Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen gegenläufig drehbaren Bläserabschnitt und einen gegenläufig drehbaren Boosterverdichter für ein Gasturbinentriebwerk und im Speziellen auf eine Bläserwellenanordnung eines gegenläufigen Bläserabschnitts, die eine integrale Verdichterlaufschaufel des Boosterverdichters enthält.

Gasturbinentriebwerke werden stets verbessert, um einen größeren Schub bei geringerem Lärm und höherer Betriebseffizienz zu erzielen. Eine Lösung ist als das Bypass-Turbofantriebwerk bekannt geworden, bei dem der Luftstrom in zwei separate und konzentrische Strömungen aufgeteilt wird. Eine äußere Strömung (hierin als Neben- oder Bypassstrom bezeichnet) wird nur von einem Bläserabschnitt des Triebwerks komprimiert und wird verwendet, um einen Großteil des Schubs zu liefern, während eine innere Strömung (hierin als Boosterstrom bezeichnet) durch den Bläser (Fan), das Kerntriebwerk und die Turbine strömt, um die Leistung für den Antrieb des Bläsers bereitzustellen. Um eine Erhöhung des Bläserdruckverhältnisses zu erzielen und den Bläserwirkungsgrad bei niedrigeren relativen Geräuschen aufrechtzuerhalten, enthält der Bläserabschnitt zwei Stufen oder Reihen von Bläserlaufschaufeln, die in entgegengesetzte Richtung rotieren, um so einen gegenläufigen Bläser zu bilden. Zur Erzielung eines niedrigeren Geräusches und höherer Effizienz ist es wünschenswert, die zwei Bläserlaufschaufelreihen axial voneinander zu trennen, um eine Wirbelströmung zwischen ihnen dämpfen zu können.

Um die zusätzliche Länge zu reduzieren, die durch das Anordnen der Bläserlaufschaufelreihen im Abstand zueinander erforderlich ist, werden die innere und die äußere Strömung an einer Stelle aufgeteilt, die axial zwischen solchen Bläserstufen und dem Boosterverdichter liegt, der innerhalb des inneren Umfangs der zweiten Bläserstufe positioniert ist. Ursprüngliche Konfigurationen des in Bypass-Turbofantriebwerken verwendeten Boosterverdichters enthielten verschiedene Stufen von Rotorlaufschaufeln, die mit der ersten Bläserstufe übereinstimmend rotierten, sowie eine Statorleitschaufelstufe, die zwischen jedem Rotorlaufschaufelpaar positioniert war (siehe z.B. US-Patentschrift Nr. 6,220,012 von Hauser et al.). Danach wurde, wie aus der US-Patentschrift Nr. 4,860,537 von Taylor, der US-Patentschrift Nr. 5,307,622 von Ciokajlo et al. und der US-Patentschrift Nr. 4,790,133 von Stuart ersehen werden kann, der Boosterverdichter so konstruiert, dass er in ihm gegenläufig drehbare Laufschaufelreihen oder -gruppen aufweist, die in Übereinstimmung mit entsprechenden Stufen des gegenläufigen Bläsers rotieren.

Es ist festgestellt worden, dass das Antreiben der separaten Laufschaufelreihen des Boosterverdichters bestimmte mechanische Komplexitäten mit sich bringt. Zusätzlich wird eine Halterung für die zweite Stufe benötigt, die die Abdichtung der äußeren und der inneren Strömung nicht unzulässig unterbricht, insbesondere da die innere Strömung durch den Boosterverdichter durch die zweite Bläserstufe hindurchströmen muss. Somit wäre es angesichts des Vorstehenden wünschenswert, dass ein gegenläufiger Bläserabschnitt und ein gegenläufiger Boosterverdichter entwickelt werden, die die Rotation der zweiten Bläserstufe und der zugehörigen Reihe von Boosterverdichterlaufschaufeln erleichtern. Darüber hinaus wäre es wünschenswert, dass die zweite Bläserstufe so montiert und konfiguriert ist, dass die innere Strömung durch den Boosterverdichter nicht durch die Bläserlaufschaufeln der zweiten Bläserstufe hindurchtreten muss.

Gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Bläserwellenanordnung für eine zweite Stufe eines gegenläufigen Bläserabschnitts in einem Gasturbinentriebwerk, das einen gegenläufigen Boosterverdichter aufweist, zu der gehören: eine Bläserwellenerweiterung, die an einem ersten Ende mit einer Antriebswelle verbunden ist und an einem zweiten Ende mit einer Scheibe, die Bläserlaufschaufeln der zweiten Bläserabschnittsstufe aufnimmt, verbunden ist, ein erstes Plattformelement, das mit der Bläserwellenverlängerung an einer ersten Stelle integral ausgebildet ist, um so einen Abschnitt eines inneren Strömungspfads für den gegenläufigen Boosterverdichter zu bilden, ein zweites Plattformelement, das mit der Bläserwellenverlängerung an einer zweiten Stelle integral ausgebildet ist, um so einen Abschnitt eines äußeren Strömungspfads für den gegenläufigen Boosterverdichter zu bilden, und mehrere Verdichterlaufschaufeln, die zwischen dem ersten und dem zweiten Plattformelement positioniert sind, wobei die Antriebswelle bewirkt, dass die Verdichterlaufschaufeln und die Bläserlaufschaufeln der zweiten Stufe in die gleiche Richtung rotieren.

Gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine gegenläufige Boosterverdichteranordnung für ein Gasturbinentriebwerk beschrieben, das einen gegenläufigen Bläserabschnitt mit einer ersten Bläserlaufschaufelreihe, die mit einer ersten Antriebswelle verbunden ist, und einer zweiten Bläserlaufschaufelreihe aufweist, die von der ersten Bläserlaufschaufelreihe axial im Abstand angeordnet und mit einer zweiten Antriebswelle verbunden angeordnet und mit einer zweiten Antriebswelle verbunden ist. Die gegenläufige Boosterverdichteranordnung enthält eine erste Verdichterlaufschaufelreihe, die mit der ersten Antriebswelle verbunden ist, eine Bläserwellenverlängerung, die zum Antreiben der zweiten Bläserlaufschaufelreihe mit der zweiten Antriebswelle verbunden ist, und mehrere mit der Bläserwellenverlängerung integrale Verdichterlaufschaufeln, die eine zweite Verdichterlaufschaufelreihe bilden, die mit der ersten Verdichterlaufschaufelreihe verschachtelt ist, wobei die zweite Antriebswelle und die Bläserwellenverlängerung bewirken, dass die zweite Verdichterlaufschaufelreihe und die zweite Bläserlaufschaufelreihe in der gleichen Richtung rotieren. Die Bläserwellenverlängerung enthält ferner ein mit ihr an einer ersten Stelle integrales erstes Plattformelement, das einen Abschnitt eines inneren Strömungspfads für den gegenläufigen Boosterverdichter bildet, und ein mit ihr an einer zweiten Stelle integrales zweites Plattformelement, das einen Abschnitt eines äußeren Strömungspfads für den gegenläufigen Boosterverdichter bildet, wobei jede Verdichterlaufschaufel zwischen dem ersten und dem zweiten Plattformelement positioniert ist.

Gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Gasturbinentriebwerk beschrieben, wie es enthält: einen Hochdruckabschnitt, einschließlich einer Hochdruckturbine, eine hinter dem Hochdruckabschnitt angeordnete Niederdruckturbine, die zum Drehantrieb der ersten und der zweiten Antriebswelle dienende gegenläufige Niederdruckinnen- und -außenrotoren aufweist, einen gegenläufigen Bläserabschnitt, der vollständig vor dem Hochdruckabschnitt angeordnet ist und der eine erste Bläserlaufschaufelreihe, die mit der ersten Antriebswelle verbunden ist, und eine zweite Bläserlaufschaufelreihe aufweist, die zu der ersten Bläserlaufschaufelreihe axial im Abstand angeordnet und mit der zweiten Antriebswelle verbunden ist, und einen gegenläufigen Boosterverdichter, der eine mit der ersten Antriebswelle verbundene erste Verdichterlaufschaufelreihe und eine zweite Verdichterlaufschaufelreihe enthält, die mit der ersten Verdichterlaufschaufelreihe verschachtelt ist und mit der zweiten Antriebswelle verbunden ist, wobei jeder Niederdruckturbinenrotor jeweils sowohl eine Bläserlaufschaufelreihe als auch eine Verdichterlaufschaufelreihe antreibt. Jede Verdichterlaufschaufel der zweiten Verdichterlaufschaufelreihe ist mit einer Bläserwellenerweiterung integral ausgebildet, wobei sie die zweite Antriebswelle mit der zweiten Verdichterlaufschaufelreihe verbindet.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist nun anhand von Beispielen und Bezug nehmend auf beigefügte Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:

1 eine Schnittsansicht durch ein Gasturbinentriebwerk, das einen gegenläufigen Bläserabschnitt und einen gegenläufigen Boosterverdichter gemäß der vorliegenden Erfindung enthält;

2 eine vergrößerte, teilweise aufgeschnittene Ansicht des Gasturbinentriebwerks, das in 1 veranschaulicht ist;

3 eine ausschnittsweise perspektivische Ansicht der zweiten Bläserstufe des Gasturbinentriebwerks, das in 1 und 2 veranschaulicht ist.

Indem nun im Einzelnen auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen identische Bezugszeichen die gleichen Elemente in allen Figuren bezeichnen, zeigt 1 ein beispielhaftes Turbofan-Gasturbinentriebwerk 10, das einen Bläserabschnitt 12 aufweist, der eine Einlassströmung einer Umgebungsluft aufnimmt, die durch einen Pfeil 14 gekennzeichnet ist. Der Bläserabschnitt 12 enthält vorzugsweise eine erste Stufe 16, die eine erste Reihe von Bläserlaufschaufeln 18 aufweist, und eine zweite Stufe 20, die eine zweite Reihe von Bläserlaufschaufeln 22 aufweist. In einer typischen Bypass-Turbofananordnung rotiert die erste Bläserlaufschaufelreihe 18 in einer entgegengesetzten Richtung oder gegenläufig zu der Drehung der zweiten Bläserlaufschaufelreihe 22. Es ist verständlich, dass die erste Bläserstufe 16 und die zweite Bläserstufe 20 vorzugsweise in einem gewünschten axialen Abstand zueinander bezüglich einer durch das Gasturbinentriebwerk 10 verlaufenden Mittelachse 24 angeordnet sind, um jegliche zwischen ihnen auftretende Verwirbelungen in der Luftströmung zu minimieren.

Ein Hochdruckabschnitt 26, der hier auch als mittiges Kerntriebwerk bezeichnet ist, ist stromab von dem Bläserabschnitt 12 positioniert, dessen linke Seite, wie man aus 1 entnehmen kann, eine stromaufwärtige Seite oder Richtung repräsentiert und dessen rechte Seite eine stromabwärtige Seite oder Richtung repräsentiert. Man ist verständlich, dass der Hochdruckabschnitt 26 einen Hochdruckverdichter 28, der drehend angetrieben wird, um Luft, die in den Hochdruckrotor 26 eintritt, unter einen relativ hohen Druck zu setzen, eine Brennkammer 30, die einen Treibstoff mit der durch den Hochdruckverdichter 28 verdichteten Luft 14 vermischt und zur Erzeugung von Verbrennungsgasen zündet, die stromab strömen, und eine Hochdruckturbine 32 enthält, die die Verbrennungsgase aufnimmt und dadurch rotierend angetrieben wird. Die Hochdruckturbine 32 treibt wiederum den Hochdruckverdichter 28 über eine Hochdruckantriebswelle 34 drehend an, die die Hochdruckturbine 32 und den Hochdruckverdichter 28 miteinander verbindet. Vorzugsweise ist der Hochdruckrotor 26 modular, so dass er als eine einzelne Einheit unabhängig von anderen Teilen des Gasturbinentriebwerks 10 ersetzt werden kann.

