DE602005004353T2

DE602005004353T2 - Gasturbine und Verfahren zu deren Montage

Info

Publication number: DE602005004353T2
Application number: DE602005004353T
Authority: DE
Inventors: Thomas Ory Moniz; Robert Joseph Orlando
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2005-10-21
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2025-10-22
Also published as: US7195447B2; DE602005004353D1; EP1655457B1; US20060093465A1; EP1655457A1; CA2524113A1; CA2524113C

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein Flugzeuggasturbinentriebwerke und insbesondere ein Gasturbinentriebwerk und ein Verfahren zur Montage desselben.
Zumindest ein bekanntes Gasturbinentriebwerk enthält in serieller Strömungsverbindung eine vordere Bläserbaugruppe, eine hintere Bläserbaugruppe, einen Hochdruckverdichter zum Verdichten von Luft, die durch das Triebwerk strömt, eine Brennkammer, um einen Treibstoff mit der verdichteten Luft so zu mischen, dass das Gemisch gezündet werden kann und eine Hochdruckturbine. Der Hochdruckverdichter, die Brennkammer und die Hochdruckturbine werden manchmal gemeinsam als das Kerntriebwerk bezeichnet. Im Betrieb erzeugt das Kerntriebwerk Verbrennungsgase, die stromabwärts zu einer gegenläufig rotierenden Niederdruckturbine abgegeben werden, die ihnen Energie entzieht, um die vordere und hintere Bläserbaugruppe anzutreiben. In zumindest einigen bekannten Gasturbinentriebwerken rotiert wenigstens eine Turbine in eine gegenläufige Richtung im Vergleich zu den anderen rotierenden Komponenten in dem Triebwerk.
Zumindest eine bekannte gegenläufig rotierende Niederdruckturbine weist einen Einlassradius auf, der größer als der Radius des Hochdruckturbinenauslasses ist. Der vergrößerte Einlassinnenumfang nimmt weitere Rotorstufen in der Niederdruckturbine auf. Insbesondere enthält mindestens eine bekannte gegenläufig rotierende Niederdruckturbine einen äußeren Rotor, der eine erste Anzahl von Stufen aufweist, die mit der vorderen Bläserbaugruppe drehfest gekoppelt sind und einen inneren Rotor, der die gleiche Anzahl von Stufen aufweist, die mit der hinteren Bläserbaugruppe drehfest gekoppelt sind.
Bei einer Triebwerkmontage werden solche bekannten Gasturbinentriebwerke so montiert, dass der äußere Rotor aus dem hinteren Turbinenrahmen auskragt. Genauer gesagt, wird die erste Anzahl von Stufenreihen miteinander und mit dem umlaufenden Gehäuse gekoppelt, um einen äußeren Rotor zu bilden. Der äußere Rotor wird dann mit dem hinteren Rahmen der Turbine unter Verwendung lediglich der letzten Stufe des äußeren Rotors gekoppelt, so dass lediglich die letzte Stufe des äußeren Rotors das Gesamtgewicht des äußeren Rotors und des umlaufenden Gehäuses abstützt. Der innere Rotor ist an eine Welle angekoppelt, um das Antreiben mindestens einer Bläseranordnung zu unterstützen. Darüber hinaus ist der innere Rotor unter Verwendung wenigstens eines Lagers mit einem als Turbinen-Midframe bezeichneten mittleren Turbinenrahmen gekoppelt.
EP-A-1 340 902 beschreibt eine Niederdruckturbine, die einen Niederdruckinnen- und einen Niederdruckaußenrotor, die gegenläufig rotieren, einen Zwischenturbinenrahmen der einen ersten und einen zweiten Tragring aufweist, und ein Lager aufweist, das den inneren und den äußeren Rotor drehbar lagert.
US-A-4 979 872 beschreibt eine Tragstruktur für die Lagerkammer eines Gasturbinentriebwerks.
GB-A-2 112 084 beschreibt eine Lagertragstruktur.
