Der Verbrennungsabschnitt beherbergt den Verbrennungsprozess, der die Temperatur der durch den Motor strömenden Luft erhöht. Dieser Vorgang setzt Energie frei, die im Luft-Kraftstoff-Gemisch enthalten ist. Der größte Teil dieser Energie wird an der Turbine bzw. den Turbinenstufen zum Antrieb des Verdichters benötigt. Etwa 2/3 der Energie werden für den Antrieb des Kompressors des Gasgenerators verwendet.
Die verbleibende Energie geht durch die verbleibenden Turbinenstufen, die mehr Energie absorbieren, um den Lüfter, die Ausgangswelle oder den Propeller anzutreiben. Nur der reine Turbojet ermöglicht es der Luft, den gesamten Schub oder Vortrieb zu erzeugen, indem sie das Heck des Triebwerks in Form eines Hochgeschwindigkeitsstrahls verlässt. Diese anderen Triebwerkstypen haben eine gewisse Strahlgeschwindigkeit am Heck des Triebwerks, aber der größte Teil des Schubs oder der Leistung wird durch die zusätzlichen Turbinenstufen erzeugt, die einen großen Lüfter, Propeller oder Hubschrauberrotorblätter antreiben.
Die Hauptfunktion des Verbrennungsabschnitts besteht natürlich darin, das Brennstoff/Luft-Gemisch zu verbrennen, wodurch der Luft Wärmeenergie zugeführt wird. Um dies effizient zu tun, muss die Brennkammer:
• Bereitstellen von Mitteln zum richtigen Mischen von Brennstoff und Luft, um eine gute Verbrennung sicherzustellen, • dieses Gemisch effizient verbrennen, • die heißen Verbrennungsprodukte auf eine Temperatur kühlen, der die Turbineneinlassleitschaufeln/-schaufeln unter Betriebsbedingungen widerstehen können, und • die heiße Gase zum Turbinenabschnitt.
Der Verbrennungsabschnitt befindet sich direkt zwischen dem Verdichter- und dem Turbinenabschnitt. Die Brennkammern sind unabhängig vom Typ immer koaxial zum Kompressor und zur Turbine angeordnet, da die Kammern in einer durchströmten Position sein müssen, um effizient zu funktionieren. Alle Brennkammern enthalten die gleichen Grundelemente: 1. Gehäuse 2. Perforierte Innenauskleidung 3. Kraftstoffeinspritzsystem 4. Einige Mittel zur anfänglichen Zündung 5. Kraftstoffablasssystem zum Ablassen von unverbranntem Kraftstoff nach dem Abstellen des Motors.
Gegenwärtig gibt es drei Grundtypen von Verbrennungskammern, wobei Variationen innerhalb des Typs nur detailliert sind. Diese Typen sind: 1. Can-Typ 2. Can-Ring-Typ 3. Ring-Typ.
Die Brennkammer vom Dosentyp ist typisch für den Typ, der bei Turbowellen und APUs verwendet wird. Jede der Brennkammern vom Dosentyp besteht aus einem Außengehäuse oder -gehäuse, in dem sich eine perforierte Brennkammerauskleidung oder Innenauskleidung aus rostfreiem Stahl (sehr hitzebeständig) befindet. Die Außenhülle wird entfernt, um den Austausch der Auskleidung zu erleichtern.
Ältere Motoren mit mehreren Verbrennungsdosen hatten jede Dose mit einem Verbindungsrohr (Flammenausbreitung), das ein notwendiger Bestandteil der Brennkammern vom Dosentyp war. Da jede Dose ein separater Brenner ist, der unabhängig von den anderen Dosen arbeitet, muss es eine Möglichkeit geben, die Verbrennung während des anfänglichen Startvorgangs zu verteilen. Dies wird erreicht, indem alle Kammern miteinander verbunden werden. Wenn die Flamme von den Zündkerzen in zwei der unteren Kammern gezündet wird, geht sie durch die Rohre und entzündet das brennbare Gemisch in der angrenzenden Kammer und setzt sich fort, bis alle Kammern brennen.
Die Konstruktionsdetails der Flammrohre variieren von Motor zu Motor, obwohl die Grundkomponenten nahezu identisch sind. Die zuvor erwähnten Funkenzünder sind normalerweise zwei an der Zahl und befinden sich in zwei der Brennkammern vom Dosentyp.
