DE3507035A1

DE3507035A1 - Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE3507035A1
Application number: DE19853507035
Authority: DE
Inventors: Alan Roy West Chester Ohio Stuart
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1984-03-02
Filing date: 1985-02-28
Publication date: 1985-09-12
Also published as: GB8505193D0; IT8519739A0; IT1183455B; FR2560642A1; GB2155110A; JPS60256521A

Description

Gasturbinentriebwerk

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinenmotoren bzw. -triebwerke und insbesondere auf ein Turbogebläsetriebwerk mit einem gegendrehenden Niederdrucksystem.

Die Deutsche Patentanmeldung P 33 38 456.8 beschreibt ein gegendrehendes Turbogebläse, das durch eine gegendrehende Leistungsturbine angetrieben wird. Dort wird insbesondere auf den Aufbau der Leistungsturbine und das Verhältnis des mittleren Strömungsbahnradius¹ dieser Turbine zum mittleren Strömungsbahnradius des Gasgenerators eingegangen. Dadurch sollen eine kleinere Gebläsespitzendrehzahl und/oder eine höhere Turbinenschaufeldrehzahl sichergestellt werden.

Unter gewissen Bedingungen kann es wünschenswert sein, den mittleren Strömungsbahnradius der Leistungsturbine zu verkleinern. Gemäß einem in der Deutschen Patentanmeldung P 33 38 456.8 gezeigten Ausführungsbeispiel würde eine derartige Verkleinerung des mittleren Strömungsbahnradius der Leistungsturbine die Gebläsespitzendrehzahl vergrößern, wodurch der Wirkungsgrad des Triebwerks bzw. des Motors verkleinert werden würde.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues und verbessertes gegendrehendes Turbogebläsetriebwerk mit hohem Bypass-Verhältnis zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird ein Gasturbinenmotor bzw. -triebwerk vorgeschlagen, das einen Gasgenerator zum Erzeugen von Verbrennungsgasen, eine Leistungsturbine, einen Antriebsabschnitt und einen Booster- oder Zusatzverdichter aufweist. Die Lei-

stungsturbine enthält erste und zweite gegendrehende Turbinenschaufelreihen zum Drehen von ersten bzw. zweiten Antriebswellen. Der Antriebsabschnitt enthält eine erste Antriebsschaufelreihe, die mit der ersten Antriebswelle verbunden ist, und eine zweite Antriebsschaufelreihe, die mit der zweiten Antriebswelle verbunden ist. Der Booster- bzw. Zusatzverdichter enthält eine erste Verdichterschaufelreihe, die mit der ersten Antriebswelle verbunden ist, und eine zweite Verdichterschaufelreihe, die mit der zweiten Antriebswelle verbunden ist.

In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Gasturbinentriebwerk ferner Schaufelsteigungs-Betätigungsmittel auf zum Verändern der Steigung bzw. des Anstellwinkels der zweiten Antriebsschaufelreihe. Die Betätigungsmittel haben die Funktion, die Antriebsströmung zu reversieren bzw. umzukehren .

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 ist eine Ansicht von einem gegendrehenden Turbogebläsetriebwerk mit hohem Bypass-Verhältnis gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 2 ist eine Ansicht von einem Booster-Verdichter für ein Turbogebläsetriebwerk mit hohem Bypass-Verhältnis gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 3 ist eine Schnittansicht nach einem Schnitt entlang der Linie 3-3 in Figur 1.

Figur 4 ist eine Ansicht der in Figur 3 gezeigten Gebläse-Schaufeln, die betätigt sind, um die Gebläseströmung umzukehren.

Figur 5 ist eine Ansicht einer zweiten Gebläseschaufelreihe und einer Betätigungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 6 ist eine Ansicht in Richtung des Pfeiles 6 in Figur

Figur 1 zeigt einen Gasturbinenmotor bzw. ein -triebwerk 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Triebwerk 10 enthält eine mittlere Längsachse 12 und ein ringsförmiges Gehäuse 14, das koaxial um die Achse 12 angeordnet ist. Das Triebwerk 10 enthält ferner einen Kerngasgenerator 16, der einen Verdichter 18, einen Brenner 20 und eine Hochdruckturbine 22 mit einer oder mehreren Stufen aufweist, wobei diese Vorrichtungen koaxial um die Längsachse 12 des Triebwerks 10 strömungsmäßig in Reihe und axial zueinander angeordnet sind. Eine ringförmige Antriebswelle 24 verbindet den Verdichter 18 und die Hochdruckturbine 22 fest miteinander.

