Gasturbinenanlage. Die Erfindtulg betrifft Gasturbinenanla- gen, insbesondere solche für Flugzeuge.
In solchen Anlagen wird die Turbinen- laufscliaufeluiig auf einer Scheibe angeordnet, und es bestellt zwischen dem Scheibenumfang und einem feststellenden Teil des Turbinen gehäuses eine Abdichtung mit einem Spalt zwischen rotierenden und feststehenden Tei len. Weil nun der Druck vor der Laufschau fel grösser ist. als der Atmosphärendruck, be stellt das Bestreben der heissen Verbren nungsgase, radial einwärts durch den Spalt zwischenraum in das Innere des Gehäuses zu fliessen.
Dieser Strömung der heissen Ver brennungsgase einwärts wird dadurch begeg net, dass man in das Innere des Gehäuses Druckluft einführt, wobei bis jetzt die Luft entweder durch ein Hilfsgebläse geliefert wurde oder dann dem Hauptverdichter ent nommen würde.
Zweck der vorliegenden. Erfindung ist es, die Anordnung eines solchen Hilfsverdichters oder die Luftentnahme aus dem Hauptver dichter zu vermeiden, weil in beiden Fällen der Gesamtwirkungsgrad der Turbinenanlage ungünstig beeinflusst wird.
Bei der erfindungsgemässen. Gasturbinen anlage sind zwischen dem Hochdruckende des Verdieliterrotors und dem Verdichtergehäuse Abdichtungsmittel angeordnet, und die durch diese Abdichtungsmittel abströmende Luft wird zur stromaufwärts liegenden Seite der Turbinenscheibe geleitet, um ein Fliessen von Verbrennungsgasen radial einwärtsdurchden Spalt zwischen Turbinengehäuse und Tur binenscheibe zu verhindern.
Es ist vorteil haft, als Abdichtungsmittel eine Labyrinth- oder ähnliche Dichtung zu wählen, wie man sie normalerweise zwischen dem Verdichter- rotor und dem. Ver dichtergehäuse verwendet. Bis jetzt konnte die durch diese Labyrinth- diehtung entweichende Luft in die Atmo sphäre abströmen. Bei Verwendung dieser Luft für die Abdichtung der Turbine, kann von einem Hilfsgebläse oder von einer Luft entnahme aus dem Hauptverdichter zu diesem Zwecke abgesehen werden.
Die Abdichtungsmittel können zwischen dem Verdichterauslass und einer Kammer angeord net sein, welche Kammer zwischen dem Hoch druckende des Verdichterrotors und dem Ver- dichtergehäuse ausgebildet ist, so dass die entweichende Luft in diese Kammer fliessen kann; Luft aus dieser Kammer wird dann zum Spalt zwischen Turbinenscheibe und Turbinengehäuse geführt.
Vorzugsweise steht der Spaltzwischenraum mit einer weiteren Kammer in Verbindung, welche durch einen Teil der einen Turbinen seheibenseite und durch das Turbinengehäuse begrenzt ist, wobei diese Kammer mit der erstgenannten Kammer in Verbindung steht.
Bei einer solchen Ausführungsform kann die Kammer so angeordnet sein, dass der Druck der Luft in dieser Kammer ebenfalls auf die stromaufwärts liegende Seite der Turbinenseheibe wirkt, um Axialbelastungen der Scheibe auszugleichen.
Ferner wird in Gasturbinenanlagen, beson ders falls ein Axialverdichter vorhanden ist, der auf den Verdichterrotor wirkende Druck eine Axialbelastung erzeugen, welche bestrebt ist, den Verdichtermotor gegen das Nieder drückende des Verdichters zu bewegen.
Um eine solche Axialbelastimg auszugleichen, kann ein Ausgleichkolben vorgesehen werden, wel cher dem Enddruck des Verdichters ausge setzt ist, um am Verdichterrotor eine entge- gengerichtete axiale Belastung zu erzeugen, welche ganz oder teilweise die gegen das Nie derdruckende gerichtete axiale Belastung aus gleicht.