Es ist ersichtlich, dass ein Boosterverdichter 36, der vorzugsweise stromauf von dem Hochdruckabschnitt 26 angeordnet ist, eine erste Reihe 38 von Boosterverdichterlaufschaufeln und eine zweite Reihe 40 von Boosterverdichterlaufschaufeln enthält, die mit der ersten Boosterverdichterlaufschaufelreihe 38 verschachtelt ist. Der Boosterverdichter 36 ist gegenläufig drehbar, was bedeutet, dass die erste Boosterverdichterlaufschaufelreihe 38 in eine entgegengesetzte Richtung zu der der zweiten Boosterverdichterlaufschaufelreihe 40 rotiert. Das Gasturbinentriebwerk 10 ist vorzugsweise so konstruiert, dass die Boosterverdichterlaufschaufeln 40 und die Bläserschaufeln 22 der zweiten Bläserstufe 20 in eine gegenläufige Richtung von der des Hochdruckverdichters 28 rotieren, um die Empfindlichkeit des Gasturbinentriebwerks 10 auf Lufteingangsströmungsstörungen des Bläserabschnitts 12 zu reduzieren sowie um die gegenseitige Empfindlichkeit auf „Rotating Stall"-Zellen (Zellen mit rotierender Abrissströmung) in den anderen Rotoren zu reduzieren. Zwischen der zweiten Bläserstufe 20 und dem Hochdruckverdichter 28 kann eine Auslassleiteinrichtung vorhanden sein, um die Entwirbelung der zu dem Hochdruckverdichter 28 führenden Luftströmung zu unterstützen.

Eine gegenläufige Niederdruckturbine 44, die stromab von der Hochdruckturbine 32 positioniert ist, lässt die durch die Hochdruckturbine 32 strömenden Verbrennungsgase expandieren und dient dazu, die erste Bläserstufe 16 sowie die erste Boosterverdichterlaufschaufelreihe 38 mit Hilfe einer ersten oder inneren Niederdruckantriebswelle 46 drehend anzutreiben und die zweite Bläserstufe 20 sowie die zweite Boosterverdichterlaufschaufelreihe 40 mit Hilfe einer zweiten oder äußeren Niederdruckantriebswelle 48 drehend anzutreiben.

Genauer gesagt, enthält die Niederdruckturbine 44 einen ringförmigen äußeren Trommelrotor 50, der an der ersten inneren Niederdruckantriebswelle 46 über eine hintere konische Niederdruck-Innenwellenverlängerung 52 drehfest montiert ist. Der äußere Trommelrotor 50 enthält ferner mehrere erste Niederdruck-Turbinenlaufschaufelreihen 54, die sich von ihm aus radial nach innen erstrecken und axial zueinander im Abstand angeordnet sind. Es ist ersichtlich, dass der äußere Trommelrotor 50 von einer Endstufe 56 der Niederdruck-Turbinenlaufschaufelreihen 54 aus einseitig eingespannt wegragt und mit der hinteren konischen Niederdruck-Innenwellenverlängerung 52 verschraubt ist. Es ist ferner sichtbar, dass die innere Niederdruckantriebswelle 46 den äußeren Trommelrotor 50 mit der ersten Bläserstufe 16 und der ersten Bläserlaufschaufelreihe 18 mit Hilfe einer vorderen konischen Innenwellenverlängerung 58 antriebsmäßig verbindet. Die erste Boosterverdichterlaufschaufelreihe 38 ist dann durch die Niederdruck-Innenantriebswelle 46 indirekt angetrieben, und zwar infolge einer Welle 60, die die erste Bläserstufe 16 mit ihr verbindet, wodurch die Bläserlaufschaufelreihe 18 der ersten Stufe und die erste Boosterverdichterlaufschaufelreihe 38 zu einer Rotation in die gleiche Richtung veranlasst werden.