Eine weitere sehr wichtige Anforderung beim Bau von Brennkammern ist die Bereitstellung von Mitteln zum Ablassen von unverbranntem Brennstoff. Diese Drainage verhindert Gummiablagerungen im Kraftstoffverteiler, den Düsen und Brennkammern. Diese Ablagerungen werden durch die Rückstände verursacht, die beim Verdampfen des Kraftstoffs zurückbleiben. Am wichtigsten ist wahrscheinlich die Gefahr eines Nachbrandes, wenn sich der Kraftstoff nach dem Abschalten ansammeln kann. Wenn der Kraftstoff nicht abgelassen wird, besteht eine große Möglichkeit, dass sich beim nächsten Startversuch der überschüssige Kraftstoff in der Brennkammer entzündet und die Abgastemperatur die sicheren Betriebsgrenzen überschreitet.
Die Auskleidungen der Brennkammern vom Spaltrohrtyp haben Perforationen verschiedener Größen und Formen, wobei jedes Loch einen bestimmten Zweck hat und sich auf die Flammenausbreitung innerhalb der Auskleidung auswirkt. Die in die Brennkammer eintretende Luft wird durch die entsprechenden Löcher, Lamellen und Schlitze in zwei Hauptströme geteilt – Primär- und Sekundärluft. Die Primär- oder Verbrennungsluft wird am vorderen Ende in den Liner geleitet, wo sie sich mit dem Kraftstoff vermischt und verbrannt wird. Sekundär- oder Kühlluft strömt zwischen dem Außengehäuse und der Auskleidung und verbindet die Verbrennungsgase durch größere Löcher in Richtung der Rückseite der Auskleidung, wodurch die Verbrennungsgase von etwa 3.500 °F auf nahezu 1.500 °F gekühlt werden. Um die Zerstäubung des Brennstoffs zu unterstützen, sind Löcher um die Brennstoffdüse herum in der Kuppel oder dem Einlassende des rohrförmigen Brennkammereinsatzes vorgesehen. Lamellen sind auch entlang der axialen Länge der Auskleidungen vorgesehen, um eine kühlende Luftschicht entlang der Innenwand der Auskleidung zu leiten. Diese Luftschicht neigt auch dazu, das Flammenmuster zu kontrollieren, indem sie es in der Auskleidung zentriert hält, wodurch ein Verbrennen der Auskleidungswände verhindert wird. Figur veranschaulicht die ringförmige Brennkammerauskleidung.
Im Brennkammergehäuse ist immer eine Vorkehrung für den Einbau einer Brennstoffdüse getroffen. Die Kraftstoffdüse gibt den Kraftstoff in einem fein zerstäubten Spray in die Auskleidung. Je stärker das Spray zerstäubt wird, desto schneller und effizienter ist der Brennvorgang. Zwei Arten von Brennstoffdüsen, die derzeit in den verschiedenen Arten von Brennkammern verwendet werden, sind die Simplex-Düse und die Duplex-Düse.
Die Zündkerzen der ringförmigen Brennkammer sind vom gleichen Grundtyp, der in den Brennkammern vom Bechertyp verwendet wird, obwohl Konstruktionsdetails variieren können. Üblicherweise sind zwei Zünder an dem Vorsprung angebracht, der an jedem der Kammergehäuse vorgesehen ist. Die Zünder müssen lang genug sein, um aus dem Gehäuse in die Brennkammer zu ragen.
Die Brenner sind durch vorspringende Flammrohre miteinander verbunden, die den Motorstartvorgang erleichtern, wie er zuvor bei der Einarbeitung in die Topfbrennkammer erwähnt wurde. Die Flammrohre funktionieren identisch zu den zuvor diskutierten, unterscheiden sich nur in Konstruktionsdetails.
