DE2630558C2

DE2630558C2 - Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE2630558C2
Application number: DE2630558A
Authority: DE
Inventors: Georges Guignes Rabutin Bougain
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1975-07-09
Filing date: 1976-07-07
Publication date: 1983-08-11
Also published as: US4037404A; GB1504820A; FR2317501B1; DE2630558A1; FR2317501A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk mit einem Verdichter und einer Turbine, deren jeweilige Rotoren einen Abstand in Achsrichtung des Triebwerkes haben und untereinander einerseits in Drehrichtung und andererseits in axialer Zugrichtung durch eine Hauptkupplung fest miteinander verbunden sind, und mit einer Sicherheitskupplung, welche die beiden Rotoren in axialer Zugrichtung fest miteinander verbindet. Bei Zweiwellentriebwerken, bei denen der Niederdruckteil und der Hochdruckteil unabhängig voneinander drehbar angeordnet sind, bezieht sich die Erfindung auf den Niederdruckteil, der sich aus einem eingangs des Triebwerkes angeordneten Rotor des Niederdruckverdichters und einem ausgangs des Triebwerkes angeordneten Rotor der Niederdruckturbine zusammensetzt.

Ein zwar seltener aber in der Luftfahrt gefürchteter Zwischenfall besteht im Ansaugen im Flug von Vögeln.

Solche Zwischenfälle führen zu umso größeren Schaden je größer und schwerer der angesaugte Vogel ist, insbesondere wenn der Vogel beispielsweise mehrere Pfund schwer ist. Durch den Aufschlag des Vogels kann zum Beispiel die Beschaufelung der ersten Niederdruckverdichterstufe abbrechen, so daß Schaufelteile zwischen dem Rotor und Stator des Verdichters eingeklemmt werden können. Dadurch wird der Rotor abgebremst

Auf die Hauptkupplung zwischen den Rotoren von Verdichter und Turbine wirken dadurch Scherbelastungen ein, die in Anbetracht der Antriebskraft der Turbine bis zum Bruch der Hauptkupplung führen können, wenn deren Drehfestigkeit überschritten wird.

Durch den Bruch der Hauptkupplung kann nun seinerseits das Herausschleudern des Rotors des Niederdruckverdichters nach vorne bzw. des entsprechenden Turbinenrotors nach hinten hervorgerufen werden. In diesem Zusammenhang sei daran erinnert, daß die Rotoren von Verdichter und Turbine jeweils nach vorne bzw. nach hinten gerichteten Axialschüben ausgesetzt sind, so daß die Hauptkupplung für axiale Zugbeanspruchungen belastbar sein muß.

Das Herausschleudern der Rotoren von Verdichter und Turbine ist ganz besonders gefährlich und kann zum Verlust des gesamten Flugzeuges führen.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Schaden beim Bruch der Hauptkupplung zwischen den Rotoren von Verdichter und Turbine zu begrenzen.

Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung bei einem Gasturbinentriebwerk der eingangs genannten Art vor, daß die Sicherheitskupplung einen axial angeordneten Stab aufweist, dessen beide Enden, von der Stabmitte aus gesehen, Anschläge hintergreifen, die an der Hauptkupplung befestigt sind und sicii radial erstrecken, und daß dieses Hintergreifen unter Zwischenschaltung von Organen wie Kugellager oder Lagerscheiben mit geringer Reibungszahl erfolgt, die eine relative Drehbewegung zwischen den Anschlägen und dem Stab im Falle eines Bruches der Hauptkupplung ermöglichen.

Der grundsätzliche Erfindungsgedanke besteht also darin, von der Sicherheitskupplung in jedem Fall Torsionsbelastungen fernzuhalten. Würde nämlich diese Sicherheitskupplung drehmomentschlüssig mit den Rotoren von Verdichter und Turbine verbunden sein, dann bestünde die Gefahr, daß diejenigen Belastungen, die zum Bruch der Hauptkupplung geführt haben, auch zum Bruch der Sicherheitskupplung führen, so daß die Rotoren wiederum jeweils nach vorne bzw. nach hinten herausgeschleudert würden.

Bei einem Gasturbinentriebwerk, dessen Hauptkupplung mindestens eine Hohlwelle aufweist, ist in zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß der axial angeordnete Stab der Sicherheitskupplung im Inneren der Hohlwelle angeordnet ist.

In besonders vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß sie Mittel, wie z. B. Gewinde, aufweist, über die auf den axial angeordneten Stab der Sicnerheitskupplung eine Zugvorspannung in Achsrichtung ausgeübt werden kann.

