DE3719717C2 - Turbinenschaufelkranz für ein Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Turbinenschaufelkranz für ein Gasturbinentriebwerk, dessen Laufschaufeln an ihren radial äußeren Schaufelenden über Befestigungsvorrichtungen mit einer Hohlwelle verbunden sind. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Fangasturbinentriebwerk, bei dem die einem Kerntriebwerk nachgeschaltete Fanantriebsturbine an den radial äußeren Enden ihrer Laufschaufeln die in einem Fankanal umlaufenden Fanschlaufeln trägt.

Ein solcher Aufbau ist durch die DE 37 19 541 bekannt. Diese Fanantriebsturbine soll so leicht wie möglich sein, sie muß jedoch genügende Starrheit aufweisen, um im Betrieb einen einwandfreien Lauf zu gewährleisten. Dies setzte bisher einen robusten und daher schweren Turbinenaufbau voraus, was der Forderung nach einem gewichtsmäßig leichten Aufbau der Fanantriebsturbine widersprach.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Verbindung zwischen den radial äußeren Schaufelenden und der Hohlwelle gewichtsmäßig leicht und dennoch so auszubilden, daß eine sichere Drehmomentenübertragung und Starrheit in jedem Betriebszustand gewährleistet ist.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Die Erfindung geht demgemäß von der Erkenntnis aus, daß beim Anlauf Befestigungsmittel ausreichend sind, die infolge ihrer Elastizität eine gewisse Ausdehnungg zulassen, aber allein nicht in der Lage sind, die betriebsmäßigen Drehmomentanforderungen zu gewährleisten. Zu dem Zweck der betriebsmäßigen Drehmomentübertragung sind demgemäß nach der Erfindung weitere Verbindungsmittel vorgesehen, die die thermische differentielle Ausdehnung zulassen und ausnutzen, um durch diese Ausdehnung eine starre, reibungsschlüssige Verbindung zwischen den koaxialen Ringflächen herzustellen.

Durch die US-PS 3 494 539 ist zwar bereits ein Fantriebwerk bekannt, bei dem eine begrenzte Radialbewegung zwischen der ringförmigen Plattform einer umlaufenden Strebe und einem hohlzylinderischen Gehäuse vorgesehen ist. Hier erfolgt diese Bewegung jedoch nur in jenen Umfangsbereichen, die zwischen verzahnten Sektoren liegen. Außer in diesen Sektorbereichen kann eine begrenzte radiale Bewegung stattfinden, weil die Innenhülse und die Außenhülse einen bestimmten radialen Abstand zueinander aufweisen. Die miteinander verzahnten Bauteile, die der Drehmomentübertragung dienen, sind in Radialrichtung nicht aufeinander gleitbar. Vielmehr stehen diese Verzahnungen immer fest miteinander im Eingriff, was eine Radialbewegung verhindert.

Demgegenüber wird nach der Erfindung die Radialbewegung ausgenutzt, um durch Verschließen des Ringspaltes eine Berührung der Ringflächen zu gewährleisten, die dann reibungsschlüssig in Radialrichtung derart aufeinandergepreßt werden, daß ein starrer Aufbau erhalten wird.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zei­ gen:

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Seitenansicht eines Fan-Gasturbinentriebwerks mit einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Fanantriebs­ turbine,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Teils der in Fig. 1 dargestellten Fanantriebsturbine,

Fig. 3 in größerem Maßstab eine Teilansicht der in Fig. 2 dargestellten Fanantriebsturbine,

Fig. 4 in größerem Maßstab die Ansicht einer Einzel­ heit der Fanantriebsturbine gemäß den Fig. 2 und 3.