Die rohrförmige Brennkammer wird in modernen Motoren nicht verwendet. Die Vorderseite jeder Kammer weist sechs Öffnungen auf, die mit den sechs Brennstoffdüsen des entsprechenden Brennstoffdüsen-Clusters ausgerichtet sind. Diese Düsen sind vom Typ mit zwei Öffnungen (Duplex), der die Verwendung eines Strömungsteilers (Druckbeaufschlagungsventil) erfordert, wie in der Diskussion der Brennkammer vom Dosentyp erwähnt. Um jede Düse herum befinden sich Vorwirbelschaufeln, um dem Kraftstoffstrahl eine Wirbelbewegung zu verleihen, was zu einer besseren Zerstäubung des Kraftstoffs, einer besseren Verbrennung und einem besseren Wirkungsgrad führt. Die Drallschaufeln haben die Funktion, zwei Effekte zu erzielen, die für eine ordnungsgemäße Flammenausbreitung unerlässlich sind: 1 Hohe Flammengeschwindigkeit – besseres Mischen von Luft und Brennstoff, wodurch eine spontane Verbrennung sichergestellt wird. 2 Axial niedrige Luftgeschwindigkeit – Verwirbelung eliminiert übermäßig schnelle axiale Flammenbewegung.
Die Wirbelschaufeln unterstützen die Flammenausbreitung stark, da ein hohes Maß an Turbulenz in den frühen Verbrennungs- und Kühlstufen wünschenswert ist. Die intensive mechanische Vermischung des Kraftstoffdampfes mit der Primärluft ist notwendig, da die Vermischung durch Diffusion allein zu langsam ist. Dieses gleiche mechanische Mischen wird auch durch andere Mittel hergestellt, wie beispielsweise durch Anordnen von groben Sieben im Diffusorauslass, wie es bei den meisten Axialströmungsmaschinen der Fall ist.
Die ringförmigen Brennkammern müssen auch die erforderlichen Kraftstoffablassventile aufweisen, die sich in zwei oder mehr der unteren Kammern befinden, um eine ordnungsgemäße Entwässerung und Beseitigung von Restkraftstoffverbrennung beim nächsten Start sicherzustellen.
Der Luftstrom durch die Löcher und Lamellen der rohrförmigen Kammern ist fast identisch mit dem Strom durch andere Arten von Brennern. Spezielle Leitbleche werden verwendet, um den Verbrennungsluftstrom zu verwirbeln und ihm Turbulenz zu verleihen. Die Abbildung zeigt den Strom der Verbrennungsluft, der Metallkühlluft und der Verdünnungs- oder Gaskühlluft. Die Luftströmungsrichtung ist durch die Pfeile angedeutet.
Die Grundkomponenten einer ringförmigen Brennkammer sind ein Gehäuse und eine Auskleidung, wie beim Dosentyp. Die Auskleidung besteht aus einem ungeteilten kreisförmigen Deckband, das sich ganz um die Außenseite des Turbinenwellengehäuses erstreckt. Die Kammer ist aus hitzebeständigen Materialien aufgebaut, die manchmal mit Wärmedämmmaterialien, wie z. B. keramischen Materialien, beschichtet sind. Die ringförmige Brennkammer ist in Figur dargestellt. Moderne Turbinentriebwerke haben üblicherweise eine ringförmige Brennkammer. Wie in der Abbildung zu sehen ist, verwendet die ringförmige Brennkammer auch Lamellen und Löcher, um zu verhindern, dass die Flamme die Seite der Brennkammer berührt.
Turbinenabschnitt
Die Turbine wandelt einen Teil der kinetischen (Geschwindigkeits-) Energie der Abgase in mechanische Energie um, um den Kompressor des Gasgenerators und Zubehör anzutreiben. Alleinige Aufgabe der Gasgeneratorturbine ist es, etwa 60 bis 70 Prozent der gesamten Druckenergie aus den Abgasen aufzunehmen. Die genaue Menge der Energieabsorption an der Turbine wird durch die Last bestimmt, die die Turbine antreibt (dh Verdichtergröße und -typ, Anzahl der Zubehörteile und die von den anderen Turbinenstufen aufgebrachte Last). Diese Turbinenstufen können verwendet werden, um einen Niederdruckkompressor (Lüfter), einen Propeller und eine Welle anzutreiben. Der Turbinenabschnitt eines Gasturbinentriebwerks ist hinter oder stromabwärts der Brennkammer angeordnet. Genauer gesagt direkt hinter dem Brennkammeraustritt.
Die Turbinenbaugruppe besteht aus zwei Grundelementen: Turbineneinlassleitschaufeln und Turbinenscheibe. Das Statorelement ist unter einer Vielzahl von Namen bekannt, von denen Turbineneinlassdüsenschaufeln, Turbineneinlassleitschaufeln und Düsenmembran drei der am häufigsten verwendeten sind. Die Turbineneinlassleitschaufeln sind direkt hinter den Brennkammern und unmittelbar vor dem Turbinenrad angeordnet. Dies ist die höchste oder heißeste Temperatur, die mit Metallkomponenten im Motor in Kontakt kommt. Die Turbineneinlasstemperatur muss kontrolliert werden, oder die Turbineneinlassleitschaufeln werden beschädigt.