Der Gasgenerator 16 hat die Funktion, Verbrennungsgase zu erzeugen. Verdichtete Luft aus dem Verdichter 18 wird im Brenner 20 mit Brennstoff gemischt und gezündet, wodurch die Verbrennungsgase erzeugt werden. Eine gewisse Arbeit wird den Gasen durch die Hochdruckturbine 22 entnommen, die den Verdichter antreibt. Der Rest der Verbrennungsgase wird aus dem Gasgenerator 16 durch eine Strebe 26 des Halterungsteils 28 in die Leistungsturbine 30 ausgestoßen. Die Strebe 26 kann Turbineneinlaßführungsschaufeln aufweisen.

Eine Leistungsturbine 30 enthält einen ersten ringförmigen Trommelrotor 32, der durch geeignete Lager 34 an dem Rahmennabenteil 36 drehbar angeordnet ist. Der erste Rotor 32 weist mehrere erste Turbinenschaufelreihen 38 auf, die von dem Rotor radial nach innen ragen und axial beabstandet sind.

Die Leistungsturbine 30 enthält ferner einen zweiten ringförmigen Trommelrotor 40, der radial innen von dem ersten Rotor 30 und den ersten Schaufelreihen 38 angeordnet ist. Der zweite Rotor 40 weist mehrere zweite Turbinenschaufelreihen 42 auf, \

die von diesem radial nach außen ragen und axial beabstandet sind. Der zweite Rotor 40 ist durch veränderliche Lager 46 an der ersten Welle 44 drehbar befestigt.

Jede der ersten und zweiten Turbinenschaufelreihen 38 und 42 weist mehrere in ümfangsrichtung beabstandete Turbinenschaufeln auf, wobei die ersten Schaufelreihen 38 abwechselnd mit entsprechenden der zweiten Schaufelreihen 42 beabstandet sind. Durch die Schaufelreihen 38 und 42 strömende Verbrennungsgase treiben die ersten und zweiten Rotoren 32 und 40 in entgegengesetzten Drehrichtungen an.

An den ersten und zweiten Rotoren 32 und 40 sind erste und zweite Antriebswellen 44 bzw. 48 fest angebracht. Somit haben die ersten und zweiten Rotoren 32 und 40 die Funktion, die ersten und zweiten Antriebswellen 44 bzw. 48 anzutreiben. Die Antriebswellen 44 und 48 sind relativ zur Mittellinie 50 des Triebwerkes 10 koaxial angeordnet und führen durch den Gasgenerator 16 nach vorne.

Das Triebwerk 10 weist ferner einen vorderen Gebläseabschnitt 52 auf. Der Gebläseabschnitt 52 ist radial innen von einem ringförmigen Gebläsekanal 54 angeordnet, der durch Streben 56 an dem Gehäuse 14 befestigt ist. Der Gebläseabschnitt 52 enthält eine erste Gebläseschaufelreihe 58, die mit dem Vorderende 60 der ersten Antriebwelle 44 verbunden ist. In ähnlicher Weise enthält der Gebläseabschnitt 52 eine zweite Gebläseschaufelreihe 62, die mit dem Vorderende 64 der zweiten Antriebswelle 48 verbunden ist.

Jede der ersten und zweiten Gebläseschaufelreihen 58 und 62 weist mehrere in ümfangsrichtung beabstandete Gebläseschaufeln auf. Die Gebläseschaufelreihen 58 und 62 laufen in entgegengesetzter Richtung um, was für einen relativ hohen Gebläsewirkungsgrad und Antriebswirkungsgrad bei einer im allgemeinen niedrigen absoluten Spitzendrehzahl auf jeder Gebläseschaufelreihe sorgt.

Das Triebwerk 10 weist ferner einen Booster- bzw. Zusatzverdichter 66 auf. Der Zusatzverdichter 66 enthält einen ersten ringförmigen Rotor 68, der mehrere erste Verdichterschaufelreihen 70 aufweist, die sich von dem Rotor radial nach außen erstrecken und axial beabstandet sind. Der Zusatzverdichter enthält ferner einen zweiten ringförmigen Rotor 72, der radial außen von dem Rotor 68 und den ersten Verdichterschaufelreihen 70 angeordnet ist. Der Rotor 72 weist mehrere zweite Verdichterschaufelreihen 74 auf, die radial innen davon angeordnet und axial beabstandet sind. Der Rotor 68 ist an der Gebläseschaufelreihe 68 und einem Vorderende 60 der ersten Antriebswelle 44 fest angebracht. In ähnlicher Weise ist der Rotor 72 an der Gebläseschaufelreihe 62 und dem Vorderende 64 der zweiten Antriebswelle 48 fest angebracht.