Entsprechend muss das Lager bezüglich des Turbinen-Mittelrahmens richtig ausgerichtet sein, um den inneren Ro tor in der Gasturbine genau zu positionieren. Eine genaue Positionierung des Lagers innerhalb des Gasturbinentriebwerks hat jedoch eine Vergrößerung der der für eine Montage des Gasturbinentriebwerks erforderlichen Zeit zur Folge. Darüber hinaus kann die thermische Ausdehnung des Triebwerks im Triebwerksbetrieb eine Fehlausrichtung des Lagers in Bezug auf das Außengehäuse des Gasturbinentriebwerks zur Folge haben.
Ausführungsformen der Erfindung sind in den beigefügten Ansprüchen definiert.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zur Montage eines Gasturbinentriebwerks geschaffen. Das Verfahren enthält eine Schaffung eines inneren Rotors einer Niederdruckturbine, der eine erste Anzahl von Turbinenschaufelreihen enthält, die zur Rotation in eine erste Richtung eingerichtet sind, eine Schaffung eines äußeren Rotors einer Niederdruckturbine, der eine zweite Anzahl von Turbinenschaufelreihen enthält, die zur Rotation in eine zweite, zu der ersten Richtung entgegengesetzte Richtung eingerichtet sind, ein Einkoppeln einer Turbinenmittelrahmen-Baugruppe, die mehrere Speichen in dem Triebwerk enthält, in einer derartigen Weise, dass die Speichen axial vor dem inneren Rotor im Abstand angeordnet sind, ein Einkoppeln eines Lagers zwischen der Turbinenmittelrahmen-Baugruppe und dem inneren Rotor in einer derartigen Weise, dass der innere Rotor mit dem Turbinenmittelrahmen drehbar gekoppelt ist und ein Einstellen der mehreren Speichen, um das Lager in einer radialen Richtung auszurichten.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Niederdruckturbine geschaffen. Die Niederdruckturbine enthält einen inneren Rotor, der eine erste Anzahl von Turbinenschaufelreihen enthält, die zur Rotation in eine erste Richtung eingerichtet sind, einen äußeren Rotor, der eine zweite Anzahl von Turbinenschaufelreihen enthält, die zur Rotation in eine zweite, zu der ersten Richtung entgegengesetzte Richtung eingerichtet sind, eine Turbinenmittelrahmen-Baugruppe, die mehrere Speichen enthält und ein Lager, das mit der Turbinenmittelrahmen-Baugruppe und dem inneren Rotor gekoppelt ist, wobei die Speichen justierbar sind, um das Lager in einer radialen Richtung auszurichten.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Gasturbinentriebwerk geschaffen. Das Gasturbinentriebwerk enthält einen inneren Rotor, der eine erste Anzahl von Turbinenschaufelreihen enthält, die zur Rotation in eine erste Richtung eingerichtet sind, einen äußeren Rotor, der eine zweite Anzahl von Turbinenschaufelreihen enthält, die zur Rotation in eine zweite, zu der ersten Richtung entgegengesetzte Richtung eingerichtet sind, eine Turbinenmittelrahmen-Baugruppe, die mehrere Speichen enthält und ein Lager, das mit der Turbinenmittelrahmen-Baugruppe und dem inneren Rotor gekoppelt ist, wobei die Speichen justierbar sind, um das Lager in radialer Richtung auszurichten.
Die Erfindung ist nachfolgend in größeren Einzelheiten anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1 eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines beispielhaften Gasturbinentriebwerks;
2 eine Querschnittsansicht eines Abschnitts des in 1 gezeigten Gasturbinentriebwerks 10; und
3 eine Endansicht des in 2 gezeigten Gasturbinentriebwerks.
