit gutem Wirkungsgrad verknüpfte Geschwindigkeiten in der gegenläufig rotierenden Turbine nach der Erfindung aufrechterhalten werden können, ohne daß hierzu eine Vielzahl von Statorleitschaufeln erforderlich ist, und dies \ trotz der Drehung einer Anzahl von ineinander geschachtelten Stufen mit so niedrigen Geschwindigkeiten, daß diese für den Antrieb eines Gebläses mit hohem Bypassverhältnis gut angepaßt, sind; dabei ist zu beachten, daß hierbei keine Nachteile in Fora einer Verschlechterung in der Turbinenleistung in Kauf ge-

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nommen werden müssen, wie sie bisher für niedrige Laufschaufelgeschwindigkeiten auftrat.

Der Arbeitsmittelstrom setzt seinen Weg durch die Turbine weiter fort und kommt dabei nacheinander in Eingriff mit den Laufschaufelstufen und gibt an diese Impulse ab. Der an jeder mit Laufschaufel ausgestatteten Stufe abgegebene Impuls wird auf die Welle zur Übermittlung des Drehmomentes übertragen, welche dieser Stufe zugeordnet ist. Die Wellen 2fl, 30 und 32 übertragen das Drehmoment auf ihre zugeordneten Verdichterstufen zum Drehantrieb dieser Stufen und die Wellen 28. 30 führen weiterhin noch Drehmomente zu dem ViertelstufeneinlaßgebS.äse 26 und dem Hauptgebläse 24. Daher !rufen im wesentlichen alle Stufen des Verdichters gegenläufig relativ zu den benachbarten Stufen. Weiterhin rotieren das Gebläse 24 und das Viertelstufeneinlaßgebläse 26 gegenläufig zueinander.

Die gegenläufige Rotation im Innern der Turbine gestattet den Antrieb des Gebläses 24 mit relativ niedriger Geschwindigkeit durch die Welle 30 ohne Verlust an Turbinenwirkungsgrad, wobei diese Welle mit den Stufen T2, T4 und T6 der Turbine zusammenwirkt. Weiterhin wird das Gebläse gemeinsam mit einer Vielzahl von Verdichterstufen angetrieben, deren Ineinanderschschtelung zwischen gegenläufig rotierenden Verdichterstufen mit einem Betrieb bei einer normalen (oder höheren) Umfangsgeschwindigkeit gestattet, so daß diese dem Gebläse zugeordneten Verdichterstufen eine hohe Druckanstiegswiedergewinnung pro Stufe ohne Verletzung der normalen Diffusionsparameter erzielen.

Weitere Vorteile, welche sich aus der Anwendung der vorliegenden Erfindung auf Turbogebläsetriebwerke ergeben, beinhalten den praktisch insgesamt vorhandenen Drehmomentausgleich, welchen das Triebwerk durch die Gegenläufigkeit benachbarter Turbinen und Verdichterstufen und des Viertelstufeneinlaßgebläses

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und des Hauptgebläses erhält. Insbesondere wird dps Drehmoment infolge des der Welle 28 durch die Turbinenstufen T5 und T7 und des in der gleichen Richtung der Welle 32 durch die Turbinenstufen Tl und T3 zugeführten Drehmomentes notwendigerweise ausgeglichen durch das Drehmoment, das in entgegengesetzter Richtung auf die Welle 30 durch die Turbinenstufen T2, T4 und T6 ausgeübt wird. In ähnlicher Weise werden die im Gegenuhrzeigersinne auf die Wellen 28 und 32 durch die Verdichterstufen Ct, C3, C5, C7, C8 und ClO susgeübten Drehmomente im wesentlichen ausgeglichen durch das Drehmoment, das im Uhrzeigersinn auf die Welle 30 durch die Verdichterstufen C2, C4, C6 und das Gebläse 24 susgeübt wird.