Jede der ersten und zweiten Verdichterschaufelreihen 70 und 74 enthält mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Verdichterschaufeln, wobei die ersten Schaufelreihen 70 abwechselnd mit entsprechenden der zweiten Schaufelreihen 74 beabstandet sind. Die Verdichterschaufelreihen 70 und 74 laufen in entgegengesetzter Richtung um und sind in dem Kernkanal 76 angeordnet, der zum Verdichter 18 des Gasgenerators 16 führt.

Der gegendrehende Booster-Verdichter 66 sorgt für einen wesentlichen Druckanstieg in der Luft, die in den Kerngasgenerator 16 eintritt. Ein Vorteil der Gebläseschaufelreihe und der Verdicherschaufelreihen, die durch die gleiche Antriebswelle angetrieben werden, besteht darin, daß der Leistungsturbine 60 die Energie in optimaler Weise entzogen wird. Ohne die Zusatzverdichterstufen, die durch die Leistungsturbine von den Wellen 44 und 48 angetrieben werden, würde ein getrennter Verdichter mit einer zusätzlichen Welle und einer Antriebsturbine erforderlich sein. Wenn ferner die Zusatzverdichterstufen nicht vorhanden wären, würde das Triebwerk auf ein Gesamtdruckverhältnis beschränkt sein, was einen schlechteren Wirkungsgrad zur Folge hat. Indem die Verdichterschaufelreihen 70 und 74 gegendrehend bzw. gegenläufig sind, ist eine kleinere Anzahl von Verdichterschaufelreihen möglich, als sie für einen

Verdichter mit einer einzigen kleinen Drehzahl, der von nur einer Welle angetrieben 1st, erforderlich wären.

Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des Gebläseabschnittes 52 und des Zusatzverdichters 66. Der Zusatzverdichter 66 ist so aufgebaut, daß der Rotor 68 radial außen von dem Rotor 72 angeordnet ist. Somit erstrecken sich erste Verdichterschaufeln 70 von dem Rotor 68 radial nach innen, und die Verdichterschaufelreihen 74 erstrecken sich von dem Rotor 72 radial nach außen.

Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht nach einem Schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 1. Sie zeigt einen typischen Anstellwinkel von Gebläseschaufeln der ersten und zweiten Gebläseschaufelreihen 58 bzw. 62. Die Bewegungsrichtung der Gebläseschaufelreihe 58 ist durch den Pfeil 78 und die Richtung der Gebläseschaufelreihe 62 ist durch den Pfeil 80 gezeigt. Die gegenläufige Drehung der Gebläseschaufelreihen 58 und 62 hat die Funktion, eine Gebläseströmung 62 axial nach hinten zu erzeugen, um dadurch einen Vorwärtsschub zu erzeugen.

Durch Verändern der Steigungseinstellung für entweder eine oder beide Gebläseschaufelreihen 58 und 62 ist es möglich, die Gebläseströmung 82 umzukehren. Fig. 4 zeigt einen Aufbau, bei dem die Schaufeln in der zweiten Gebläseschaufelreihe 62 in einen anderen Anstellwinkel gebracht worden sind, um eine umgekehrte Gebläseströmung herbeizuführen. Eine derartige Betätigung der Schaufeln in der zweiten Gebläseschaufelreihe 62 kann eine ausreichende Strömung erzeugen, um die Richtung 78 der ersten Gebläseschaufelreihe 58 umzukehren. Die Bewegung der Reihen 58 und 62 bleibt jedoch unterschiedlich, wie es durch die relativen Größen der Pfeile 78 und 80 in Fig. 1 gezeigt ist.