Ein Mantelstromgasturbinen-Fantriebwerk 10 weist ein Kern­ triebwerk 11 mit einer Fanantriebsturbine 12 auf, die am stromabwärtigen Ende angeordnet ist. Das Kerntriebwerk 11 ist von herkömmlicher Bauart und umfaßt einen Luftein­ laß 13, einen Kompressor 14, eine Verbrennungs­ einrichtung 15 und eine Turbine 16. Das Kerntriebwerk 11 arbeitet in herkömmlicher Weise, d. h. die durch den Lufteinlaß 13 eintretende Luft wird vom Kompressor 14 komprimiert, bevor die Luft mit Brennstoff gemischt wird, und es wird dann die Mischung in der Ver­ brennungseinrichtung 15 verbrannt, wonach die Verbrennungsgase in der Turbine 16 entspannt werden. Die Verbrennungsgase werden dann aus dem Kerntriebwerk 11 in die Fanantriebsturbine 12 ausge­ blasen.

Die Fanantriebsturbine 12 ist nicht von herkömmlicher Bauart und sie umfaßt eine Zahl von Stufen gegenläufiger Schaufeln, wobei zwei Stufen hiervon stromaufwärtige und stromabwärtige stromlinienförmige Fanschaufeln 17 bzw. 18 besitzen, die am äußeren Umfang befestigt sind. Die Fanschaufeln 17 und 18 drehen sich im Gegensinn und sie werden von einem Fangehäuse 19 umschlossen.

Im Betrieb werden heiße Gase, die vom Kerntriebwerk 11 ausgeblasen werden, in die Fanantriebsturbine 12 gelei­ tet, um eine gegensinnige Drehung der Stufen und eine ge­ gensinnige Drehung der Fanschaufeln 17 und 18 herbeizu­ führen. Ein gewisser Teil der Vorschubkraft wird durch die Gase geliefert, die aus der Fanantriebsturbine 12 über den ringförmigen Auslaßkanal 20 ausgeblasen werden. Der Hauptteil des Vortriebsschubes des Gasturbinentrieb­ werks 10 wird jedoch durch Luft erzeugt, die am stromauf­ wärtigen Ende 21 des Fankanals eingesaugt und durch die im Gegensinn umlaufenden Fanschaufeln 17 und 18 beschleunigt wurde, bevor sie aus dem stromabwärtigen Ende 22 des Fangehäuses 19 ausgestoßen wird.

Das Fangehäuse 19 und das Kerntriebwerk 11 sind durch mehrere radial verlaufende vordere Stre­ ben 23 miteinander verbunden, während mehrere radial verlaufende hintere Streben 24 das Fangehäuse 19 mit der übrigen Fanantriebsturbine 12 verbin­ den. Die hinteren Streben 24 übernehmen den Hauptteil der Lastübertragung zwischen dem Triebwerk 10 und dem Flug­ zeug, an dem es aufgehängt ist (nicht darge­ stellt), und sie sind an ihren radial inneren Enden am axial stromabwärtigen Ende eines allgemein zylindrischen Trägers 25 befestigt, der koaxial innerhalb der Fanantriebs­ turbine 12 angeordnet ist. Der zylindrische Träger 25 trägt sämtliche im Gegensinn umlaufenden Elemente der Fanantriebsturbine 12, und er ist an seinem stromaufwär­ tigen Ende am stromabwärtigen Ende des Gehäuses 26 des Kerntriebwerks 11 durch einen Lastübertragungsaufbau 27 befestigt.

Am Träger 25 ist, wie aus Fig. 2 ersichtlich, eine Welle 28 koaxial über zwei axial beabstandete Gruppen von La­ gern 29 und 29a gelagert. Die Welle 28 besitzt einen Ab­ schnitt 28a mit Kegelstumpfform am stromabwärtigen Ende, der eine ringförmige Anordnung radial verlaufender Turbi­ nenschaufeln 30 trägt. Jede Turbinenschaufel 30 ist an ihrem radial äußeren Ende mit zwei im axialen Abstand zu­ einander angeordneten radial verlaufenden gelochten An­ sätzen 31 versehen. Die Ansätze 31 tragen einen Zapfen 32, der seinerseits in vier im axialen Abstand liegenden radial verlaufenden gelochten Ansätzen 33 festgelegt ist, die am radial inneren Ende einer entsprechenden stromab­ wärtigen Fanschaufel 18 vorgesehen sind.