Nachdem die Brennkammer die Wärmeenergie in den Luftmassenstrom eingebracht und gleichmäßig an die Turbineneintrittsdüsen abgegeben hat, müssen die Düsen den Luftmassenstrom zum Antrieb des Turbinenrotors aufbereiten. Die stationären Schaufeln der Turbineneinlassdüsen sind konturiert und in einem solchen Winkel eingestellt, dass sie eine Anzahl kleiner Düsen bilden, die Gas mit extrem hoher Geschwindigkeit ausstoßen; somit wandelt die Düse einen variierenden Teil der Wärme- und Druckenergie in Geschwindigkeitsenergie um, die dann durch die Turbinenschaufeln in mechanische Energie umgewandelt werden kann.
Es gibt drei Arten von Turbinenschaufeln: die Impulsturbinenschaufel, die Reaktionsturbinenschaufel und die Reaktionsimpulsturbinenschaufel. Die Impulsturbinenschaufel wird auch als Schaufel bezeichnet. Dies liegt daran, dass der Luftstrom, wenn er auf die Mitte der Schaufel trifft, die Richtung der Energie ändert, da er bewirkt, dass die Schaufeln die Scheibe und die Rotorwelle drehen. Die Leitschaufeln der Turbinendüsen können normalerweise während der Überholung und Montage des Triebwerks eingestellt werden, um die Effizienz des Luftstroms zu erhöhen, der auf die Schaufeln oder Laufschaufeln der Turbine trifft.
Reaktionsturbinenschaufeln bewirken, dass sich die Scheibe durch die aerodynamische Wirkung des Luftstroms dreht, der so gerichtet ist, dass er in einem bestimmten Winkel an der Schaufel vorbeiströmt, um die effizienteste Leistung aus dem Turbinentriebwerk zu entwickeln.
Die Reaktions-Impuls-Turbinenschaufel kombiniert die Wirkung sowohl der Impuls- als auch der Reaktionsschaufelkonstruktion. Die Laufschaufel hat an der Laufschaufelwurzel mehr die Schaufelform der Impulslaufschaufel und sie hat auch mehr die Tragflügelform der Reaktionslaufschaufel auf der zweiten Hälfte der Laufschaufel in Richtung des äußeren Endes der Laufschaufel.
Der zweite Zweck der Turbineneinlassdüse besteht darin, die Gase in einem bestimmten Winkel in Drehrichtung des Turbinenrads abzulenken. Da der Gasstrom aus der Düse in den Turbinenschaufeldurchgang eintreten muss, während er sich noch dreht, ist es wesentlich, das Gas in die allgemeine Richtung der Turbinenrotation zu richten.
Die Turbineneinlassdüsenanordnung besteht aus einem inneren Deckband und einem äußeren Deckband, zwischen denen die Leitschaufeln befestigt sind. Die Anzahl und Größe der verwendeten Einlassschaufeln variiert mit unterschiedlichen Typen und Größen von Motoren. Die Abbildung zeigt typische Turbineneinlassdüsen mit losen und geschweißten Leitschaufeln. Die Leitschaufeln der Turbineneinlassdüse können auf verschiedene Weise zwischen den äußeren und inneren Deckbändern oder Ringen montiert werden. Obwohl die tatsächlichen Elemente in Konfiguration und Konstruktionsmerkmalen geringfügig abweichen können, gibt es eine Eigenschaft, die allen Turbineneinlassdüsen eigen ist: Die Düsenleitschaufeln müssen so konstruiert sein, dass sie eine Wärmeausdehnung zulassen. Andernfalls würde es aufgrund schneller Temperaturänderungen zu einer starken Verformung oder Verwerfung der Metallkomponenten kommen. Die Wärmeausdehnung von Turbinendüsen wird durch eines von mehreren Verfahren erreicht.
