DE3219615A1

DE3219615A1 - Strahlturbine mit gegenlaeufigen raedern

Info

Publication number: DE3219615A1
Application number: DE19823219615
Authority: DE
Inventors: Serge 92330 Sceaux Boudigues
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1981-05-29
Filing date: 1982-05-25
Publication date: 1982-12-16
Also published as: GB2099518B; FR2506840A1; US4463553A; GB2099518A; DE3219615C2; FR2506840B1

Description

II/rk/2533

OFFICE NATIONAL D¹ETUDES ET DE RECHERCHES AEROSPATIALES 29-39, avenue de la Division Leclerc 92320 Chatillon Sous Bagneux

Strahlturbine mit gegenläufigen Rädern

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Die Erfindung betrifft eine gegenläufige Strahlturbine mit mehrstufigem, axialem Kompressor, dessen innere und äussere Rotoren von zwei gegenläufigen Turbinenrädern angetrieben werden.
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Bei den Strahlturbinen dieser Art stellt sich das Problem des Antriebes der vom äusseren Rotor abhängenden Rads oder Gitter, und für dieses Problem ist bis heute keine Lösung gefunden worden, die für einen industriellen Einsatz genügend zufriedenstellend wäre.

Beim Umfangsantrieb dieser Räder kommt es nämlich dazu, dass die Schaufeln an der mechanischen Kraftübertragung teilnehmen. Die Form der Schaufeln wird aber vor allem durch aerodynamische Erwägungen bestimmt; diese fordern, dass die Schaufeln extrem klein sind, um den aerodynamischen Bedingungen zu entsprechen, insbesondere dann, wenn der Luftstrom mit Überschallgeschwindigkeiten zirkuliert. Derartige Schaufeln sind aber im all-20' gemeinen für die Kräfteübertragung ungeeignet.

Andererseits sind, während bei Strahlturbinenrädern, die auf die gegenläufige Drehung nicht eingehen, die äusseren Enden der Schaufeln frei sind, die für die gegenläufigen

Räder vorgeschlagenen Ausführungen so beschaffen, dcss die Schaufeln nicht nur mit ihrem inneren Ende, d.h. mit dem der Achse am nächsten gelegenen Teil, sondern auch an ihrem äusseren Teil befestigt sind. Diese Befestigungen sind während des Betriebes der Strahlturbine sehr unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt, wodurch Wärmebeanspruchungsfaktoren und eine zusätzliche Verformungsquelle eingeführt werden.

Mit der Strahlturbine gemäss der Erfindung werden diese Nachteile beseitigt. Die Erfindung besteht darin, dass die Übertragung der Bewegung auf ein gegenläufiges Rad des Kompressors, d.h. ein Rad, das zu dem vorgeschalteten Rad in entgegengesetztem Sinn angetrieben werden muss, ausgehend von einem Turbinenrad über ein drehendes Gehäuse stattfindet, das an seiner Ausgangsseite mit einer geringen Anzahl dicker Arme ausgestattet ist und von dem Turbinenrad über einen äusseren Ring angetrieben wird, der das Schaufelrad umgibt.

Die Arme können radial sein oder nicht.

Somit spielt das Kompressorrad keine Rolle mehr als Kraft— *' übertragungselement, und ausserdem haben die Schaufeln Enden, die frei bleiben.

Erfindungsgemäss wird jedes Schaufelrad des Kompressors, das nach einer klassischen Gegenlaufkonzeption gleichzeitig die aerodynamischen und die strukturellen Kräfte

überträgt, durch ein System ersetzt, das aus einem drehenden Gehäuse, das die strukturellen Kräfte überträgt, und aus einem Schaufelrad besteht, das nur.die aerodynamischen Kräfte überträgt.

Die Erfindung findet gleichermassen bei Strahlturbinen mit Monoströmung und mit Doppelströmung Anwendung.