Da praktisch keine StPtorstufen im Verdichter und in der Turbine vorhanden sind, wird kaum Drehmoment auf das Triebwerksgehäuse übertragen und es ergibt sich daher unvermeidlich ein Gesamtdrehmomentpusgleich unter den rotierenden Elementen. Das Gebläse 24 erstreckt sich im wesentlichen über den Kanal 21 und ι das Gebläse 26 erstreckt sich über den Kanal 21 zu einem solchen Ausmaß, daß mpn einen praktischen Drehmomentausgleich zwischen den gegenläufig rotierenden Komponenten des Triebwerkes mit einer vorgewählten Drehgeschwindigkeit der Welle 28 erhält. Auf diese Weise kann eine Einstellung der konstruktiv festgelegten Länge der Laufschaufeln des Gebläses 26 ausgeführt werden, um einen Ausgleich der Drehmomente bei einer Wellendrehzahl zu erhalten, die brauchbar ist für einen wirksamen Betrieb des Verdichters und der Turbine, welche anderen Komponenten zugeordnet sind. Bei der Ausführungsform nach der Abbildung nach Figur 1 erstrecken sich die Laufschaufeln des Gebläses 26 über etwa die Hälfte der radialen Breite des Kanals. Wie jedoch bereits ausgeführt, ist diese Länge bei verschiedenartigen Anwendungsfällen Änderungen unterworfen.

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Weiterhin werden durch drs Prinzip der Gegenläufigkeit nach der vorliegenden Erfindung die bei konventionellen Triebwerken vorhandenen zentrifugalen Beschränkungen der Läuferdrehzahl umgangen. Insbesondere ergibt sich bei konventionellen Triebwerken mit Rotor und Stator eine Beschränkung der Ausgangsleistung bei einem bestimmten Leistungspegel entsprechend den maximal erreichbaren Rotorgeschwindigkeiten. Dieser begrenzende Leistungspegel kann jedoch durch die Anwendung der Prinzipien der Gegenläufigkeit erhöht werden, ohne dabei die begrenzenden Geschwindigkeitswerte für den Läufer zu überschreiten. Dies gilt infolge des erhöhten Druckabfalls, welcher über einzelnen Stufen der Turbine erhalten werden kann und welcher sich aus der zugefügten Winkelgeschwindigkeit (gegenläufige Wirbelung) ergibt, die dem Strom durch ,jede vorhergehende Stufe vermittelt wird. Eine solche gegenläufige Wirbelung übernimmt die Stelle der relativen Neuausrichtung, welche durch Statorstufen bei Anordnungen nach dem Stand der Technik ausgeführt wird, und ergänzt diese noch durch eine gegenläufig gerichtete Geschwindigkeit.

Ein besseres Verständnis dieser Auswirkung bezüglich eines Verdichters ergibt sich aus der nachstehenden hypothetischen Betrachtung. Es sei angenommen, daß zwei benachbarte, gegenläufig rotierende,mit Laufschaufeln ausgestattete Stufen des Verdichters nach der vorliegenden Erfindung jeweils mit dem Spitzenwert der erreichbaren Läuferdrehzahl arbeiten. Dabei ist die relative Geschwindigkeit des Stroms, welcher auf die zweite oder stromabwärts gelegene Stufe auftrifft, wesentlich höher als dies der Fall wäre, wenn die stromaufwärts gelegene Stufe durch einen Stator ersetzt würde. Dies kann man sich dadurch veranschaulichen, daß man die stromaufwärts gelegene rotierende Stufe anhält, um auf diese Weise einen Stator zu bilden. Um die gleiche relative Geschwindigkeit zwischen den beiden Stufen aufrechtzuerhalten, muß die stromabwärtsjgelegene Stufe dann mit einer Geschwindigkeit rotieren, welche gleich der Summe ihrer eigenen Geschwindigkeit

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plus der Geschwindigkeit der stromaufwarts gelegenen Stufe ist. Der Strom kommt mit der stromabwärts gelegenen Laufschaufelstufe der Turbine nach der vorliegenden Erfindung effektiv mit dieser letzteren Gesamtgeschwindigkeit in Eingriff und diese Geschwindigkeit ist offensichtlich größer als die Geschwindigkeit, welche bei konventionellen Verdichter?nordnungen mit Rotor und Stator erreichbar ist.

Es wurde daher erläutert, daß die vorliegende Erfindung einen verbesserten Wirkungsgrad für Turbogebläsetriebwerke liefert. Der soeben dargestellte hypothetische Fall zeigt an, daß die Prinzipien der vorliegenden Erfindung diese geeignet machen zur Verwendung bei einer großen Vielzahl von Gssturbinen»nwendungen auf die Erzeugung von Schubleistung und auf die Leistungserzeugung.