Ferner ist es gemäß der Erfindung zweckmäßig, wenn zwischen mindestens dem einen Ende des vorgespannten Stabes und dem entsprechenden Radialanschlag an der Hauptkupplung eine elastische Scheibe angeordnet ist.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. Die Zeichnungen stellender

F i g. 1 ist eine schematische Längsschnittansicht eines Gasturbinentriebwerkes, auf das sich die Erfindung bezieht.

F i g. 2a und 2b sind Längsschnittansichten jeweils des vorderen und rückwärtigen Teiles einer Kupplung

gemäß der Erfindung, die den Verdichterrotor und den Turbinenrotor verbindet

Fig.3 ist eine Längsschnittansicht einer Einzelheit der in Fig.2b dargestellten Hauptkupplung in einer besonderen Ausgestaltung gemäß der Erfindung.

In F i g. 1 ist schematisch und in Längsschnittansicht ein Gasturbinentriebwerk oder Turbostrahltriebwerk für Flugzeuge mit der Längsachse X'-X gezeigt, und zwar hier in Zweiwellenbauweise, mit einem Niederdruckteil, bestehend aus dem Rotor 1 des Niederdruckverdichters (oder Gebläse) und dem Rotor 2 der Niederdruckturbine, und mit einem Hochdruckteil, bestehend aus dem Rotor 3 des Hochdruckverdichters und dem Rotor 4 der Hochdruckturbine.

Der Rotor 1 des Niederdruckverdichters und der Rotor 2 der Niederdruckturbine haben in Achsrichtung X'-X des Triebwerkes einen Abstand zueinander und sind jeweils eingangs und ausgangs des Triebwerks angeordnet Diese beiden Rotoren sind untereinander verbunden durch eine Hauptkupplung 5, die sie sowohl für Drehbewegungen als auch für axiale Zugbelastungen fest miteinander verbindet Ebenso sind d^:e Rotoren 3 und 4 des Hochdruckteiles in Achsrichtung voneinander beabstandet und sowohl für Drehbewegungen als auch für axiale Zugbelastungen durch eine Kupplungswelle 6 fest miteinander verbunden.

Zwischen dem Hochdruckverdichter und der Hochdruckturbine ist eine Brennkammer 7 angeordnet, in die eine Einspritzdüse 8 für den Kraftstoff einmündet. Diese wird von einer Kraftstoffquelle 9 her über einen Durchsatzregler 10 eingespeist.

Das dargestellte Triebwerk ist ein Zweistrom-Turbostrahltriebwerk mit einem von einem Primärstrom Fl durchströmten Primärkanal 11 und einem von einem Sekundärstrom F2 durchströmten Sekundärkanal 12. Diese beiden Kanäle werden gleichzeitig durch den Niederdruckverdichter versorgt und münden in einen gemeinsamen Ausgangskanal 13, der durch eine vorzugsweise einstellbare Schubdüse 14 abgeschlossen ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere den Niederdruckteil 1, 2 und 5 und hat ganz allgemein zum Ziel, im Falle eines Bruches der Hauptkupplung 5 die beiden Teile 1 und 2 dieses Triebwerkteiles zusammenzuhalten und so zu verhindern, daß diese Teile jeweils nach vorne bzw. hinten aus dem Triebwerk herausgeschleudert werden.

Wie in F i g. 2a und 2b dargestellt, sind der Rotor 1 des Niederdruckverdichters und der Rotor 2 der Niederdruckturbine miteinander durch eine Hauptkupplung 5 verbunden.

Diese Hauptkupplung 5 weist bei der dargestellten Ausführungsform zwei koaxial zur Triebwerksachse X'-X angeordnete Hohlwellen 51 und 52 auf, die drehbar in Lagern 15 und 16 gelagert und sowohl für Drehbewegungen als auch für axiale Zugbelastungen in Richtung der Achse X'-X des Verdichterrolors 1 und des Turbinenrotors 2 fest miteinander verbunden sind.

Die Wellen 51 und 52 sind untereinander drehmomentschlüssig durch Keilverzahnungen 53 verbunden. Diese beiden Wellen sind ebenfalls für axiale Zugbelastungen miteinander verbunden. Zu diesem Zweck ist die Welle 52 durch eine Hülse 54 verlängert, die in 55 fest mit der Welle 52 verbunden ist, wie z. B. durch eine Verschraubung, wobei die Hülse 54 eine Ringschulter 56 aufweist, die eine an der Hohlwelle 51 ausgebildete Schulter 57 hintergrei't und sich axial gegen eine der Flächen dieser Schulter 57 abstützt. Gegen die andere Fläche dieser Schulter 57 stützt sich die Welle 52 über einen Ring 58 ab.