In der nun folgenden Beschreibung, die Ausführungsformen der Erfindung zeigt, ist

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer gegenläufigen Strahlturbine gernäss einer bekannten Anordnung; Fig. 2 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemässen

Strahlturbine;
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Doppelströmungs-Strahlturbine gemäss einer bekannten Abordnung; und Fig. 4 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemässen Strahlturbine.

In der Fig. 1 ist eine Monoströmungs-Strahlturbine mit gegenläufigen Rädern nach klassischer Bauart gezeigt.

Auf der Welle 11 der Strahlturbine ist ein Eingangsrad 12 gelagert, das Teil des Kompressors 10 ist und dessen Schaufeln mit 13 bezeichnet sind. Dem Rad 12 unmittelbar nachgeschaltet ist ein Rad 14, das zum Rad 12 gegenläufig angetrieben wird. Während der Antrieb des Rades 12 darauf beruht, dass auf der Welle 11 ein Rad 15 der Turbine 16 befestigt ist, wird der Antrieb des Rades 14 von einem

Turbinenrad 17 bewirkt, das sich gegenüber dem Rad 15 gegenläufig dreht und auf einer Welle 18 gelagert ist, die die Welle 11 umgibt. Die Welle 18 trägt einen Flansch 19, an dem das nachgeschaltete Rad oder Gitter 21 der zweiten Stufe 22 des Kompressors 10 befestigt ist, dessen erste Stufe aus den Rädern 12 und 14 besteht. Die Schaufeln 24 des Rades 21 sind mit ihren Füssen am Joch 25 des besagten Rades befestigt, und ihre äusseren Enden 26 sind an einer umlaufenden Hülse 27 befestigt. Die Hülse ist über einen Ring 28 mit Innenrändern 29 und 31 mit einer Hülse 32 verbunden, auf deren innerer Peripherie 33 die äusseren Enden 34 der Schaufeln 35 befestigt sind, die Teil des Rades 14 sind und deren Füsse 36 an der Nabe 37 des besagten Rohres befestigt sind.

Dieses Rad ist drehbar über eine Hülse 38 an der Welle 11 mit zwischengelagertem Lager 39 befestigt, und das Turbinenrad 17 selbst mit zwischengelagertem Lager 41 ruht auf der besagten Welle.

Bei dieser Anordnung lässt der Antrieb des Rades 14, ausgehend vom Rad 17 der Turbine, nicht nur die Zwischenwelle 18 und den Flansch 19, sondern auch die Schaufeln 24 des Rades 21 und auch die Schaufeln 35 des Rades 14 in Bewegung versetzen. Andererseits werden die Schaufeln 35 einem Luftstrom ausgesetzt, der ihnen gegenüber Überschallgtschwindigkeit hat, und die Luft, die das Rad 46 der zwei-

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ten Stufe 22 des Kompressors 10 in den von den Schaufeln 47 des Rades begrenzten Zwischenräumen durchströmt hat, hat gegenüber den Schaufeln 24 des Rades 21 Überschallgeschwindigkeit.

Sowohl die Schaufeln 24 als auch die Schaufeln 35 haben ein auf aerodynamischen Erwägungen beruhendes Profil, das durch die Überschallgeschwindigkeit der Luft, mit der sie zusammenwirken, bestimmt wird: Sie sind dünn, wie aus der Figur bei 48 bzw. 49 ersichtlich ist. Sie sind deshalb für die Kraftübertragung ungeeignet. Andererseits sind sie an ihren äusseren und inneren Enden unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt, was ein zusätzlicher Verformungs- und Beanspruchungsfaktor ist.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform gemäss der Erfindung. Die Turbine oder Turbinenstufe 51 der Strahlturbine weist ein Hochdruckrad 52 und ein Niederdruckrad 53 auf, die gegenläufig drehen, mit Schaufeln 54 und 55, die am Umfange von Scheiben 56 bzw. 57 befestigt sind. Die Scheibe 57 des Niederdruckrades 53 hängt an einem Flansch 58, der unmittelbar an einer Welle 59 befestigt ist, die an . ihren Enden drehbar über Lager 61 und 62 gelagert ist. An der Welle 59 hängt eine Scheibe 63, die Teil des ersten R des 64 mit Schaufeln 65 der ersten Stufe 66 des Kompressors 67 ist.