Falls die Gasturbinenanlage einen Axial verdichter aufweist, wird die infolge der durch die Abdichtungsmittel hindurchgehende Luft entstehende axiale Belastung normaler weise sich zu der gegen das Niederdruckende gerichteten axialen Belastung addieren, die infolge der an der Beschaufelung des Ver- dichterrotors angreifenden Kräfte entsteht.
Der Ausgleiehkolben kann dann so angeordnet sein, dass er eine axiale Belastung im ent gegengesetzten Sinn erzeugt, derart, dass die gegen das Niederdruckende gerichtete totale axiale Belastung vollständig oder teilweise ausgeglichen wird.
Falls der Verdichterrotor und der Tur binenrotor auf durch eine Kupplung verbun denen koaxialen Wellen angeordnet sind, wo bei die Kupplung vorzugsweise eine solche ist, die Winkelabweichungen der Wellenachsen zulässt, kann die Anlage derart ausgebildet sein, dass im Betrieb die Kupplung Axial kräfte übertragen kann, um den Axialschub des gesamten Rotors auszugleichen.
Nachstehend wird eine beispielsweise Ausführungsform der Gasturbinenanlage nach der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in welcher Fig. 1 einen schematischen Schnitt der Gasturhinenanlage darstellt, Fig. 2 und 3 Schnitte von Teilen der An lage darstellen.
Die in der Zeichnung dargestellte Turbinenanlage weist einen Axialverdieh- ter auf, dessen Rotorschaiifelun g auf einer Trommel 10 und dessen Statorschaufe- lung auf einem Aussengehäuse 11 angeordnet, sind. Dem Verdichter wird am Einla.ss Luft annähernd unter Atmosphärendi-Licl@ zuge führt, und dieser Verdichter liefert Druck luft durch Leitungen 12 in die Verbren nungskammern 13, in welchen flüssiger Brennstoff verbrannt wird.
Die- Verbren nungsprodukte gelangen in eine Leitschaufel- Düsengruppe 14, welche die Gase auf die auf dem Umfang einer Turbinenscheibe 16 angeordneten Laufschaufeln 15 leitet. Die Auspuffgase der Turbine gelangen durch eine Ausla.ssvorrichtung 17 in die Atmosphäre.
Die Turbinenscheibe 16 ist auf der Welle 18 befestigt, welch letztere koaxial zur Welle 19 angeordnet ist und mit der Welle 19 mit tels Kupplung 20 in Verbindung steht, welche eine begrenzte allseitige -%Vinkelbe@vegtin- zwi schen den Wellen 18 und 19 zulässt. Die Welle 19 treibt die Verdichtertrommel 10 an.
Der aus den Wellen 18 und 19, der Ver- dichtertrommel 10 und der Turbinenscheibe 16 bestehende Rotor der Anlage ist in den Lagern 21_, 22 und 23 gelagert, wobei wenig stens das Lager 22 Axialbelastungen des Ro tors aufnehmen kann. Das Lager 21 ist, in einer Wand 24 montiert, welche am Aussen gehäuse 11 des Verdichters mittels sieh ra dial erstreckender Streben befestigt ist; das Lager 23 ist in einer Wandung 25 A des Turbinengehäuses montiert.
Ein Zwischenge häuse 25 erstreckt sich zwischen dem Ver dichter und der Turbine und ist innerhalb der Verbrennungskammer 13, aber ausserhalb der Welle 19 angeordnet.
Die obenbeschriebene Gasturbinenanlage kann als reines Strahltriebwerk verwendet werden, in welchem Fall die aus der Auslass- vorrichtung 17 stammenden Auspuffgase nach hinten für den Reaktionsantrieb ausgestossen werden, oder es kann die Turbine zusätzlich zum Antrieb des Verdichters noch einen Pro peller oder ein Tunnelgebläse antreiben.
Gemäss der Erfindung ist am Hochdruck ende der Verdichtertrommel 10 ein sich axial ausdehnender, mit Labyrinthkanälen auf der Innen- und Aussenseite versehener Ansatz 26 vorgesehen, wobei diese Kanäle mit zu sätzlichen Labyrinthgebilden auf den still stehenden Teilen 27 bzw. 28 des Kompressor- gehäuses zusammenarbeiten zwecks Bildung einer Abdichtung zwischen den stillstehenden und rotierenden Teilen.