Eine koaxial zu den Wellen 51 und 52 angeordnete zusätzliche Hohlwelle 5!)· bildet ebenfalls einen Teil der Hauptkupplung 5. Diese zusätzliche Hohlwelle 59 ist mit den Wellen 51 und 53! drehmomentschlüssig durch Keilnuten 60 und 61 einerseits und für axiale Druckbelastungen andererseits durch Ringschultern 62 und 63 verbunden, die sich jeweils gegen die

ίο Ringschulter 56 und gegen einen lösbaren Schulterring 64 an der Welle 51 abstützen.

Für die nachfolgende Beschreibung kann man also davon ausgehen, daß die Hauptkupplung 5 von einer Hohlwelle mit den Teilen 51 bis 64 gebildet wird und den Rotor 1 des Verdichters und den Rotor 2 der Turbine sowohl für Drehbewegungen als auch für axiale Zugbelastungen fest miteinander verbindet

Mit dem Buchstaben Z ist in F i g. 2a und 2b derjenige Bereich der Hauptkupplimg 5 bezeichnet der besonders auf Torsionsbelastungen anspricht, d. h. der kritische Bereich, in dem ein Bruch der H&eptkupplung auftreten kann mit der Folge (siehe F i g. 1), daß die Rotoren 1 und 2 jeweils nach vorne oder nach rückwärts herausgeschleudert werden.

Die vorliegende Erfindung hat im wesentlichen zum Ziel, diese beiden Rotoren zusammenzuhalten, d. h. ihr Herausschleudern selbst beim Bruch der Hauptkupplung 5 im Bereich Z zu verhindern.
Zu diesem Zweck bringt sie eine in ihrer Gesamtheit mit 70 bezeichnete Sicherheitskupplung in Vorschlag, die die beiden Rotoren 1 und 2 nur für axiale Zugbelastungen miteinander verbindet, wobei die Rotoren bei einem Bruch der Hauptkupplung 5 frei gegeneinander drehbar sind.

Diese Sicherheitskupplung 70 weist im wesentlichen einen im Inneren der Hohlwellen 51, 52, 54 und 59 der Hauptkupplung 5 axial angeordneten Stab 71 auf. Dieser Stab 71 hintergreift, von der Stabmitte aus gesehen, an der Hauptkupplung 5 radial angesetzte Anschläge, nämlich einen an der Welle 59 angeordneten vorderen Anschlag 72 und einen an der Welle 51 angeordneten rückwärtigen Anschlag 73, die jeweils diesseits und jenseits des kritischen Bereiches Z vorgesehen sind.

5 Der Durchmesser des Stabes ist so ausgelegt, daß er eine ausreichende Festigkeit aufweist, d. h. eine Festigkeit die über der maximal zu erwartenden axialen Zugbelastung beim Bruch der Hauptkupplung 5 liegt. Diese Belastung ist im voraus in Kenntnis der jeweiligen

>o Ausmaße von Verdichter und Turbine sowie ihrer jeweiligen Verdichtungs- und Entspannungsverhältnisse bestimmbar.

Im Bereich seines vorderen Endes weist der Stab 71 ein Gewindeende 711 auf, an das unmittelbar ein glatter Lagerabschnitt 71.2 anschließt. In diesem Abschnitt ist einerseits ein Kugellager 74 angeordnet, das sich gegen den oben genannten vorderen Anschlag 72 abstützt, sowie andererseits ein in Achsrichtung elastischer Ring 75. Auf dem Gewinde 711 ist eine Mutter 76 mit einer Stützschulter 761 aufgeschraubt, die sich gegen die elastische Scheibe 75 und über diesen sowie das Kugellager 74 gegen den vorderer! Anschlag 72 abstützt.

Im Bereich seines rückwärtigen Endes weist der Stab 71 ein Gewindeeiide 713 auf, an das unmittelbar ein glatter Lagerabschnitt 714 anschließt. In diesem Abschnitt ist ein Kugellager 77 vorgesehen, das sich gegen den rückwärtigen Anschlag 73 abstützt. Auf

diesem Gewindeende ist eine Mutter 78 mit einer Stützschulter 781 verschraubt, die sich gegen das Kugellager 77 und über dieses gegen den rückwärtigen Anschlag 73 abstützt.