An der Welle 59 härgt ebenfalls unmittelbar eine Scheibe 68, die Teil des Eintrittsrades 69 der zweiten Stufe 71

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des Kompressors ist und dessen Schaufeln mit 72 bezeichnet sind. Den Schaufeln 72 nachgeschaltet sind Schaufeln 73 eines Rades 74, das das Ausgangsrad der zweiten Stufe 71 bildet, die einen Ring 75 aufweist, an deren Nabe 76 die besagten Schaufeln 73 befestigt sind, deren Enden 77 frei sind. Die ringförmige Scheibe 75 ist mit ihren Rand 78 mit dem Rand 79 einstückig ausgebildet, der einen Flansch 81 bildet, der an einer rohrförmigen Welle 82 hängt, an der die Scheibe 56 angebracht ist, wobei die Einheit über eine Abdeckung 83 und ein Lager 84 drehbar auf der Welle 59 gelagert ist. Der Flansch 81 endet mit einem inneren Ring 85, an dem sich über starke radiale Arme 87 ein Ring 86 anschliesst, wobei die Arme 87 winklig um die Achse 88 der Strahlturbine verteilt sind und aus einigen Einheiten, beispielsweise fünf bestehen. Der Ring 86 weist eine zylindrische Innenoberfläche 89 auf, die von den äusseren Enden 77 der Schaufeln 73 auf Abstand gehalten ist. Mit dem Ring 86 ist über Ränder 91 bzw. 92 ein Ring 93 einstückig ausgebildet, dessen innere Oberfläche 94 die innere Oberfläche 93 verlängert, wobei der Ring 93 an dem inneren Ring 95 eines Flansches 96 über radiale Arme 97, beispielsweise 5 Arme, befestigt ist. Das Profil der Arme ist bei 98 schematisch dargestellt, während das Profil der ^Arme 87 bei 99 schenat?sch gezeigt ist, wobei die Einheit durch Giessen oder durch Fräsen eines Schmiedestückes hergestellt werden kann. Der Flansch 96 ruht mit einer Buchse 101 drehbar auf der Welle

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59, wobei ein Lager 102 zwischengeschaltet ist. Am Flansch 96 ist über zusammenwirkende Ränder 103 bzw. 104 eine Scheibe 105 angebracht, die Teil des zweiten Rades 106 der ersten Stufe 66 des Kompressors 67 ist, wobei die Schaufeln 107 einen bei 108 schematisch dargestellten Querschnitt haben und ihre inneren Enden 109 von der inneren Oberfläche 94 des Ringes 93 auf Abstand gehalten sind. Bei 111 ist die ringförmige Brennkammer dargestellt, die zwischen dem Kompressor 67 und der Turbine 51 der Strahlturbine liegt.

Die in den Eingang 112 des Kompressors eintretende Luft fliesst durch das erste Rad 64 der ersten Stufe 66 des Kompressors; sie strömt anschliessend durch das zweite Rad 106, das sich zum Rad 65 gegenläufig dreht. Beim Verlassen der ersten Stufe 66 strömt die Luft durch den Ringraum zwischen der inneren Hülse 95 und dem Ring 93, ohne wesentlich in ihrer Bahn beeinflusst zu werden, wobei der Durchgangsraum praktisch frei ist und das Gas mit einer Unterschallgeschwindigkeit entlang den profilierten Armen 97 strömt. Die einstückige Ausführung der Nabe, des Ringes und der Arme verleiht eine über die Zeit unveränderbare Starrheit und begünstigt den Ausgleich der Temperaturen in der inneren und der äusseren Zone. Die Luft zirkuliert schliesslich in der zweiten Stufe 71 des Kompressors, zuerst im zweiten Rad 69 dieser zweiten Stufe, das den gleichen Drehsinn wie das Rad 64 hat und schliesslich