Der kegelstumpfförmige Wellenabschnitt 28 besitzt weitere kegelstumpfförmige konische Wellenabschnitte 34 und 35, die daran befestigt sind. Einer der kegelstumpfförmigen Wellenabschnitte 35 liegt radial innerhalb des stromauf­ wärtigen Endes 36 des anderen kegelstumpfförmigen Wellen­ abschnitts 34 und dient zur Abstützung dieses stromauf­ wärtigen Endes 36. Der kegelstumpfförmige Wellenabschnitt 34 trägt die radial inneren Fortsätze von drei ringförmi­ gen Anordnungen von Turbinenschaufeln 37, 38 und 39 und dient zusätzlich dazu, den radial inneren Abschnitt des Turbinenabgaskanals durch die Fanantriebsturbine 12 zu definieren.

Das stromaufwärtige Ende der Welle 28 ist ebenfalls mit einem kegelstumpfförmigen Abschnitt 40 ausgestattet, der zwei ringförmige Anordnungen radial verlaufender Turbi­ nenschaufeln 41 und 42 und den Aufbau 40a trägt, der einen weiteren radial inneren Abschnitt des Turbinen­ abgaskanals durch die Fanantriebsturbine 12 definiert. Es ist daher ersichtlich, daß eine Drehung der Welle 28 zu einer entsprechenden Drehung der Turbinenschaufeln 30, 37, 38, 39, 41 und 42 und ebenso zu einer Drehung der stromabwärtigen Fanschau­ feln 18 führt.

Die Welle 28 lagert eine weitere Welle 43 koaxial hierzu über zwei im Abstand zueinander liegende Lager 44 und 45. Die Welle 43 besteht im wesentlichen aus zwei kegel­ stumpfförmigen Abschnitten 43a und 43b, die an ihren radial inneren Enden durch einen zylindrischen Körper 46 miteinander verbunden sind.

Die kegelstumpfförmigen Wellenabschnitte 43a und 43b sind an ihren radial äußeren Enden mit den radial inneren Fortsätzen von Turbinenschaufeln 47 verbunden.

Jede Turbinenschaufel 47 ist, wie deutlich aus Fig. 3 er­ kennbar ist, an ihrem radial äußeren Ende mit zwei axial im Abstand zueinander liegenden radial verlaufenden ge­ lochten Lageransätzen 48 und 49 versehen. Die Löcher in den Ansätzen 48 und 49 tragen einen Zapfen 50, der sei­ nerseits in Öffnungen festgelegt ist, die in axial im Ab­ stand zueinander liegenden radial verlaufenden Ansätzen 51, 52, 53 und 54 angeordnet sind, die am radial inneren Ende der stromaufwärtigen Fanschaufeln 17 vorgesehen sind. Eine Trommel 55, der sich sowohl strom­ auf als auch stromab der Turbinenschaufeln 47 erstreckt, liegt zwischen den Turbinenschaufeln 47 und den Fan­ schaufeln 17 und dreht sich mit diesen. Die Trommel 55 ist mit Öffnungen 46 versehen, die den Ansätzen 48 und 49 auf den radial äußeren Enden der Turbinenschaufeln 47 entsprechen, so daß eine direkte Befestigung jeder Fan­ schaufel 17 an der entsprechenden Turbinenschaufel 47 ermöglicht wird. Die Öffnungen 56 sind an ihren strom­ aufwärtigen und stromabwärtigen Enden mit gelochten Fort­ sätzen 57 bzw. 58 versehen, durch die der Zapfen 50 ge­ führt ist. Die Öffnungen in den Ansätzen 57 und 58 be­ sitzen einen größeren Durchmesser als der Zapfen 50, so daß eine begrenzte relative Radialbewegung zwischen der Trommel 55 und den Turbinenschaufeln 47 bis zu einer Grenze möglich wird, bei der die Trommel 55 wenigstens eine teilweise Abstützung für jede Fan­ schaufel 17 bewirkt. Es ist daher ersichtlich, daß durch das Zusammenwirken zwischen den Ansätzen 48 und 49 und den Öffnungen 56 gewährleistet wird, daß die Trommel 55 koaxial zur Achse der Fanantriebsturbine 12 gehalten wird und daß die Turbinenschaufeln 59, 60, 61, 62 und 63 die Fanschaufeln 17 antreiben.