Eine weitere Laby- rinthdiehtung ist vorgesehen zwischen dem stillstehenden Teil 29 und der mit der Ver- dichtertrommel verbundenen Dichtungsfläche 30. Durch diese Anordnung der Labyrinth dichtungen zwischen dem Ilochdruckende der Verdichtertrommel 10 und den stillstehenden Teilen wird eine Kammer P gebildet, die eine Ringform aufweist und welche innen mittels des Labyrinthes 29, 30 abgedichtet ist und welcher Druckluft aus dem Verdichter durch die Labyrinthbildung 26, 27, 28 zugeführt wird.
Ein Kanal 31 verbindet die Kammer P mit einer Ringkammer Q, welche zwischen dem Umfangsteil der stromaufwärts liegenden Fläche 32 der Turbinenscheibe 16 und der Wandung 25.4 angeordnet ist. Die Kammer Q ist innen durch eine Laby rinthdichtung 33 abgedichtet, die zwischen der Turbinenscheibe 16 und der Wandung<B>25A</B> angeordnet ist. Diese Kammer steht in Verbindung mit dem Raum zwischen der Leitschaufel-Düsengruppe 14 und der Turbinenlaufschaufelung 15 durch den ringförmigen Spalt 34 zwischen dem Um fang der Turbinenscheibe 16 und dem still stehenden Gehäuse.
Die Gasturbinenanlage ist so ausgebildet, dass im Betrieb der infolge Drosselung in den Labyrinthen 26, 27, 28 entstehende Druck in der Kammer P und damit auch in der Kam mer Q höher ist als derjenige, welcher zwi schen der Leitschaufel-Düsengruppe 14 und der Laufschaufelung 15 herrscht. Aus diesem Grunde wird ein nach auswärts gerichteter Luftausfluss durch den Spalt 34 stattfinden, was eine nach innen gerichtete Strömung der heissen Gase durch den Spalt verhindert-.
Die Kammer Q wirkt ebenfalls, wie weiter unten ausführlich beschrieben wird, um einen Axial druck auf die Turbinenscheibe zwecks Aus gleichs der total auf diese Scheibe wirkenden Axialkräfte auszuüben.
Aus der vorhergehenden Beschreibung ist ersichtlich, dass erfindungsgemäss Druckluft zufuhr zur Turbinenscheibe 16 vorgesehen wird, um eine nach innen gerichtete Strö mung der heissen Gase zu verhindern, was durch Verwendung von Luft, die sonst ins Preie entweichen würde, erreicht wird, und class somit die Verwendung eines Hilfsverdich ters oder die Luftentnahme aus dem Haupt verdichter unnötig wird. Somit ist es möglich, den Wirkungsgrad der Anlage zu verbessern.
Betrachtet. man die auf den Rotor der Anlage einwirkenden axialen Kräfte, so wird man feststellen, dass meistens -eine gegen das Niederdruelzende des Verdichters gerichtete axiale resultierende Kraft vorhanden ist. Um diesen Axialschub auszugleichen, ist ein mit der Verdichterwelle 19 in Drehverbindung stehender Ausgleichskolben 35 vorgesehen. Zwischen dem Umfang des Ausgleichskolbens 35 und dem Kompressorgehäuse der Anlage ist eine Labyrinthdiehtung 36 angeordnet.
Der Ausgleichskolben 35 und dieser Gehäuseteil begrenzen zusammen eine Kammer R, in welche Druckluft vom Hochdruckende durch Kanäle oder Öffnungen 37 gelangen kann. Die Kammer R ist mittels Labyrinth 29, 30 gegenüber Kammer P und mittels Labyrinth 36 gegenüber einer Kammer S abgedichtet, welch letztere mit. der Atmosphäre in Ver bindung steht.