Unter Bezugnahme auf die Anordnungen zur Halterung der drei Wellen 28, 30 und 32 werden nachstehend Einrichtungen beschrieben, um den Lagern zur Halterung dieser Wellen Schmiermittel zuzufügen. Die Schmierung dieser drei statischen Lager 36, 38 und 46 wird in konventioneller Weise bewerkstelligt und wird nicht im einzelnen dargestellt. In ähnlicher Weise sind die Einrichtungen zur Zufuhr von flüssigem Schmiermittel zu dem Differentialdrucklager 40 und dem Differentiallastlager 42 und 44 konventionell und nicht abgebildet. Die Einrichtung zur Rückführung des Schmiermittels aus den Differentiallagern wird jedoch in der nachstehend beschriebenen Triebwerksgestaltung vereinfacht.

Gemäß der Abbildung in Figur 1 sind die Wellen 30 und 32 jeweils aus zwei konischen Abschnitten gebildet, wobei sich die größeren Durchmesser der Kegel in einer im wesentlichen kreis- . förmigen Verbindungsstelle in der Nähe der axialen Mitte jeder Welle treffen. Daher ist die axiale Mitte jeder Welle von ihren

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jeweiligen Enden radial versetzt. Infolgedessen zeigt die in der Nähe der Enden der Welle zugeführte Flüssigkeit eine Neigung zum Wandern zur axialen Mitte der Welle unter dem Einfluß von Zentrifugalkraft. Der Schmiermitte]rückführungsmechanismus n*ch der vorliegenden Erfindung arbeitet unter Verwendung dieses Prinzips.

Das in die Differentiallager "O, 42 und 44 eingeführte Schmiermittel wird durch geeignete nicht gezeigte Einrichtungen auf die innere Oberfläche der Wellen 30 bzw. 32 gebracht. Beim Rotieren dieser Wellen wandert das Schmiermittel zur axialen Mitte jeder Welle. In der Nähe der kreisförmigen Verbindungsstelle der konischen Elemente, aus denen die Welle 30 besteht, ist eine Vielzahl von radialen Öffnungen 66 vorgesehen, durch welche das Schmiermittel von der Welle 30 frei unter dem Einfluß von Zentrifugalkraft auf die innere Oberfläche der Welle 32 durchtreten kann. Eine Vielzahl von radialen Öffnungen 68 ist in der Nähe der kreisförmigen Verbindungsstelle der konischen Elemente der Welle 32 vorgesehen und liefert einen Austrittsdurchlaß für das Schmiermittel, welches entlang der Welle 32 von den Lagern 40 und 42 wandert (ebenso für das Schmiermittel, welches die Welle 32 durch die Öffnungen 66 erreicht). Ein im wesentlichen toroidförmiger Kollektorring 70 ist mit Hilfe einer Strebe 72 statisch von dem Rahmen 34 gehaltert, umschließt im wesentlichen die Welle 32 und nimmt das Schmiermittel auf, welches durch die öffnungen 68 geschleudert wird. Eine konventionelle Absaugpumpe zieht das Schmiermittel aus dem Kollektorring 70 ab und damit ist der Vorgang der Schmiermittelrückführung beendet.

Neben der inhärenten Einfachheit und der entsprechenden Zuverlässigkeit ist die hier offenbarte Einrichtung zur Schmiermittelrückführung besonders vorteilhaft, um aus dem Schmiermittel Luft abzutrennen. Während der Wanderung von den Enden der Wellen 30 und 32 in Richtung der Öffnungen 66 und 68 wird das Schmiermittel durch die Zentrifugalkraft in einen dünnen Film gezwungen,

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welcher im wesentlichen senkrecht auf die inneren Oberflächen der Wellen wirkt, auf denen der Schmiermittelstrom ausgebildet wird. Das Schmiermittel wird daher radial von der weniger dichten, ihm zugeordneten Luft abgetrennt, da das Schmiermittel bestrebt ist, seinen Zustand niedriger Energie einzunehmen. Auf diese Weise ergibt die Anordnung von im wesentlichen koaxialen mittleren, gegenläufig rotierenden Wellen nach der vorliegenden Erfindung zusätzliche Vorteile im Zusammenwirken mit den bereits aufgezählten Vorteilen.