Das stromaufwärtige Ende der Trommel 55 dient zur Abstützung der radial äußeren Erstreckungen von zwei ringförmigen Anordnungen von Turbinenschaufeln 59 und 60, die zwischen den Turbinenschaufeln 41 und 42 liegen. In gleicher Weise dient der stromabwärtige Abschnitt der Trommel 55 zur Abstützung der radial äußeren Enden von drei ringförmigen Anordnungen von Turbinenschaufeln 61, 62 und 63, die zwischen den Turbinenschaufeln 31, 38 bzw. 39 angeordnet sind. Die Trommel 55 dient außerdem dazu, einen Aufbau 55a zu schaffen, der einen radial äußeren Abschnitt des Turbinenabgaskanals durch die Fanantriebsturbine 12 definiert.

Der radial äußere Teil des stromabwärtigen Endes der Trommel 55 hat einen eine Grenze definierenden Zy­ linder 64, der dazu dient, einen Abschnitt der radial inneren Grenze des Gaskanals 65 zu bilden, der die Fan­ schaufeln 17 und 18 enthält, die von der Verkleidung 19 umschlossen sind.

Es ist somit ersichtlich, daß eine Drehung der Welle 43 zu einer Drehung der ringförmigen Anordnung von Turbinen­ schaufeln 47, der Trommel 55, der ringförmigen Anordnun­ gen von Turbinenschaufeln 59, 60, 61, 62 und 63 und der ringförmigen Anordnung von stromaufwärtigen Fanschau­ feln 17 führt.

Jede Fanschaufel 17 ist hohl und enthält radial ver­ laufende Fasern 17a aus einem Aramidmaterial, die am Endbereich 67 der Gebläseschaufel 17 festgelegt und an ihren radial inneren Enden am Stift 50 verankert sind. Obgleich nur zwei Faserstränge 17a in der Zeichnung dargestellt sind, ist es klar, daß weitere Stränge über die Fanschaufel 17 verteilt und an verschiedenen Stellen am Stift 50 festgelegt sein können. Ähnliche Fa­ sern können innerhalb der Fanschaufeln 18 angeordnet und an den Zapfen 32 verankert sein. Die Fasern 17a sind normalerweise nicht lasttragend. Im Falle eines Schaufel­ bruchs irgendeiner Schaufel 17 und 18 gewährleisten diese Fasern 17a jedoch, daß sich keine Bruchstücke der Fan­ schaufeln 17 oder 18 lösen und eine Beschädigung des Triebwerks 10 oder des Flugzeugs bewirken können, an dem das Triebwerk aufgehängt ist.

Die Turbinenschaufelanordnungen innerhalb der Fanantriebs­ turbine 12 sind so ausgebildet, daß aufeinanderfolgende Stufen im Gegensinn umlaufen, so daß die Wellen 28 und 43 sich im Gegensinn drehen und ebenso die Fanschau­ feln 17 und 18, die einen Vorschub erzeugen.

Der zylindrische Aufbau 55a, der einen radial äußeren Ab­ schnitt des Turbinenabgaskanals durch die Fanantriebs­ turbine 12 definiert, verbindet die radial äußeren Enden der Turbinenschaufeln 59, 60, 47, 61, 62 und 63. Er trägt außerdem fünf Ringkörper 65, 66, 67, 68 und 69, die je­ weils benachbart zu den radial äußeren Enden der Turbi­ nenschaufeln 59, 60, 61, 62 und 63 angeordnet sind. Die Ring­ körper 65 bis 69 haben allgemein gleiche Gestalt und der Ringkörper 66, der deutlicher aus Fig. 4 ersichtlich ist, ist für diese Ausbildung typisch. Er besteht im wesentli­ chen aus einer radial verlaufenden Membran 70, die radial außerhalb des stromabwärtigen Bereichs des Turbinenschau­ felaufbaus 61 liegt und am Umfang einen verbreiterten Rand 71 besitzt. Der Rand 71 ergibt eine umfangsmäßige Steifheit und definiert eine Umfangsanschlagringfläche 72, die radial im Abstand von einer entsprechenden An­ schlagringfläche 73 liegt, welche auf einem kegelstumpf­ förmigen Abschnitt 74 einer zweiten Trommel 75 befindlich ist. Die zweite Trommel 75 liegt zwischen den radial äußeren Enden der Turbinenlaufschaufeln 61, 62 und 63 und der Primärtrommel 55.

