DE3830784A1

DE3830784A1 - Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE3830784A1
Application number: DE3830784A
Authority: DE
Inventors: Colin Rodgers
Original assignee: Sundstrand Corp
Current assignee: Sundstrand Corp
Priority date: 1987-10-08
Filing date: 1988-09-09
Publication date: 1989-04-20
Also published as: JPH01116252A; US4821506A

Description

Die Erfindung betrifft Turbinen mit radialer Anströmung eines Turbinenrads, insbesondere eine axial gerichtete ver stellbare Düse für eine derartige Turbine.

Außenstromaggregate in Form von Kleingasturbinen können für verschiedene Kombinationen von Wellenleistung und Druck luftleistung vorgesehen sein. Typischerweise handelt es sich dabei um den "integralen Abzapfluft-Typ" oder den "Lastkompressor-Typ".

Die Entnahme von Kompressoraustrittsluft bei Außenstrom aggregaten vom integralen Abzapfluft-Typ ohne gleichzeitige Wellenleistung (also bei einer gleichzeitigen Wellenlei stung Null) sowie Anforderungen, nur in einer 100-%-Wellen leistungs-Betriebsart zu arbeiten (Abzapfluftleistung Null), führen notwendigerweise zu Leistungskompromissen, um eine ausreichende Toleranz in bezug auf ein Kompressor pumpen zu unterhalten.

Es werden bereits verstellbare Turbinendüsen eingesetzt, um solche Kompromisse dadurch zu vermeiden, daß die Turbine an optimale Kompressor-Wirkungsgrade anpaßbar ist. Bisher werden für Radialturbinen radiale Turbinendüsen verwendet. Ein Beispiel für eine solche Maschine ist angegeben in "Interim report AFFDL-TR-77-68, Volume I" für die Zeit von Mai 1976 bis Juli 1976, zu beziehen von Air Force Flight Dynamic Laboratory (FED), Wright-Patterson Air Force Base, Ohio 45433; die Seiten 86-95 dieses Berichts behandeln die Verstelldüsen-Geometrie.

Eine derartige Geometrie ist zwar hilfreich für die Über windung der oben genannten Kompromisse hinsichtlich der Leistung, es ergibt sich dabei jedoch eine andere Schwie rigkeit. Wenn die Bauelemente der Verstelldüsen bei einer Radialturbine verwendet werden, arbeiten sie in einer rela tiv heißen Umgebung. Sowohl die Düsenblätter als auch ihre Betätigungsmechanismen werden mit dieser Hitze beauf schlagt, und infolgedessen können Standzeit und Zuverläs sigkeit des Gasturbinentriebwerks vermindert werden.

Die Erfindung dient dem Zweck, die vorgenannten Probleme zu überwinden.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines neuen und verbesserten Gasturbinentriebwerks, das eine Radial turbine mit einer verstellbaren Axialturbinendüse aufweist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Gastur binentriebwerk gelöst, das gekennzeichnet ist durch einen Radialkompressor und eine Radialturbine, die miteinander so verbunden sind, daß sie gleichzeitig um eine Rotationsachse umlaufen, durch Mittel zum Fördern von Verbrennungsgas aus einem Vergasungsbrenner zu der Radialturbine auf einer mit der Rotationsachse konzentrischen axialen Verbrennungsgas förderbahn, durch Mittel zum Fördern von Druckgas aus dem Radialkompressor zum Vergasungsbrenner auf einer Druckgas förderbahn, die parallel zu der axialen Verbrennungsgasför derbahn verläuft, und durch eine drehbar gelagerte Leit schaufelvorrichtung, die in der axialen Verbrennungsgas förderbahn angeordnet ist und einstückig daran befestigte drehbare Leitschaufel-Stellelemente aufweist, die durch die Druckgasförderbahn verlaufen, wobei die Leitschaufel-Stell elemente durch das Vorbeiströmen von Druckgas gekühlt werden.

Zusätzlich zu den Vorteilen einer verbesserten Kühlung in Verbindung mit einer Steigerung des Wirkungsgrads durch die Fähigkeit der Anpassung der Komponenten aneinander bietet die Erfindung den weiteren Vorteil, daß sie die Verwendung eines größeren Durchmessers an den Turbinenschaufelspitzen erlaubt, wodurch sich ein höherer Wirkungsgrad einstellt. Ferner wird das Problem einer Düsenerosion bei Radialdüsen, die üblicherweise in Radialturbinen verwendet werden, mini miert bzw. ausgeschaltet.

Die Erfindung sieht ferner vor, daß die Mehrzahl von dreh baren Leitschaufeln einzeln um Achsen drehbar befestigt sind, die die Rotationsachse der Turbine im rechten Winkel schneiden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Druckgasförderbahn radial außerhalb der Verbrennungs gasförderbahn liegt. Ferner ist vorgesehen, daß der Kom pressor und die Turbine auf einer einzigen Welle im wesent lichen unmittelbar nebeneinander angeordnet sind.