Vorstehend wurde die Erfindung unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Der Fachmann kann jedoch die vielfältigsten Abwandlungen vornehmen, ohne die Lehre der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise ist die Anzahl und Anordnung der gegenläufig rotierenden, mit Laufschaufeln ausgestatteten Stufen der Turbine und des Verdichters eines Turbogebläsetriebwerkes nicht notwendigerweise auf die beschriebenen und dargestellten Verhältnisse beschränkt. Weiterhin sind die bezüglich der Turbine und des Verdichters beschriebenen Prinzipien der gegenläufigen Drehung und der gegenseitigen Beziehung zwischen diesen nicht notwendigerweise auf ein Turbogebläsetriebwerk beschränkt, sondern können auch in gleicher Weise vorteilhaft für Turbostrahltriebwerke und auch andere Typen von Gasturbinentriebwerken angewendet werden.

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Claims

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Pp tentansprüche

Gasturbinentriebwerk, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt:

einen Verdichter (12) mit Laufschaufelstufen zur Verdichtung eines Luftstroms, einen Brenner (14) zur Aufnahme der verdichteten Luft, zur Erhitzung der Luft und zum Ausstoß der erhitzten Luft in einen Strom und eine Turbine (16) mit Laufschpufelstufen zur Erzeugung eines Drehmomentes aus dem Luftstrom, wobei diese Turbine erste und zweite rotierbare, Drehmoment übertragende Wellen (30, 28) besitzt, und erste und zweite axial benachbarte Laufschaufelstufen von der ersten und zweiten Welle zum Antrieb der Wellen in gegenläufiger Drehung beim Eingriff der ersten und zweiten Laufschpufelstufen mit dem Strom getragen sind.

2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und zweiten axial benachbarten Laufschaufelstufen Rotorstufen sind.

3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß im wesentlichen alle mit Laufschaufeln ausgestatteten Stufen der Turbine Rotorstufen sind.

4. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch -3, dadurch gekennzeichnet , d?ß die erste und zweite Welle unabhängig voneinander drehbar sind.

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5. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß jede der Laufschaufeletufen der Turbine gegenläufig zu jeder unmittelbar benachbarten Laufschaufelstufe rotiert.

6. Gasturbinentriebv/erk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die erste und zweite Welle aufeinanderfolgende Stufen des Verdichters (12) antreiben.

Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet . d?ß es noch einen im wesentlichen den Verdichter (12) umschließenden kreisringförmigen Kanal (2t) und ein erstes mit Laufschaufeln ausgestattetes Gebläse (24) umfaßt, welches im Innern des Kanals (21) angeordnet und von der zweiten Welle (28) angetrieben ist, um einen ersten Gebläseluftstrom durch den Kanal zu ziehen.

8. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß im wesentlichen alle mit Laufschaufeln ausgestatteten Stufen des Verdichters (12) Rotorstufen sind.

Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Turbine (16) weiterhin eine dritte, unabhängige, drehbare, Drehmoment übermittelnde Welle (32) und eine dritte mit Laufschaufeln ausgestattete Stufe umfaßt, welche axial benachbart zur zweiten Stufe und zum Antrieb der dritten Welle (32) in gegenläu-

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figer Drehung relativ zur zweiten Welle bei Eingriff der dritten mit Laufschaufeln ausgestatteten Stufe mit dem Luftstrom angeordnet ist.

10. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , dpß die erste, zweite und dritte Welle (30, 28, 32) .jeweils erste, zweite und dritte der mit Laufschaufeln ausgestatteten Stufen des Verdichters (12) antreiben.

11. Gasturbinentriebv/erk nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß jede der ersten, zweiten und dritten Verdichterstufen gegenläufig zu ihren benachbarten Stufen rotiert.

12. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch ti. dadurch gekennzeichnet . daß es weiterhin einen ringförmigen Kanal (21) umfaßt, der im wesentlichen den Verdichter (12) umschließt, und ein erstes mit Laufschaufeln ausgestattetes Gebläse (24) im Innern des Kanals (21) angeordnet und durch die zweite Welle (28) angetrieben ist, um einen ersten Gebläseluftstrom durch den Kanal zu ziehen.

13. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die erste, zweite und dritte mit Laufschaufeln ausgestattete Stufe der Turbine (16) jeweils eine Hochdruckstufe, eine Zwischendruckstufe und eine Niederdruckstufe der Turbine ist, und die erste, zweite und dritte Stufe des Verdichters (12) jeweils Niederdruckstufe:,, Zwischendruckstufe und Hochdruckstufe ist.

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14. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 13, da durch gekennzeichnet , daß das erste mit Lnuf schaufeln ausgestattete Gebläse (24) von der zweiten Stufe des Verdichters (12) getragen ist.

15. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1.3, dadurch gekennzeichnet , dpßes weiterhin ein zweites mit Laufschaufeln ausgestattetes Gebläse (26) umfaßt, das in dem Kanal (21) angeordnet ist und von der ersten Welle (30) angetrieben ist, um einen zweiten Gebläseluftstrom durch den Kanal zu ziehen.

16. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß das zweite mit Laufschaufeln ausgestattete Gebläse (26) von der ersten Verdichterstufe getragen ist.

17. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß die erste, zweite und dritte Welle (30, 28, 32) im wesentlichen koaxial sind.

18. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet , daß die Längen der Laufschaufeln des ersten Laufschaufelgebläses (24) so bemessen sind, daß die Schaufeln sich im wesentlichen über die gesamte radiale Breite des Kanals (21) erstrecken, und die Laufschaufeln des zweiten Gebläses (26) eine solche vorgegebene Länge besitzen, daß ein praktisches Drehmomentgleichgewicht , bei einer vorgewählten Drehgeschwindigkeit der ersten Welle (30) für das Triebwerk vorhanden ist.

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19. Gasturbinentriebwerk dadurch gekennzeichnet , daß es umfaßt:

einen Verdichter (12) mit Laufschaufelstufen zur Verdichtung eines Luftstroms, einen Brenner (14) zur Aufnahme der verdichteten Luft, zur Erhitzung der Luft und zum Ausstoß der Luft,

eine Turbine (16) mit L?ufsch?ufelstufen zur Erzeugung eines Drehmomentes aus dem Luftstrom, erste und zweite im wesentlichen koaxial drehbare Wellen (30, 28, 32), welche Jeweils erste und zweite Stufen der Turbine (16) mit ersten und zweiten Stufen des Verdichters (12) verbinden, wobei die erste Welle (30) die allgemeine Form eines Paars von Kegeln besitzt, die in einer im wesentlichen kreisförmigen Verbindung pn ihren größeren Enden aneinander—stoßen, wobei diese erste Welle weiterhin eine Vielzahl von umkreisförmig beabstandeten radialen Öffnungen (66) (68) in der unmittelbaren Nähe der Verbindungsstelle zum Durchlaß von flüssigem Schmiermittel durch dieselben von der radial inneren Oberfläche der ersteren Welle besitzt, und

ein Schmierinittelkollektorring (70) im wesentlichen die erste Welle benachbart zur Verbindungsstelle umschließt zur Aufnahme und Speicherung von Schmiermittel, welches bei der Drehung der ersten Welle durch die Öffnungen tritt.

20. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , daß der Kollektorring (70) im wesentlichen toroidförmig ist.

21. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet . daß die zweite Welle eben-

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falls die allgemeine Form eines Pfrrs aneinanderstoßender Kegelstümpfe besitzt und die zweite Welle eine Vielzahl von umkreisförmig beabstandeten radialen Öffnungen (66, 68) be-, sitzt, welche benachbart zur Verbindungsstelle der aneinanderstoßenden Kegel angeordnet sind zum Durchtritt von fließfähigem Schmiermittel aus der radial inneren Oberfläche der zweiten Welle durch dieselben.

22. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Welle im Innern der ersten Welle angeordnet ist, wodurch das aus der zweiten Welle durch die Öffnungen austretende fließfähige Schmiermittel von der radial inneren Oberfläche der ersten Welle aufgenommen ist.

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