in dem zweiten Rad 74 der zweiten Stufe, das sich gegenüber dem ersten Rad gegenläufig dreht und somit die gleiche Drehrichtung hat wie das zweite Rad 106 der ersten Stufe. Die aus dem zweiten Rad 74 austretende Luft durchquert den Ringraum 114 zwischen dem Ring 86 und der Nabe 85,ohne in ihrer Bahn wesentlich verändert zu werden. Die Luft wird anschliessend in der Kammer 111 erhitzt, und das unter hohem Druck und hoher Temperatur stehende, gasförmige Gemisch treibt zuerst das Hochdruckrad 52 der Turbine, dann das Niederdruckrad 53 an, bevor sie durch die Leitung 113 zur Düse gelangt.

Weder die Schaufeln 73 des Rades 74 am Ausgang der zweiten Stufe des Kompressors noch die Schaufeln 107 des Ausgangsrades 106 der ersten Stufe des Kompressors werden einer mechanischen Kraft ausgesetzt, weil diese Ausgangsräder von dem Niederdruckrad 53 der Turbine 51 angetrieben werden. In dem eir^n bzw. anderen Fall wird der Antrieb mittels Flanschen 81 bzw. 96 vorgenommen. Die Übertragung der Bewegung führt dazu, dass die relativ starken Arme 87 und 97 zur Wirkung kommen, die somit aus der Masse eines Ringes erhalten werden können, von dem die Naben und Ringe ausgehen, die mit 85, 95 bzw. 86, 93 bezeichnet sind. Die nur an ihren inneren Enden befestigten Schaufeln 73 und 107 sind an ihren äusseren Enden 77 und 109 frei. Der Bruch einer so angeordneten Schaufel hat somit keine katastrophalen Folgen, wie es bei der bekannten An-

Ordnung der Fall ist, bei der der Bruch einer Nabe schnell zum Zerbersten das Hochdruckrotors führt.

Nunmehr wird auf Fig. 3 hingewiesen. Bei dieser bekannten Ausführungsform einer Doppelstrahlturbine mit gegenläufigen Rädern besteht die erste Stufe des axialen Kompressor." aus Rädern 124 und 127, die gegenläufig drehen, wobei das Rad 124 auf der Welle 123 gelagert ist, die von einem (nicht dargestellten) Rad der Turbine angetrieben wird. Dabei ist das Rad 127 mit einem Lager 128 auf der Welle gelagert und wird über Schaufeln 131 in Drehung versetzt, die an der ringförmigen Wandung oder profilierten Zwische;.-scheibe 148 befestigt sind. Die Scheibe 148 wird von den Schaufeln eines Gitters 138 in Drehung versetzt, das mit einem Flansch 139 verbunden ist, der von einem nicht dargestellten Rad der Turbine angetrieben wird. Die Schaufeln des Ausgangsrades der ersten Stufe des Kompressors sind bei 132 vor den Eingang der Leitung 136 für den sekundären Luftstrom verlängert.

Gemäss dieser Anordnung sind die Schaufeln 131 und die Schaufeln 138 Kraftübertragungselemente, während ihre For: die von aerodynamischen Erwägungen bestimmt ist, diese Funktion keineswegs zulässt.

Bei der Ausf .ihrungsf orm einer Doppelstrahlturbine gemäss der Erfindung, wie sie aus der Fig. 4 ersichtlich ist, ist das erste Rad 161 des axialen Kompressors 162 mit an

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der Nabe 164 montierten Schaufeln mit seiner Scheibe 165 unmittelbar an der mittigen Welle 166 befestigt, die mit Lagern, von denen eines bei 168 dargestellt ist, um die Achse 167 der Strahlturbine drehbar angeordnet ist. Das zweite Rad 174 des Kompressors 162 weist Schaufeln 175 mit freien Enden 176 auf, die mit ihren inneren Enden 177 an einer Oberfläche 178 einer Nabe 179 befestigt sind, die mit einem Flansch 181 verbunden ist, der über ein Lager 182 auf der Welle 166 gelagert ist.