Nach der Erfindung ist vorgesehen, daß die Verbrennungs gasleitung einen axialen Verbrennungsgasleitungsabschnitt aufweist, in dem die Leitschaufeln angeordnet sind und der in einen nach radial innen führenden Verbrennungsgaslei tungsabschnitt mündet, der zur Turbine gerichtet ist.

Eine Stelleinheit ist mit Leitschaufel-Stellorganen ver bunden und in geeigneter Weise so betätigbar, daß sich eine Lageregelung der Leitschaufeln ergibt.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Teils des Gastur binentriebwerks nach der Erfindung; und

Fig. 2 eine vergrößerte Abwicklung eines Teils einer Turbinendüse.

Nach Fig. 1 umfaßt das Ausführungsbeispiel des Gasturbi nentriebwerks eine Welle 10, die um eine Achse drehbar in Lagern 12 (von denen nur ein Satz gezeigt ist) gelagert ist. Die Welle 10 kann eine Verzahnung 14 zur Entnahme von Abtriebsleistung aufweisen.

Auf der Welle 10 sind ein Kompressor 16 und eine Radial turbine 18 festgelegt. Der Kompressor 16 hat eine Mehrzahl Schaufeln 20 (nur eine ist gezeigt), die auf einer Nabe 22 befestigt sind, die ihrerseits auf der Welle 10 befestigt ist. Jede Kompressorschaufel 20 hat ein Austrittsende 24, das radial zu einem Leitapparat 26 von konventioneller Bauart gerichtet ist. Jede Kompressorschaufel 20 hat ferner ein in Axialrichtung verlaufendes Eintrittsende 28, das zu einem Lufteinlaß 30 gerichtet ist. Eintrittsleitschaufeln 32 können zwischen dem Lufteinlaß 30 und den Schaufelenden 28 vorgesehen sein. Die Eintrittsleitschaufeln 32 sind in konventioneller Weise um Achsen 34 drehbar und werden von einer Stelleinheit 36 in bekannter Weise angetrieben.

Durch die Rotation des Kompressors 16 wird Einlaßluft ver dichtet und aus dem Kompressor in Radialrichtung durch den Leitapparat 26 ausgestoßen, der einen Staudruck in ein nutzbares Gefälle umwandelt. Ein mit der Welle 10 und einer Auslaßseite des Leitapparats 36 konzentrischer ellbogen förmiger Ringkanal 38 richtet den radialen Druckluftstrom erneut im wesentlichen in Axialrichtung durch einen Axial kanal 40 (der ebenfalls konzentrisch um die Welle 10 ver läuft), der typischerweise konventionell ausgebildete Ent wirbelungsschaufeln 42 aufweist.

Aus dem Kanal 40 austretende Druckluft tritt in einen ring förmigen Vergasungsbrenner 44 ein. Dieser hat eine ringför mige Außenverkleidung 46 und eine ringförmige Innenverklei dung aus voneinander beabstandeten Wandungen 48 und 50 sowie einer Endwand 52. Die Druckluft tritt in üblicher Weise in den Vergasungsbrenner 44 ein, in dem sie mit dort befindlichem Treibstoff vermischt und gezündet wird. Die heißen Verbrennungsgase verlassen den Vergasungsbrenner 44 durch einen ringförmigen Auslaß 54.

Es ist zu beachten, daß die Wandungen 46 und 48 im wesent lichen konzentrisch um die Rotationsachse der Welle 10 verlaufen, und infolgedessen definieren beide eine axiale Fortsetzung 56 des Kanals 40.

Die Turbine 18 hat eine auf der Welle 10 in geeigneter Weise befestigte Nabe 58 sowie eine Mehrzahl von gebogenen Schaufeln 60. Jede Schaufel 60 hat ein nach radial außen weisendes Anströmende 62 und ein im wesentlichen axial ver laufendes Abströmende 64. Letzteres befindet sich in Fluid verbindung mit einer nach radial innen gerichteten ring förmigen Verengung 68, die durch voneinander beabstandete und mit der Welle 10 konzentrische radiale Wände 70 und 72 begrenzt ist.

Die Wand 70 hat eine axiale Verlängerung 74, die hinrei chend nahe an dem Axialkanal 40 angeordnet ist, während die Wand 72 eine nach radial innen verlaufende axiale Verlänge rung 76 aufweist. Die Verlängerungen 74 und 76 begrenzen somit einen Axialkanal 78, der mit der Welle 10 konzen trisch ist und vom Auslaß 54 des Vergasungsbrenners zum Radialkanal 68 verläuft und an den Anströmkanten 62 der Turbinenschaufeln 60 endet.