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines beispielhaften Gasturbinentriebwerks 10, das eine vordere Bläseranordnung 12 und eine hintere Bläseranordnung 14 enthält, die um eine in Längsrichtung verlaufende Zentralachse 16 herum angeordnet sind. Die Begriffe „vorderer Bläser" und "hinterer Bläser" werden hierin verwendet, um anzuzeigen, dass einer der Bläser 12 axial stromaufwärts von dem anderen Bläser 14 angeschlossen ist. Wie dargestellt, sind in einer Ausführungsform die Bläseranordnungen 12 und 14 an einem vorderen Ende des Gasturbinentriebwerks 10 angeordnet. In einer alternativen Ausführungsform sind die Bläseranordnungen 12 und 14 an einem hinteren Ende des Gasturbinentriebwerks 10 angeordnet. Die Bläseranordnungen 12 und 14 enthalten jeweils eine Anzahl von Reihen von Bläserlaufschaufeln 19, die innerhalb einer Gondel 18 angeordnet sind. Die Schaufeln 19 sind mit entsprechenden Rotorlaufscheiben 21 verbunden, die über eine entsprechende Bläserwelle 20 mit der vorderen Bläseranordnung 12 und über eine Bläserwelle 22 mit der hinteren Bläseranordnung 14 drehfest gekoppelt sind.
Das Gasturbinentriebwerk 10 enthält ferner ein Kerntriebwerk 24, das stromabwärts von den Bläseranordnungen 12 und 14 angeordnet ist. Das Kerntriebwerk 24 enthält einen Hochdruckverdichter (HDV) 26, eine Brennkammer 28 und eine Hochdruckturbine (HDT) 30, die über einen Kernrotor oder Welle 32 mit dem HDV 26 gekoppelt ist. Das Kerntriebwerk 24 erzeugt im Betrieb Verbrennungsgase, die stromabwärts zu einer gegenläufig rotierenden Niederdruckturbine 34 gelei tet werden, die den Gasen Energie entzieht, um die Bläseranordnungen 12 und 14 über ihre jeweiligen Wellen 20 und 22 anzutreiben.
2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Abschnitts des (in 1 gezeigten) Gasturbinentriebwerks 10. 3 zeigt eine Endansicht des Gasturbinentriebwerks 10. In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Niederdruckturbine 34 einen radial äußeren Rotor 110, der radial innen in Bezug auf das äußere Gehäuse 36 positioniert ist. Der äußere Rotor 110 weist eine im Wesentlichen kegelstumpfförmige Form auf und enthält eine Anzahl von in Umfangsrichtung im Abstand zueinander Rotorschaufeln 112, die sich radial nach innen erstrecken. Die Laufschaufeln 112 sind in axial voneinander beabstandeten Reihen angeordnet. Obwohl die beispielhafte Ausführungsform drei Reihen 114 von Laufschaufeln 112 veranschaulicht, sollte erkannt werden, dass der äußere Rotor 110 eine beliebige Anzahl von Reihen 114 von Schaufeln 112 aufweisen kann, ohne den Rahmen des Verfahrens und der Vorrichtung, wie sie hierin beschrieben sind, zu verlassen. Genauer gesagt, enthält der äußere Rotor 110 M Reihen 114 von Laufschaufeln 112.
Die Niederdruckturbine 34 enthält ferner einen radial inneren Rotor 120, der im Wesentlichen koaxial zu dem äußeren Rotor 110 ausgerichtet und radial innen in Bezug auf diesen angeordnet ist. Der innere Rotor 120 enthält eine Anzahl von sich in Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordneten Rotorlaufschaufeln 122, die sich radial nach außen erstrecken und in axial voneinander beabstandeten Reihen 124 angeordnet sind. Obwohl die beispielhafte Ausführungsform lediglich drei Reihen 124 von Laufschaufeln 122 veranschaulicht, sollte erkannt werden, dass der innere Rotor 120 eine beliebige Anzahl von Reihen 124 von Schaufeln 122 aufweisen kann, ohne den Geltungsbereich des hierin beschriebenen Verfahrens und der hierin beschriebenen Vorrichtung zu verlassen. Genauer gesagt, enthält der innere Rotor 120N Reihen 124 von Laufschaufeln 122. In der beispielhaften Ausführungsform ist M = N.