Es sind verschiedene Mechanismen möglich, um für die Betätigung der Gebläseschaufeln zu sorgen. Fig. 5 und 6 zeigen einen derartigen Mechanismus. Fig. 5 zeigt eine Gebläse-

schaufel 84 mit einer Nabe 86. Die Schaufelsteigungs-Betätigungsmittel 88 sind in Fig. 6 genauer gezeigt. Sie umfassen einen Kolbenring 90, einen Flanschteil 92, erste und zweite Betätigungsarme 94 und 96 und einen Gleichlaufring 98. Der Flanschteil ist an seinem einen Ende an dem Kolbenring 90 fest angebracht und an seinem anderen Ende mit dem ersten Betätigungsarm 94 schwenkbar verbunden. Die Betätigungsarme 94 und 96 sind miteinander verbunden, und der zweite Betätigungsarm 96 ist mit dem Gleichlaufring 98 schwenkbar verbunden. Die Nabe 86 der Schaufel 84 ist an dem ersten Betätigungsarm 94 fest angebracht. Wenn der Kolbenring 94 pneumatisch betätigt wird und sich im allgemeinen axial entlang der Linie 100 in eine Stellung bewegt, die durch die gestrichelten Linien 101 gezeigt sind, dreht sich die Gebläseschaufel 84 um ihre Achse. Gleichzeitig dreht sich der Gleichlaufring 98 in eine durch gestrichelte Linien 102 gezeigte Stellung, wodurch sichergestellt wird, daß alle anderen Schaufeln auf der Gebläseschaufelreihe im Gleichlauf sind.

Es sind jedoch noch andere Ausführungsbeispiele möglich und es muß sich auch nicht um ein Turbogebläsetriebwerk handeln. Vielmehr ist die Erfindung auf alle Triebwerke bzw. Motoren mit gegendrehenden Antriebsschaufeln anwendbar, wie beispielsweise ein nicht mit einem Kanal versehenes Gebläse oder einen Propeller.

Es sind auch andere Abmessungen und proportionale und strukturelle Relationen möglich als sie in der Zeichnung dargestellt sind.

Claims

Patentansprüche

Gasturbinentriebwerk gekennzeichnet

durch :

einen Gasgenerator (16) zum Erzeugen von Verbrennungsgasen, eine Leistungsturbine (30) mit ersten und zweiten gegendrehenden Turbinenschaufelreihen (38, 42) zum Drehen erster bzw. zweiter Antriebswellen (44, 48), einen Antriebsabschnitt (52) mit einer ersten Antriebsschaufelreihe (58), die mit der ersten Antriebswelle (44) verbunden ISt₇ und einer zweiten Antriebsschaufelreihe (62), die mit der zweiten Antriebswelle (48) verbunden ist, und einen Booster- bzw. Zusatzverdichter (66), der eine erste Verdichterschaufelreihe (70), die mit der ersten Antriebswelle (44) verbunden ist, und eine zweite Verdichterschaufelreihe (74) aufweist, die mit der zweiten Antriebswelle (48) verbunden ist.
2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsabschnitt (52) einen Gebläseabschnitt bildet mit einer ersten Gebläseschaufelreihe, die mit der ersten

Antriebswelle (44) verbunden ist, und einer zweiten Gebläseschaufelreihe, die mit der zweiten Antriebswelle verbunden ist.
3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsturbine (30) einen ersten Rotor (32) mit mehreren ersten Turbinenschaufelreihe, die davon radial nach innen ragen, und einen zweiten Rotor (40) mit mehreren zweiten Turbinenschaufelreihen aufweist, die von diesem radial nach außen ragen, wobei die ersten und zweiten Turbinenrotoren (32, 40) gegenläufig drehbar sind und die

■·— ersten und zweiten Antriebswellen antreiben.
4. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter einen ersten Verdichterrotor (68), der mit der ersten Antriebswelle verbunden ist und mehrere

♦ erste Verdichterschaufelreihen aufweist, die sich davon radial nach außen erstrecken, und einen zweiten Verdichter-

* rotor (72) aufweist, der mit der zweiten Antriebswelle verbunden ist und mehrere zweite Verdichterschaufelreihen aufweist, die sich davon radial nach innen erstrecken.
5. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gebläseschaufelreihe axial hinter der ersten Gebläseschaufelreihe angeordnet ist, wobei der Gebläseabschnitt eine Gebläseströmung erzeugt.
6. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaufelsteigungs-Betätigungseinrichtung (88) vorgesehen ist zum Verändern der Steigung bzw. des Anstellwinkels der zweiten Gebläseschaufelreihe, wobei die Betätigungseinrichtung (88) die Gebläseströmung umkehren kann.