Jede Leitschaufel passt in einen konturierten Schlitz in den Deckbändern, der sich an die Strömungsprofilform der Leitschaufel anpasst. Diese Schlitze sind etwas größer als die Schaufeln, um einen lockeren Sitz zu ergeben. Zur weiteren Abstützung sind die inneren und äußeren Deckbänder von inneren und äußeren Stützringen umhüllt, die für erhöhte Festigkeit und Steifigkeit sorgen. Diese Stützringe erleichtern auch das Entfernen der Leitschaufeln als Einheit. Ohne die Ringe könnten die Schaufeln herausfallen, wenn die Ummantelungen entfernt werden.
Ein weiteres Verfahren der Wärmeausdehnungskonstruktion besteht darin, die Leitschaufeln in innere und äußere Deckbänder einzupassen; jedoch werden bei diesem Verfahren die Schaufeln in Position geschweißt oder genietet. Einige Mittel müssen bereitgestellt werden, um eine Wärmeausdehnung zu ermöglichen; daher wird entweder der innere oder der äußere Deckbandring in Segmente geschnitten. Die die Segmente trennenden Sägeschnitte ermöglichen eine ausreichende Ausdehnung, um eine Spannung und ein Verziehen der Leitschaufeln zu verhindern.
Das Rotorelement des Turbinenabschnitts besteht im Wesentlichen aus einer Welle und einem Laufrad. Das Turbinenrad ist eine dynamisch ausgewuchtete Einheit, die aus Schaufeln besteht, die an einer rotierenden Scheibe befestigt sind. Die Scheibe wiederum ist an der kraftübertragenden Hauptwelle des Motors befestigt. Die Abgase, die die Leitschaufeln des Turbineneinlasses verlassen, wirken auf die Schaufeln des Turbinenrads und bewirken, dass sich die Anordnung mit einer sehr hohen Drehzahl dreht. Durch die hohe Drehzahl wird das Turbinenrad stark zentrifugal belastet, gleichzeitig führen die erhöhten Temperaturen zu einer Verringerung der Festigkeit des Materials. Folglich müssen die Motordrehzahl und -temperatur gesteuert werden, um den Turbinenbetrieb innerhalb sicherer Grenzen zu halten.
Die Turbinenscheibe wird als solche ohne Schaufeln bezeichnet. Beim Einbau der Turbinenschaufeln wird die Scheibe dann zum Turbinenrad. Die Scheibe dient als Verankerungskomponente für die Turbinenschaufeln. Da die Scheibe mit der Welle verschraubt oder verschweißt ist, können die Schaufeln die Energie, die sie den Abgasen entziehen, auf die Rotorwelle übertragen.
Der Scheibenrand ist den durch die Schaufeln strömenden heißen Gasen ausgesetzt und nimmt beträchtliche Wärme aus diesen Gasen auf. Außerdem absorbiert der Kranz auch Wärme von den Turbinenschaufeln durch Leitung. Daher sind die Scheibenrandtemperaturen normalerweise hoch und weit über den Temperaturen des weiter entfernten inneren Abschnitts der Scheibe. Durch diese Temperaturgradienten kommen zu den Rotationsspannungen thermische Spannungen hinzu. Außerdem sind Turbinenschaufeln im Allgemeinen anfälliger für Betriebsschäden als Verdichterschaufeln, da sie hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Es gibt verschiedene Methoden, um die vorgenannten Belastungen zumindest teilweise abzubauen. Ein solches Verfahren besteht darin, Kühlluft zurück auf die Fläche der Platte zu blasen.
Ein weiteres Verfahren zum Entlasten der thermischen Spannungen der Scheibe ist nebensächlich für die Schaufelinstallation. Eine Reihe von Rillen oder Kerben, die dem Design des Schaufelfußes entsprechen, sind in den Rand der Scheibe geräumt. Diese Rillen ermöglichen die Befestigung der Turbinenschaufeln an der Scheibe; gleichzeitig wird durch die Einkerbungen Platz für die Wärmeausdehnung der Scheibe geschaffen. Zwischen dem Schaufelfuß und der Kerbe besteht ausreichend Spiel, um eine Bewegung der Turbinenschaufel zu ermöglichen, wenn die Scheibe kalt ist. Während des Motorbetriebs verringert die Ausdehnung der Scheibe das Spiel. Dadurch sitzt der Schaufelfuß fest im Scheibenkranz.