In der beispielhaften Ausführungsform sind die Laufschaufeln 122 des inneren Rotors innerhalb der Reihen 124 mit den Laufschaufeln 112 des äußeren Rotors innerhalb der Reihen 114 so axial verschachtelt, dass sich die Innenrotorreihen 124 zwischen den entsprechenden Außenrotorreihen erstrecken. Die Laufschaufeln 112 und 122 sind folglich zur gegenläufigen Rotation der Rotoren 110 und 120 eingerichtet.
In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Niederdruckturbine 34 ferner eine Rotorstützanordnung 130, die einen stationären ringförmigen Turbinenhinterrahmen 132 enthält, der hinter den äußeren und inneren Schaufeln 112 und 122 der Niederdruckturbine angeordnet ist. Ein drehbarer Hinterrahmen 134 ist hinter den äußeren und inneren Schaufeln 112 und 122 und stromaufwärts von dem hinteren Turbinenrahmen 132 angeordnet. Der Rahmen 134 ist an ein hinteres Ende des äußeren Rotors 110 angekoppelt, um mit diesem gemeinsam zu rotieren und um die Schaffung zusätzlicher Steiffestigkeit zur Stützung der Schaufeln 112 zufördern.
Die Welle 22 ist zwischen dem inneren Rotor 120 und dem Bläser 14 drehbar eingekoppelt, so dass der innere Rotor 120 mit dem Bläser 14 drehfest gekoppelt ist. Ein erstes Wellenlager 140 ist mit der Welle 22 so gekoppelt, dass das Gewicht des inneren Rotors 120 über einen mit Speichen ausgestattenen Turbinenmittelrahmen 150 im Wesentlichen gleich um den Umfang des Gasturbinentriebwerks 10 herum verteilt ist und dass die Hochdruckturbine mit dem Turbinenmittelrahmen 150 über ein Lager 142 drehbar gekoppelt ist. Genauer gesagt, enthält das Gasturbinentriebwerk 10 ein erstes Gehäuse 160, das mit dem Lager 140 gekoppelt ist, und ein zweites Gehäuse 162, das mit dem Lager 142 gekoppelt ist. Das Lager 140 ist zwischen der Hochdruckturbine 30 und der Welle 22 angeordnet. Die Gehäuse 160 und 162 sind miteinander gekoppelt, um eine Naben-Baugruppe 170 zu bilden. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Gehäuse 160 und 162 unter Verwendung eines mechanischen Befestigungsmittels 172, wie z. B. einer Mutter und eines Bolzens, miteinander gekoppelt. Dementsprechend und in der beispielhaften Ausführungsform erleichtert der Turbinenmittelrahmen 150 die Abstützung der Niederdruckturbine 34 und der Hochdruckturbine 30.
Der Turbinenmittelrahmen 150 enthält mehrere Joche 180, die mit der Nabe 170 gekoppelt sind. Obwohl lediglich acht Joche 180 veranschaulicht sind, sollte erkannt werden, dass der Turbinenmittelrahmen 150 eine beliebige Anzahl von Jochen 180 aufweisen kann, ohne den Geltungsbereich des hierin beschriebenen Verfahrens und/oder der Vorrichtung zu verlassen. Jedes Joch 180 ist im Wesentlichen y-förmig und enthält wenigstens eine in ihm ausgebildete Öffnung 182. In der beispielhaften Ausführungsform enthält jedes Joch 180 ein Paar Öffnungen 182, die jeweils gezielt bemessen sind, um in ihnen einen Expanderstift aufzunehmen. Die Stifte 184 werden verwendet, um eine Speiche 186 mit jedem entsprechenden Joch 180 zu koppeln. Dementsprechend und in der beispielhaften Ausführungsform enthält der Turbinenmittel rahmen 150 acht Speichen 186, die jeweils unter Verwendung der Joche 180 und der Stifte 184 mit der Nabe 170 gekoppelt sind. Genauer gesagt, enthält