Gemäß der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist der Stab 71 in seinem rückwärtigen Teil erweitert. Dadurch wird eine Wulst 715 gebildet, die sich unter Zwischenschaltung einer Lagerscheibe mit geringer Reibungszahl 79 gegen den rückwärtigen Anschlag 73 abstützt Gegen diese Wulst 715 liegt von der anderen Seite her die Schulter 801 einer Gewindehülse 80 an, die im Inneren eines an der Welle 52 angeordneten (und somit an der Hauptkupplimg 5) Schraubstutzens 81 verschraubbar ist.

Durch Spannen der Mutter 76 kann man den Stab 71 in Achsrichtung mit einer Zugbelastung vorspannen.

Der Stab 71 kann mittels eines Zwischenlagers 716 radial gegenüber einem Lagerring 82 aus Metall- und Kunststoffmaterial an der Hauptkupplung 5 gelagert sein. Durch dieses Zwischenlager soll vermieden werden, daß in dem Stab 71 bei bestimmten Schwingungsbereichen (regimes vibratoires) des Triebwerkes größere Verformungen auftreten. Der Ort dieses Zwischenlagers 716 ändert sich also in Abhängigkeit von der Bauweise und den Maßen des Triebwerkes.

Bei einem Bruch der Hauptkupplung im Bereich Z bleiben die beiden Rotoren 1 und 2 durch den Stab 71 in Achsrichtung miteinander verbunden. Durch die Kugellager 74 und 77 (oder durch Lagerringe mit kleiner Reibungszahl, wie z. B. der Lagerring 79) können sich die Rotoren jedoch unabhängig gegeneinander frei drehen, so daß das auf den Stab 71 übertragene Drehmoment sehr klein oder gar gleich Null ist. Der nur auf Zug und nicht auf Drehung beanspruchte Stab 71

ίο kann also infolge eines Bruches der Hauptkupplung 5 nicht brechen.

Durch die Vorspannung des Stabes 71 unter Zwischenschaltung des elastischen Ringes 75 wird darüber hinaus beim Bruch der Hauptkupplung eine

ι: schlagartige Zugbelastung in Achsrichtung vermieden. Es können auch Mittel wie z. B. ein Geschwindigkeitsmesser 17 (siehe Fig. 1) vorgesehen, die auf die Umdrehungsgeschwindigkeit des Turbinenrotors 2 ansprechen und beim Bruch der Hauptkupplung 5 und zu Beginn des Durchdrehens des Turbinenrotors daraufhin ein zwischen der Kraftstoffquelle 9 und der Brennkammer 7 eingeschaltetes Sperrventil 18 betätigen, um die Kraftstoffzufuhr in die Brennkammer zu unterbrechen. Dadurch wird das Überdrehen des Turbinenrotors vermieden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gasturbinentriebwerk mit einem Verdichter und einer Turbine, deren jeweilige Rotoren einen Abstand in Achsrichtung des Triebwerkes haben und untereinander einerseits in Drehrichtung und andererseits in axialer Zugrichtung durch eine Hauptkupplung fest miteinander verbunden sind, und mit einer Sicherheitskupplung, welche die beiden Rotoren in axialer Zugrichtung fest miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherheitskupplung (70) einen axial angeordneten Stab (71) aufweist, dessen beide Enden (712, 714), von der Stabmitte aus gesehen, Anschläge (72, 73) hintergreifen, die an der Hauptkupplung (5) befestigt sind und sich radial erstrecken, und daß dieses Hintergreifen unter Zwischenschaltung von Organen (74, 77), wie Kugellager oder Lagerscheiben (79) mit geringer Reibungszahl erfolgt, die eine relative Drehbewegung zwischen den Anschlägen (72, 73) und dem Stab (71) im Falle eines Bruches der Hauptkupplung (5) ermöglichen.

2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, bei der die Hauptkupplung mindestens eine Hohlwelle aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der axial angeordnete Stab (71) der Sicherheitskupplung (70) im Inneren der Hohlwelle (51,52) angeordnet ist

3. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner Mittel, wie z. B Gewinde (711), aufweist, über die auf den axial angeordneten Stab (71) der Sicherheitskupplung (70) eine Zug> orspamang in Achsrichtung ausgeübt werden kann.

4. Gasturbinentriebwerk nacv Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner eine zwischen mindestens dem einen Ende (711) des vorgespannten Stabes (71) und dem entsprechenden sich radial erstreckenden Anschlag (72) an der Hauptkupplung (5) angeordnete elastische Scheibe (75) aufweist.