Eine Wand 38 erstreckt sich radial nach innen vom Zwischengehäuse 25 zur Labyrinthdiehtung 39, welche zwischen der Wand 38 und der Welle 19 angeordnet ist., derart., dass die Kammer S gegenüber den in Verbindung stehenden Räumen T im Zwi schengehäuse 25 abgedichtet ist. und dass ein Luftübertritt aus der Kammer S in die Räume T verhindert. wird. Dies ist wünschenswert, %v eil die unter hohem Druck stehende und durch die Öffnungen 37 in die Kammer R einströmende Luft eine hohe Temperatur aufweist und weil man bestrebt- ist, die Räume T in bekannter Weise auf niederer Tempera tur zu halten, iun ein Abkühlen des Lagers 22 zu gestatten.
Der in der Kammer R herrschende und auf den Ausgleichskolben 35 wirkende Druck erzeugt eine axiale Kraft, welche der gegen das Niederdruckende des Verdichters im Ro tor sonst vorhandenen resultierenden axialen Kraft entgegenwirkt.
Unter Annahme der folgenden auf den Rotor der Anlage einwirkenden, in Fig.1 durch Pfeile angegebenen axialen Kräfte: p1 nach links gerichtete Kraft auf den Kompressorrotor infolge Druck auf Rotor beschaufehing; p2 nach links gerichtete Kraft auf den Kompressorrotor infolge des in der Kammer P herrschenden und auf das - Ende der Rotor trommel 10 einwirkenden Druckes; p3 nach links gerichtete Kraft auf Kom- pressorrotor infolge Luftdruck in Labyrinth dichtung 26, 27, 28;
p, nach links gerichtete Kraft, infolge des auf den Ausgleichskolben 35 wirkenden Atmosphärendruckes; p" nach links gerichtete Kraft auf Tur binenscheibe 16 infolge des in der Ausla.ssvor- richtung 17 herrschenden Druckes; t1 nach rechts gerichtete Kraft auf Ver- diehterrotor infolge des Atmosphärendruckes, welcher auf die vordere Fläche des Verdich- terrotors einwirkt, und infolge des im Ver dichter herrschenden Druckes, welcher auf die konische Oberfläche der Rotortrommel einwirkt;
t" nach rechts gerichtete Kraft auf Ver- diehterrotor infolge des auf den Ausgleichs kolben 35 einwirkenden Enddruckes des Ver dichters; t3 nach rechts gerichtete Kraft auf die Turbinenlaufschaufelung 15; t. nach rechts gerichtete Kraft auf den Turbinenrotor infolge des in der Kammer Q herrschenden und auf die Oberfläche 32 der Turbinenscheibe einwirkenden Druckes; t.. nach rechts gerichtete Kraft auf den Turbinenrotor infolge des in der Laby rinth- dichtung 33 herrschenden Druckes;
t6 nach rechts gerichtete Kraft. auf den Turbinenrotor infolge des auf die Turbinen-" Scheibe 16 einwirkenden Atmosphärendriicl#:es, kann, bei entsprechender Dimensionierung der wirksamen Flächen, auf welche die ein zelnen Drücke einwirken, die Stimme der Kräfte p1, p@, p3, p, Lind p,;
annähernd der" Stimme der Kräfte t, <I>t.,</I> t3, t.4, t_ und t, gleich gemacht werden, derart, dass die --gesamten auf den Rotor der Anla-e einwirkenden Kräfte ausgeglichen werden, wobei aber die am Verdichterrotor und die am Turbinen- , rotor angreifenden Axialkräfte je für sich nicht ausgeglichen sind, so dass die Kupplung 20 Druck- oder Zugkräfte übertragen muss.
In gewissen Fällen kann es wünschenswert und vorteilhaft sein, die auf den Verdichter- , rotor und die auf den Turbinenrotor einwir kenden Kräfte unabhängig- voneinander aus zugleichen, das heisst derart, dass keine Zug- oder Druekkr äfte durch die Kupplung 20 übertragen werden.
In einem solchen Fall, wird man die Flächen, auf welche die Drüeke wirken, die die oben erwähnten Kräfte hervor rufen, derart wählen, dass die- Summe p1 <I>+ p</I> @ <I>+</I> p;; <I>+</I> p, der Summe t1 <I>+</I> t., gleich wird und dass p" der Summe <I>t., +</I> t,, <I>+ t; + t,; -</I> gleich wird.