jede Speiche 186 ein erstes, mit dem entsprechenden Joch 180 unter Verwendung von Stiften 184 verbundenes Speichenende 190 und ein zweites, sich durch eine entsprechende in dem Außengehäuse 36 ausgebildete Öffnung 194 erstreckendes Ende 192. Entsprechend enthält in der beispielhaften Ausführungsform das Außengehäuse 36 acht Öffnungen 194, von denen jede bemessen ist, um eine entsprechende Speiche 186 aufzunehmen. In der beispielhaften Ausführungsform ist jedes entsprechende zweite Speichenende 192 mit einem Gewinde versehen und gezielt bemessen, um eine Unterlegscheibe 196, ein erstes mechanisches Befestigungsmittel 197 und ein zweites mechanisches Befestigungsmittel 198 aufzunehmen. In der beispielhaften Ausführungsform stellt die Unterlegscheibe 196 wenigstens entweder eine Unterlegscheibe nach Art einer Bellevillescheibe und/oder nach Art eine Wellenscheibe dar, die im Wesentlichen konusförmig ist, während das mechanische Befestigungsmittel 197 eine Spannmutter ist und das mechanische Befestigungsmittel 198 eine Sicherungsmutter ist.
In der beispielhaften Ausführungsform wird während der Montage eines Gasturbinentriebwerks 10 die Nabenbaugruppe 170 mit den Speichen 186 unter Verwendung der Joche 180 und der Stifte 184 gekoppelt. Jedes entsprechende mechanische Befestigungsmittel 197 wird mit einer entsprechenden Speiche 186 gekoppelt, so dass die Unterlegscheibe 196 zumindest teilweise gegen das Gehäuse 36 zusammengedrückt ist. Genauer gesagt, führt das Zusammendrücken jeder Unterlegscheibe 196 gegen das Gehäuse 36 eine Zugspannung in jeder Speiche 186, die eine Steuerung bzw. Kontrolle der relativen radialen Lage des Lagers 140 ermöglicht. Jede entspre chende Speiche 186 wird dann in der Position gehalten, da jedes Befestigungsmittel 198 gegen jedes zugehörige Befestigungsmittel 197 festgezogen wird, so dass das Befestigungsmittel 197 in einer relativ konstanten Lage bezüglich jeder entsprechenden Speiche 186 gehalten wird. In der beispielhaften Ausführungsform enthält das Gasturbinentriebwerk 10 ferner mehrere Verkleidungen 200. Genauer gesagt, ist jede entsprechende Verkleidung 200 um die entsprechende Speiche 186 derart angeordnet, dass jede Verkleidung 200 die Leitung von Luft um jede entsprechende Speiche 186 herum fördert.
Im Betrieb werden radiale Kräfte, die während des Umlaufs des inneren Rotors 120 erzeugt werden, über das Lager 140 auf den Turbinenmittelrahmen 150 übertragen. Genauer gesagt, erleichtert der Turbinenmittelrahmen 150 das Beibehalten des Lagers 140 in einer relativ konstanten axialen und radialen Lage bezüglich des Gehäuses 36, wenn der innere Rotor 120 rotiert, weil jede entsprechende Speiche 186 gespannt ist. Wenn die Temperatur eines Gasturbinentriebwerks 10 steigt, wird sich außerdem die Unterlegscheibe 196 entweder ausdehnen oder zusammenziehen, um eine Kompensation der thermischen Ausdehnung eines Gasturbinentriebwerks 10 zu ermöglichen. Insbesondere und in der beispielhaften Ausführungsform wirkt die Unterlegscheibe 196 wie eine Feder, die eine Aufrechterhaltung einer relativ konstanten axialen und radialen Lage des Lagers 140 ermöglicht, wenn sich das Triebwerk aufgrund thermischer Ausdehnung entweder ausdehnt oder zusammenzieht.