Die Niederdruckturbine 44 enthält auch einen ringförmigen inneren Trommelrotor 62, der an der zweiten äußeren Niederdruckantriebswelle 48 über eine hintere konische Niederdruckaußenerweiterung 64 drehfest montiert ist. Der innere Trommelrotor 62 enthält ferner mehrere zweite Niederdruck-Turbinenlaufschaufelreihen 66, die sich von ihm aus radial nach außen erstrecken und axial zueinander im Abstand angeordnet sind. Es ist zu verstehen, dass die ersten Niederdruck-Turbinenlaufschaufelreihen 54 bezüglich der zweiten Niederdruck-Turbinenlaufschaufelreihen 66 verschachtelt bzw. versetzt parallel geschaltet sind. Man ist ersichtlich, dass der innere Trommelrotor 62 von einer Endstufe 68 der aus Niederdruck-Turbinenlaufschaufelreihen 66 aus auskragt und mit der hinteren konischen Niederdruck-Außenwellenverlängerung 64 verschraubt ist. Es ist dann zu sehen, dass die eine Niederdruckaußenantriebswelle 48 den inneren Trommelrotor 62 mit der zweiten Bläserstufe 18 und der zweiten Bläserlaufschaufelreihe 20 mittels Hilfe einer vorderen konischen Außenwellenverlängerung 70 antriebsmäßig verbindet. Wie hier nachstehend in größeren Einzelheiten erläutert ist, ist die zweite Boosterverdichterlaufschaufelreihe 40 auch durch die Niederdruck-Außenantriebswelle 48 angetrieben, wodurch die Bläserlaufschaufelreihe 20 der zweiten Stufe und die zweite Boosterverdichterlaufschaufelreihe 48 veranlasst werden, in der gleichen Richtung umzulaufen, die zu der Drehrichtung der ersten Bläserstufe 16 und der ersten Boosterverdichterlaufschaufelreihe 38 gegensinnig ist.

Ein durch einen Pfeil 72 gekennzeichneter Strömungspfad für den Bläser 12 ist durch ein Bläsergehäuse 74 und eine Nabe 76 für die erste Bläserstufe definiert (siehe 2). Es ist ersichtlich, dass der Strömungspfad 72 dann vorzugsweise stromaufwärts der zweiten Bläserstufe 20 aufgespalten wird, wo ein äußerer Teil, der durch einen Pfeil 78 gekennzeichnet ist, den Rest des Triebwerks 10 (mit Ausnahme eines Durchtritts durch die zweite Bläserstufe 20) umgeht und ein innerer Teil, der durch den Pfeil 80 repräsentiert ist, in den Boosterverdichter 36 und einen Einlasskanal 82 zu einem Hochdruckverdichter 28 geleitet wird. Es ist verständlich, dass eine Teilernase 84 vorgesehen ist, um den Strömungspfad 72 aufzuspalten, was hier nachstehend genauer erläutert ist. Im Zusammenhang mit der Teiler- oder Spaltnase 84 sind stromab von dort positioniert ein inneres Bypass- oder Umgehungsplattformelement 86 und eine Wand 88 vorgesehen, um einen Bypass- oder Umgehungskanal 90 mit einem Bläsergehäuse 74 erhalten, durch den der äußere Strömungsteil 78 strömt.

Wie am besten den 2 und 3 entnommen werden kann, enthält die zweite Bläserstufe 18 vorzugsweise eine konventionelle Scheibe 98 mit darin vorgesehenen Schwalbenschwänzen zur Aufnahme von Bläserlaufschaufeln 22. Die Scheibe 98 ist mit einer Bläaserwellenverlängerung verbunden, die allgemein mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet ist und die wiederum mit der vorderen konischen Außenwellenverlängerung 70 verbunden ist. Auf diese Weise sind die Scheibe 98 und die Bläserlaufschaufeln 22 folglich durch die Niederdruck-Außenantriebswelle 48 angetrieben.