Das stromaufwärtige Ende des kegelstumpfförmigen Ab­ schnitts 74 der zweiten Trommel 75 ist fest an dem Aufbau 76 montiert, der den radial äußeren Abschnitt des strom­ aufwärtigen Bereichs der Turbinenlaufschaufeln 61 trägt.

Wenn die Fanantriebsturbine 12 unter Temperaturen läuft, die unter der normalen Arbeitstemperatur liegen, ergibt sich ein radialer Spalt zwischen den Anschlagring­ flächen 72 und 73. Hierdurch können sich die Turbinenlauf­ schaufeln 61, die in einer heißen Umgebung arbeiten, thermisch ausdehnen, ohne daß unerwünschte Radialbela­ stungen auf die Trommel 55 ausgeübt werden. Der ra­ diale Spalt ist jedoch so bemessen, daß beim Erreichen normaler Arbeitstemperaturen durch die Fanantriebsturbine 12, d. h. bei Erreichen der Temperatur, die unter normalen Reisebedingungen erreicht wird, der Spalt ge­ schlossen ist, so daß jede weitere Radialbewegung verhin­ dert ist und die Starrheit der Turbinenlaufschaufeln 61 und der Trommel 55 erhöht wird.

Die Ringkörper 65, 68 und 69 liegen im radialen Abstand von den entsprechenden Anschlagoberflächen der Trommel 55, während der übrige Ringkörper 67 radial im Abstand zu einer entsprechenden Anschlagfläche der Sekun­ därtrommel 75 liegt. In jedem Fall sind die radialen Spalte so angeordnet, daß sie sehr dicht infolge der thermischen Expansion werden, wenn normale Turbinen­ arbeitstemperaturen erreicht werden, wodurch eine struk­ turelle Starrheit für den Gesamtaufbau gewährleistet wird.

Die zweite Trommel 75 ist zusätzlich mit der Trommel 55 über ein kegelstumpfförmiges Verbindungsglied 77 verbunden, welches eine elastische radiale Relativbe­ wegung zwischen der Trommel 55 und der zweiten Trommel 75 zuläßt. Das axial stromabwärtige Ende des Ver­ bindungsgliedes 77 liegt im radialen Abstand von der Trommel 55 mit einem Radialspalt, der so bemessen ist, daß er durch die thermische Ausdehnung geschlossen wird, wenn normale Turbinenbetriebstemperaturen erreicht wer­ den, was zusätzlich zur Starrheit des Aufbaus beiträgt.

Jede der Turbinenschaufeln 47 ist an ihrem radial äußeren Ende mit im axialen Abstand angeordneten Anschlagoberflä­ chen 78 und 79 versehen, die, wenn die Fanantriebstur­ bine 12 bei Untertemperatur arbeitet, im radialen Abstand von ringförmigen Anschlagoberflächen 80 und 81 liegen, die an der Trommel 55 vorgesehen sind. Wenn die Temperatur der Turbinenschaufeln 47 auf ihre normale Be­ triebstemperatur ansteigt, dann dehnen sie sich mit einer größeren Geschwindigkeit thermisch aus als die Trommel 55. Die Spalte zwischen den Anschlagoberflächen 78 und 79 auf den Turbinenschaufeln 47 und jenen der Trommel 55 sind so gewählt, daß bei Erreichen der norma­ len Betriebstemperatur die Spalte geschlossen werden, so daß dem aus Turbinenschaufeln 47, Fanschaufeln 17 und Trommel 55 bestehenden Aufbau eine zusätzliche Starrheit verliehen wird.