Es sind oben beispielhafte Ausführungsformen von gegenläufig rotierenden Turbinen, die einen justierbaren Turbinenmittelrahmen enthalten, beschrieben worden. Die Komponenten sind nicht auf die hierin beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt, so dass vielmehr Komponenten jedes Systems unabhängig und getrennt von anderen hierin beschriebenen Komponenten verwendet werden können. Der hierin beschriebene justierbare Turbinenmittelrahmen kann auch in Verbindung mit anderen bekannten Gasturbinentriebwerken verwendet werden.
Während die Erfindung anhand verschiedener spezieller Ausführungsformen beschrieben worden ist, werden Fachleute erkennen, dass die Erfindung innerhalb des Rahmens und Schutzbereichs der Ansprüche mit Modifikationen ausgeführt werden kann.

Claims

Niederdruckturbine (34): mit einem inneren Rotor (120), der eine erste Anzahl von Turbinenschaufelreihen (124) aufweist, die für die Rotation in einer ersten Richtung eingerichtet sind; mit einem äußeren Rotor (110), der eine zweite Anzahl von Turbinenschaufelreihen (114) aufweist, die für die Rotation in einer zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung eingerichtet sind; mit einer Turbinenmittelrahmen-Baugruppe (150), die mehrere Speichen (186), eine Naben-Baugruppe (170) und mindestens ein mit der Naben-Baugruppe verbundenes Joch (180) aufweist; mit zwei Expander-Stiften (184), die eingerichtet sind, um jede der mehreren Speichen (186) mit einem jeweiligen Joch zu verbinden, und mit einem mit der Turbinenmittelrahmen-Baugruppe und dem inneren Rotor verbundenen Lager, wobei die Speichen justierbar sind, um das Lager in einer radialen Richtung auszurichten.
Niederdruckturbine (34) nach Anspruch 1, wobei die Naben-Baugruppe (170) aufweist: ein erstes, mit dem Lager (140) verbundenes Gehäuse (160); ein zweites Lager (142), das mit einer Hochdruckturbine (30) verbunden ist, und ein mit dem zweiten Lager verbundenes zweites Gehäuse (160).
Niederdruckturbine (34) nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede Speiche (186) aufweist: ein erstes, mit dem Joch (180) verbundenes Speichenende (190) und ein zweites, mit einem Außengehäuse (36) verbundenes Speichenende (192).
Niederdruckturbine (34) nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Vielzahl von Verkleidungen (200), wobei jede entsprechende Verkleidung zumindest teilweise jede entsprechende Speiche (186) umschließt.
Gasturbinentriebwerk (10): mit einem inneren Rotor (120), der eine erste Anzahl von Turbinenschaufelreihen (124) aufweist, die für die Rotation in eine erste Richtung konfiguriert sind; mit einem äußeren Rotor (110), der eine zweite Anzahl von Turbinenschaufelreihen (114) aufweist, die für die Rotation in eine zweite, der ersten Richtung entgegengesetzte Richtung eingerichtet sind; mit einer Turbinenmittelrahmen-Baugruppe (150), die mehrere Speichen (186), eine Naben-Baugruppe (170) und mindestens ein mit der Naben-Baugruppe verbundenes Joch (180) aufweist; mit zwei Expander-Stiften (184), die konfiguriert sind, um jede der mehreren Speichen (186) mit einem entsprechenden Joch zu verbinden, und mit einem mit der Turbinenmittelrahmen-Baugruppe und dem inneren Rotor verbundenen Lager (140), wobei die Speichen justierbar sind, um das Lager in einer radialen Richtung auszurichten.
Gasturbinentriebwerk (10) nach Anspruch 5, wobei die Naben-Baugruppe (170) aufweist: ein mit dem Lager (140) verbundenes erstes Gehäuse; eine drehbar mit einer Hochdruckturbine (30) verbundenes Lager (142) und ein mit dem zweiten Lager verbundenes zweites Gehäuse (162).
Gasturbinentriebwerk (10) nach einem der Ansprüche 5 und 6, wobei die Turbinenmittelrahmen-Baugruppe (150) genau acht Speichen (186) umfasst.