In dem Axialkanal 78 befinden sich mehrere gleichwinklig beabstandete Schaufeln 80. Die Schaufeln 80 verlaufen im wesentlichen axial, wie aus Fig. 2 hervorgeht, die eine Teilabwicklung - nach radial innen auf die Schaufeln 80 gesehen - ist. Die Schaufeln 80 definieren zusammen mit den axialen Verlängerungen 74 und 76 eine axiale Düse für die Verbrennungsgase, die auf die Schaufel 60 auf dem Turbinen rad 18 auftreffen.

Jede Schaufel 80 ist auf einer damit einstückigen Welle 82 befestigt, die gemäß Fig. 1 in Lagern 84 auf entgegenge setzten Seiten des Kanals 40 drehbar gelagert ist. Damit ist jede Welle 82 um eine Achse drehbar gelagert, die im wesentlichen quer (rechtwinklig) zu der Rotationsachse der Welle 10 verläuft.

Radial außerhalb des Kanals 40 ist jede Welle 82 auf einer zugehörigen Nabe 86 befestigt, die einen in Axialrichtung verlaufenden Betätigungsarm 88 trägt. Jeder Betätigungsarm 88 ist in geeigneter Weise mit einer Stelleinheit 90 ver bunden. Dabei kann für jede Schaufel 80 eine gesonderte Stelleinheit vorgesehen sein; bei der bevorzugten Ausfüh rungsform ist eine einzige Stelleinheit 90 vorgesehen, die über ein Gestänge od. dgl. für sämtliche Schaufeln 80 ein setzbar ist.

In jedem Fall kann die Winkellage der Schaufeln 80 in dem Axialkanal 78 in Richtung der Pfeile 92 und 94 (Fig. 2) verstellt werden, um in optimaler Weise eine Anpassung an die Leistungsfähigkeit des Kompressors 16 für verschiedene Betriebsbedingungen mit dem Gasstrom aus dem Vergasungs brenner 44 zum Turbinenrad 58 und damit bestmögliche Be triebs-Wirkungsgrade zu erreichen. Wie bereits erwähnt, werden dadurch die Kompromisse minimiert bzw. vermieden, die bei Turbinen mit unveränderlicher Geometrie notwendig sind, um eine gewünschte Toleranz in bezug auf Kompressor pumpen zu erhalten. Ferner bietet die Erfindung Vorteile gegenüber bisher bekannten Radialturbinendüsen, da eine bessere Kühlung für die Betätigungsorgane vorgesehen ist. Insbesondere ist zu beachten, daß die Wellen 82 durch den Kanal 40 verlaufen, durch den Druckluft aus dem Kompressor 16 aufstrom vom Vergasungsbrenner 44 strömt. Infolgedessen liegen die Wellen 82 sowie die Verbindungsglieder ein schließlich der Nabe 86, der Arme 88 und der Stelleinheit 90 vollständig in relativ kühlen Bereichen, wodurch ein nachteiliger thermischer Abbau der beweglichen Teile mini miert wird. Da ferner die resultierende Turbinendüse in Axialrichtung verläuft im Gegensatz zu einer radial ver laufenden Düse, die konventionell innerhalb des Radial kanals 68 liegen würde, kann der Schaufelspitzendurchmesser des Turbinenrads vergrößert werden, wodurch sich ein höhe rer Betriebs-Wirkungsgrad für ein Gasturbinentriebwerk mit vorgegebenem Gesamtaußendurchmesser einstellt.

Schließlich werden Erosionsprobleme, die häufig bei Radial düsenkonstruktionen auftreten, durch die Verwendung einer Axialdüsenkonstruktion minimiert und/oder vermieden.

Claims

1. Gasturbinentriebwerk, gekennzeichnet durch
einen Radialkompressor (16) und eine Radialturbine (18), die miteinander so verbunden sind, daß sie gleichzeitig um eine Rotationsachse umlaufen;
Mittel zum Fördern von Verbrennungsgas aus einem Verga sungsbrenner (44) zu der Radialturbine (18) auf einer mit der Rotationsachse konzentrischen axialen Verbrennungsgas förderbahn (78);
Mittel zum Fördern von Druckgas aus dem Radialkompressor (16) zum Vergasungsbrenner (44) auf einer Druckgasförder bahn (40), die parallel zu der axialen Verbrennungsgasför derbahn (78) verläuft; und
eine drehbar gelagerte Leitschaufelvorrichtung, die in der axialen Verbrennungsgasförderbahn (78) angeordnet ist und einstückig daran befestigte drehbare Leitschaufel-Stell elemente (82) aufweist, die durch die Druckgasförderbahn (40) verlaufen, wobei die Leitschaufel-Stellelemente durch das Vorbeiströmen von Druckgas gekühlt werden.