Genauer gesagt, ist ersichtlich, dass die Bläserwellenverlängerung 100 vorzugsweise einen ersten oder inneren ringförmigen Abschnitt 102 enthält, der ein erstes Ende 104 aufweist, das mit der vorderen konischen Außenwellenverlängerung 70 verbunden ist. Die Bläserwellenverlängerung 100 enthält ferner vorzugsweise einen zweiten oder äußeren ringförmigen Abschnitt 106, der ein zweites Ende 108 aufweist, das mit einem sich von einem hinteren Ende der Scheibe 98 aus erstreckenden Flansch 110 mittels einer Schraube 112 und einer Senkmutter 114 verbunden ist. Es ist sichtbar, dass ein erstes Plattformelement 116 vorzugsweise integral mit dem inneren ringförmigen Abschnitt 102 an einem zweiten Ende 118 der Bläserwellenverlängerung 100 ausgebildet ist, wo das erste Plattformelement 116 als ein Abschnitt eines inneren Strömungspfades des Boosterverdichters 36 dient. In ähnlicher Weise ist ein zweites Plattformelement 120 vorzugsweise integral mit dem äußeren ringförmigen Abschnitt 106 der Bläserwellenverlängerung 100 an einem zweiten Ende 120 ausgebildet, wo das zweite Plattformelement 120 als ein Abschnitt eines äußeren Strömungspfades des Boosterverdichters 36 dient. Zwischen dem ersten und dem zweiten Plattformelement 116 bzw. 120 sind dann vorzugsweise mehrere Bläserlaufschaufeln 124 positioniert, so dass sie zusammen die zweite Boosterverdichterlaufschaufelreihe 40 bilden.

Die Spalt- oder Teilernase 84 ist vorzugsweise mit einem sich stromauf von der Scheibe 98 erstreckenden Flansch 126 mittels einer Schraube 128 und einer Senkmutter 130 verbunden. Es versteht sich, dass eine zusätzliche Reihe 132 oder ein Ring von Boosterverdichterlaufschaufeln 134 vorzugsweise stromauf von der ersten Boosterverdichterlaufschaufelreihe 38 vorgesehen ist. Insbesondere erstrecken sich die Verdichterlaufschaufeln 134 vorzugsweise radial von einem Abschnitt 136 der Teilernase 84 aus, der stromauf von der Scheibe 98 angeordnet ist, in den Boosterströmungspfad 80 hinein. Da die Verdichterlaufschaufeln 134 indirekt mit der Scheibe 98 und folglich mit der zweiten Antriebswelle 48 verbunden sind, rotieren die Verdichterlaufschaufeln 134 in der gleichen Richtung wie die Verdichterlaufschaufeln 124 und die Laufschaufeln 22 der zweiten Stufe.

Um eine gewünschte Oberfläche für die Boosterströmung 80 zu schaffen, ist ersichtlich, dass ein äußerer Strömungspfad für den Boosterverdichter 36 durch den Teilernasenabschnitt 136, ein Strömungspfadeinsatzglied 138 (das vorzugsweise ebenfalls mit Hilfe einer Schraube 128 und einer Senkmutter 130 mit dem Flansch 126 verbunden ist) und das zweite Plattformelement 120 gebildet wird. Ähnlich ist ein innerer Strömungspfad für einen Boosterverdichter 36 durch eine Wand 140, die mit der Nabe 76 verbunden ist, ein Plattformelement 142, das den Verdichterlaufschaufeln 134 zugeordnet ist, ein Plattformelement 144, das der ersten Verdichterlaufschaufelreihe 38 zugeordnet ist, und das erste Plattformelement 116 gebildet.