Damit die Turbinenschaufeln 47 sich in Radialrichtung in einem größeren Ausmaß thermisch ausdehnen können als die Trommel 55, sind die Löcher 82 in den Ansätzen 57 und 58 der Trommel 55 mit einem Übermaß versehen, wie dies aus Fig. 3 ersichtlich ist. Dies ermöglicht eine begrenzte radiale Relativbewegung zwischen der Turbinen­ schaufel 47, den Fanschaufeln 17 und der Trommel 55.

Es ist somit ersichtlich, daß die Erfindung eine Fanantriebs­ turbine mit gegensinnig umlaufenden Schaufeln schafft, die hohe thermische Ausdehnungen der Turbinenlaufschaufeln aufnehmen kann und einen starren Aufbau bei normalen Betriebstemperaturen gewährleistet.

Die Erfindung wurde vorstehend unter Bezugnahme auf ein Gasturbinentriebwerk beschrieben, das mit einem Fan versehen ist. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung auch auf andere Arten von Gastur­ binentriebwerken anwendbar ist, beispielsweise für Trieb­ werke, die mit stromlinienförmig ausgestalteten Vor­ triebsschaufeln versehen sind, die frei, ohne Ummantelung umlaufen.

Claims (8)

1. Turbinenschaufelkranz für ein Gasturbinentriebwerk, dessen Laufschaufeln (61) an ihren radial äußeren Schaufelenden über Befestigungsvorrichtungen (76; 72, 73) mit einer Hohlwelle (74) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Befestigungen konzentrische Ringflächen (73, 72) aufweist, zwischen denen sich bei Temperaturen unterhalb der Betriebstemperatur ein Rinspalt befindet, der sich beim Übergang auf die Betriebstemperatur durch radiale Ausdehnung der Laufschaufeln schließt, wodurch infolge Reibungsschluß zwischen den Ringflächen eine axiale Kraftübertragung und eine Kraftübertragung in Umfangsrichtung bewirkt wird und die andere Befestigung der Laufschaufel eine relative Axialbewegung zwischen Laufschaufel und Hohlwelle (74) verhindert.

2. Turbinenschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringflächen (72, 73) am stromabwärtigen Ende der Laufschaufeln (61) angeordnet sind und am stromaufwärtigen Ende die andere Befestigungsvorrichtung (76) zwischen einem radial elastischen Abschnitt der Hohlwelle (74) und den Schaufelenden vorgesehen ist.

3. Turbinenschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Ringfläche (72) von einem im Querschnitt T-förmigen Ringkörper (70, 66) gebildet ist, der an den Schaufelenden verankert ist.

4. Turbinenschaufelkranz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwelle (74) von einem Trommelaufbau (55, 75) umschlossen ist, der mit der Hohlwelle (74) verbunden ist.

5. Turbinenschaufelkranz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der stromabwärtige Abschnitt (75) des Trommelaufbaus wenigstens eine der radial äußeren Anschlagringflächen (73) aufweist, die mit Anschlagringflächen (72) am radial äußeren Ende von Turbinenlaufschaufeln (62, 63) zusammenwirken.

6. Turbinenschaufelkranz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenlaufschaufeln (47, 30) der Fanantriebsturbine (12) am radial äußeren Ende die Fanschaufeln (17, 18) tragen.

7. Turbinenschaufelkranz nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsbereich zwischen den Turbinenlaufschaufeln (47) und der von ihnen getragenen Fanschaufeln (17) eine entsprechende Öffnung (56) in der Trommel (55) derart aufweist, daß die Turbinenlaufschaufeln (47) und die entsprechenden Fanschaufeln (17) eine axiale Festlegung der Trommel (55) bewirken und die Trommel (55) koaxial zur Achse der Turbine (12) halten.

8. Turbinenschaufelkranz nach den Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fanschaufeln (17) an den entsprechenden Turbinenschaufeln (47) durch eine Zapfenbefestigung (50) festgelegt sind und jeder Zapfen (50) einen zusätzlichen Träger für die Trommel (55) bildet.