In den Fig.2 und 3 ist, im Schnitt. eine Ausführungsform von Teilen einer Gastur binenanlage dargestellt. In dieser Ausfüh rungsform weist der Verdicliterrotor (Fi,,. 2) f eine Wandung 40 auf, welche die Trommel oberfläche am Hoehdiitekende bildet, wobei auf dieser Wandung in der Nähe ihres Um- fan-es ein axial sich erstreckender Absatz 41 angeordnet, ist, welcher auf seiner Aussen- f Fläche eine Anzahl Rippen 42 Lind auf seiner Innenfläche eine Anzahl abgestufter Flächen 43 aufweist.
Der Absatz ist durch einen still stehenden Leitschaufel-THgerrinr 44 uni--e- ben, welcher auf seiner Innenfläche abge stufte Flächen 45 aufweist, die mit den Rip pen 42 zusammenarbeiten als Teil einer Laby- rinthdiehtung.
Der Ring 44 ist mit einem am Zwisehen- gehäuse 47 der Anlae angeordneten Radial- kn flansch 46 zusammengefügt und trägt eben falls innen eine Platte 48, welche auf ihrem Aussenumfang mit Rippen 49 versehen ist, welch letztere mit den Flächen 43 zusammen arbeiten, um eine Labyrinthdichtmlg zu bil den, die mit 26, 27, 28 in der Fig. 1 bezeich net ist.
Die Platte 48 ist mit einem zentralen Hals 50 ausgebildet, welcher Rippen 51 auf weist, die mit zylindrischen Oberflächen des Verdichterrotors zusammenarbeiten und eine Labyrinthdiehtung bilden, welche der Abdich tung 29, 30 der Fig. 1 entspricht. Somit ist der zwischen der Wandung 40 der Verdich- tertrommel und der Platte 48 sich befindende Raum 64 geschlossen, in den Druckluft durch die Abdichtung 42, 43, 45, 49 gelangt.
In der Ausbauchung 53 der Platte 48 ist ein Ausflusskanal 52 angeordnet, der über das Rohr 54 mit dem Austritt 55 (Fig. 3) mit dem Raum 65 zwischen der Turbinenscheibe 58 und den Innen- und Aussenwänden 56, 57 verbunden ist, die am Zwischengehäuse 47 befestigt sind. Zwischen der Wand 56 und der Turbinenscheibe ist eine Labyrinthdich- tung 59 angeordnet.
Der zwischen dem Um fang der Turbinenscheibe und einem an der Wand 57 befestigten Ring 61 vorhandene Spalt 60 bildet einen Austritt aus dem ge nannten Raum in den Zwischenraum zwi schen der Leitschaufel-Düsengruppe 62 der Turbinenlaufschaufelung 63.
Eine am Verdichterrotor befestigte und am Umfang mit einem Flansch versehene Scheibe 66 bildet einen Ausgleichskolben, wobei der Umfang der Scheibe abgestufte Flächen 67 aufweist, welche mit Rippen 68 zusammen arbeiten, die am Ringflansch 69 angeordnet sind, welch letzterer an der Platte 48 befe stigt ist, so dass eine Labyrinthdichtung zwi schen dem Raum 70 und dem Raum 71 gebil det wird, wobei letzterer mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Dem Raum 70 wird vom Verdichter Druckluft zugeführt durch Ka näle 72 in der Fussplatte 73 jeder Leitschau fel 74, Öffnungen 75 im Ring 44 und Öffnun gen 76 in der Platte 48.
Der Raum 71 ist vom Raum 77 abge schlossen, und zwar durch eine gewölbte Scheibe 78, die am Träger 79 des Lagers 80 befestigt ist, und durch eine Labyrinthdich- tung 81, welche zwischen dem Flansch 82 am innern Umfang der Scheibe 78 und der Welle der Verdiehtertrommel angeordnet ist.
Die Flächen der verschiedenen Teile des gesamten Rotors, auf welche die in den Räu men 64, 65, 70, 71 herrschenden Drücke ein wirken, sind derart bemessen, dass die oben beschriebenen Ausgleichsbedingiuigen erfüllt werden.