2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drehbare Leitschaufelvorrichtung eine Mehrzahl Leitschaufeln (80) und damit einstückige Leitschaufel- Stellelemente (82) aufweist, die jeweils um eine Achse drehbar sind, die die Rotationsachse im rechten Winkel schneidet.

3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckgasförderbahn (40) radial außerhalb der Ver brennungsgasförderbahn (78) liegt.

4. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Radialkompressor (16) und die Radialturbine (18) mechanisch auf einer drehbar gelagerten Welle (10) befe stigt und einander unmittelbar benachbart angeordnet sind.

5. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Fördern von Verbrennungsgas aus dem Ver gasungsbrenner (44) eine Verbrennungsgasleitung aufweisen, die einen ersten Verbrennungsgasleitungsabschnitt hat, der zum Überführen des Verbrennungsgases in der axialen Ver brennungsgasförderbahn (78) zu einem zweiten Verbrennungs gasleitungsabschnitt angeordnet ist, der seinerseits die Verbrennungsgase in einer nach radial innen zu der Rota tionsachse führenden Richtung und in die Radialturbine (18) überführt.

6. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufelvorrichtung in dem ersten Verbrennungs gasleitungsabschnitt liegt.

7. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Fördern von Druckgas aus dem Radialkom pressor (16) eine Druckgasleitung (38) aufweisen, die einen ersten Druckgasleitungsabschnitt zur Überführung von Druck gas in einer nach radial außen führenden Richtung weg von der Rotationsachse und in einen zweiten Druckgasleitungs abschnitt aufweist, wobei letzterer die zu der axialen Ver brennungsgasförderbahn (78) parallele Druckgasförderbahn (40) innerhalb des ersten Verbrennungsgasleitungsabschnitts der Druckgasleitung (38) enthält.

8. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die drehbare Leitschaufelvorrichtung die Druckgasför derbahn (40) in dem zweiten Druckgasleitungsabschnitt der Druckgasleitung (38) durchsetzt.

9. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Stelleinheit (90), die mit den Leitschaufel-Stell elementen (82, 86, 88) verbunden ist unter Schaffung einer Leitschaufel-Lagestellvorrichtung.

10. Gasturbinentriebwerk, gekennzeichnet durch
einen Radialkompressor (16);
eine Radialturbine (18);
eine den Kompressor und die Turbine verbindende Welle (10), so daß beide gleichzeitig um eine Achse umlaufen;
einen Vergasungsbrenner (44);
einen Leitapparat (36) umfassende Mittel zur Aufnahme von Druckgas aus dem Kompressor (16) und zum Fördern des Druck gases in Form eines Axialstroms zum Vergasungsbrenner (44);
in bezug auf die Aufnahmemittel innen liegende Organe zur Aufnahme von Verbrennungsprodukten aus dem Vergasungsbren ner (44) und Fördern derselben zu der Turbine (18), mit einer in Axialrichtung verlaufenden Leitung, die in einer nach radial innen und in Umfangsrichtung um die Turbine (18) verlaufenden Leitung (68) endet.

11. Gasturbinentriebwerk, gekennzeichnet durch
einen Radialkompressor (16);
eine Radialturbine (18);
wenigstens eine den Kompressor und die Turbine miteinander verbindende Welle (10), so daß beide gleichzeitig um eine Achse umlaufen;
einen Vergasungsbrenner (44);
einen Leitapparat (36) umfassende Mittel zur Aufnahme von Druckgas aus dem Kompressor (16) und Fördern des Druckgases in Form eines Axialstroms zum Vergasungsbrenner (44);
in bezug auf die Aufnahmemittel innen liegende Organe zur Aufnahme von Verbrennungsprodukten aus dem Vergasungsbren ner (44) und Fördern derselben zu der Turbine (18), mit einer in Axialrichtung verlaufenden Leitung, die in einer nach radial innen und in Umfangsrichtung um die Turbine (18) verlaufenden Leitung (68) endet;
eine Mehrzahl Leitschaufeln (80), die in der axial verlau fenden Leitung positioniert und um jeweilige Achsen drehbar sind, die im wesentlichen in Radialrichtung verlaufen und unmittelbar aufstrom von der nach radial innen verlaufenden Leitung liegen, wobei jede Leitschaufel (80) auf einer zugehörigen Welle (82) sitzt, die die jeweilige Achse defi niert, und wobei die Leitschaufelwellen (82) den Axialstrom durchsetzen; und
mit Mitteln (90), die mit den Leitschaufelwellen (82) an einer Stelle verbunden sind, die von den Leitschaufeln um den Axialstrom beabstandet ist, so daß die Leitschaufel wellen (82) und damit die Leitschaufeln (80) selektiv drehbar sind.