Die M^be 179 ist mit ihrer anderen Oberfläche 183 an einen Ring 184 befestigt, mit dem sie über eine kleine Anzahl, beispielsweise fünf, Anne 185 verbunden ist, die gleichmässin in Winkelsicht um die Achse 167 verteilt sind, wobei der Zwischenraum 186 zwischpr. der Oberfläche 183 der inneren Nabe 179 und der inneren Oberfläche 188 des Ringes 184 vor dem Austrittsrpnd der Schaufeln liegt. Der Ring 184 und die Nabe 179 bilden somit ein drehendes Gehäuse. Die innere Oberfläche 188 umgibt die Enden 191 der Schaufeln 192 des Rades 169 der Niederdruckstufe 171 des Kompressors und ebenso die Enden 193 der Schaufeln 194 des Rades 195 der Hochdruckstufe 196 des Kompressors mit Abstand. * An dem /.usgangsteil 197 des Ringes 184 ist mittels radialer Arme 198, von denen beispielsweise fünf vorgesehen sind und die einen profilierten Querschnitt aufweisen, die Nabe 199 befestigt, wobei die Nabe 199 an einer Abdeckung 201 grenzt, die drehbar auf der Welle 166 gelagert ist.

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Die Ränder 202, 203 verbinden das Rad 195 mit der Abdeckung 201. Die Bewegung des Rades 195 wird somit mit der Nabe 199, den radialen Armen 198, dem Ring 184, den Armen 185,auf die innere Nabe 179 des Rades 174 übertragen, die somit zum Rad 161 gegenläufig angetrieben wird, ohne dass die Schaufeln mechanische Kräfte zu übertragen hätten.

Die Anordnung gemäss der Erfindung vermeidet die Zwischenscheiben an dem Gebläse der klassischen Konstruktionen, die den Hauptspant erhöht und die Leistung verändert.

Der Ring 184 ist vorgesehen,um um ihn herum einen Teil des Kompressorstromes durchzulassen, der direkt zu einer sekundären Strahldüse gelangt.

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Claims

Il/rk/2533

OFFICE NATIONAL D¹ETUDES ET DE RECHERCHES AEROSPATIALES 29-39, avenue de la Division Leclerc
92320 Chatillon Sous Bagneux

ANSPRÜCHE

Strahlturbine mit gegenläufigem, axialen Kompressor, dessen innere und äußere Rotoren von zwei gegenläufigen Turbinenrädern angetrieben werden, dadurch gekennzeichne t, daß jedes der Schaufelräder (74, 106, 174, 195) des äußeren Rotors einem

drehenden Gehäuse (86, 93, 184, 197) zugeordnet ist, das mit starken Armen (87, 97, 185, 198) versehen ist und mit dem es, ausgehend vom Turbinenrad (56), angetrieben wird.
2. Strahlturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das drehende Gehäuse
(86, 93, 184, 197) einen Zwischenraum (114) für den
^Durchtritt der Gesamtheit oder eines Teiles des Gasstromes aufweist, der das Rad durchquert hat, dem er zugeordnet ist.
3. Strahlturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das drehende Gehäuse (86, 93, 184, 197) einen Bewegungsübertragungsring aufweist, dessen innere Oberfläche ein Spiel frei läßt, das für die Enden (77, 109, 191, 193)der Schaufeln (73, 107, 192, 194) des Schaufelrades (71, 106, 169, 195) vorgesehen ist.
4. Strahlturbine nach Anspruch 2,. dadurch gekennzeichnet, daß das drehende Gehäuse (86, 93, 184, 197) eine innere Nabe aufweist, die mit einer geringen Anzahl starker Arme (81, 198) an einzelnen Stellen mit dem Ring (85, 199) verbunden ist.
5. Strahlturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Arme (98, 99, 185, 198) profiliert ist.
6. Strahlturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (184) so angeordnet ist, daß ein Teil der Kompressorströmung um ihn herum direkt durchgelassen wird, so daß er unmittelbar zu einer sekundären Strahldüse geführt wird.