Die Turbinenwelle wird üblicherweise aus legiertem Stahl hergestellt. Es muss in der Lage sein, die hohen Drehmomentbelastungen aufzunehmen, die auf es ausgeübt werden. Die Methoden zum Verbinden der Welle mit der Turbinenscheibe variieren. Bei einem Verfahren wird die Welle an die Scheibe geschweißt, die einen Stoß oder Vorsprung aufweist, der für die Verbindung vorgesehen ist. Eine andere Methode ist das Verschrauben. Dieses Verfahren erfordert, dass die Welle eine Nabe hat, die zu einer bearbeiteten Oberfläche auf der Scheibenfläche passt. Dann werden die Bolzen durch Löcher in der Wellennabe gesteckt und in Gewindelöchern in der Scheibe verankert. Von den beiden Verbindungsmethoden ist das Verschrauben üblicher.
Die Turbinenwelle muss Mittel zur Befestigung an der Verdichterrotornabe aufweisen. Dies wird normalerweise durch einen Keilschnitt am vorderen Ende der Welle erreicht. Der Keil passt in eine Kupplungsvorrichtung zwischen der Kompressor- und der Turbinenwelle. Wenn keine Kupplung verwendet wird, kann das verzahnte Ende der Turbinenwelle in eine verzahnte Aussparung in der Verdichterrotornabe passen. Diese verzahnte Kupplungsanordnung wird fast ausschließlich bei Zentrifugalkompressormotoren verwendet, während Axialkompressormotoren jedes dieser beschriebenen Verfahren verwenden können.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Turbinenschaufeln zu befestigen, einige ähneln der Befestigung von Verdichterschaufeln. Die zufriedenstellendste Methode verwendet das Tannenbaumdesign.
Die Klingen werden durch eine Vielzahl von Verfahren in ihren jeweiligen Rillen gehalten, von denen die üblicheren das Hämmern, Schweißen, Sperrlaschen und Nieten sind. Die Abbildung zeigt ein typisches Turbinenrad mit Nieten zur Schaufelhalterung.
Das Hämmerverfahren zur Klingenhalterung wird häufig auf verschiedene Weise verwendet. Eine der häufigsten Anwendungen des Kugelstrahlens erfordert das Schleifen einer kleinen Kerbe in die Kante der Tannenbaumwurzel des Blattes vor dem Einbau des Blattes. Nachdem die Klinge in die Scheibe eingesetzt wurde, wird die Kerbe mit dem Scheibenmetall gefüllt, das durch eine kleine Stanzmarkierung, die in der Scheibe neben der Kerbe angebracht ist, darin „geflossen“ ist. Das für diesen Job verwendete Werkzeug ähnelt einem Körner.
Ein weiteres Verfahren zum Halten der Klinge besteht darin, die Wurzel der Klinge so zu konstruieren, dass sie alle Elemente enthält, die für ihre Halterung erforderlich sind. Bei dieser Methode wird die Klingenwurzel als Anschlag an einem Ende der Wurzel verwendet, sodass die Klinge nur in einer Richtung eingesetzt und entfernt werden kann, während sich am gegenüberliegenden Ende eine Angel befindet. Dieser Zapfen ist gebogen, um die Klinge in der Scheibe zu sichern.
Turbinenschaufeln können je nach Zusammensetzung der Legierungen entweder geschmiedet oder gegossen werden. Die meisten Klingen sind präzisionsgegossen und auf die gewünschte Form fertig geschliffen. Viele Turbinenschaufeln werden als Einkristall gegossen, was den Schaufeln bessere Festigkeits- und Wärmeeigenschaften verleiht. Wärmesperrbeschichtungen, wie z. B. Keramikbeschichtungen, und Luftstromkühlung tragen dazu bei, die Turbinenschaufeln und Einlassdüsen kühler zu halten. Dadurch kann die Abgastemperatur erhöht werden, was den Wirkungsgrad des Motors erhöht. Abbildung zeigt eine Turbinenschaufel mit Luftlöchern zu Kühlzwecken.
Die meisten Turbinen sind am äußeren Umfang der Schaufeln offen; Manchmal wird jedoch ein zweiter Typ verwendet, der als ummantelte Turbine bezeichnet wird. Die ummantelten Turbinenschaufeln bilden tatsächlich ein Band um den Außenumfang des Turbinenrads. Dies verbessert den Wirkungsgrad und die Vibrationseigenschaften und ermöglicht leichtere Bühnengewichte. Andererseits begrenzt es die Turbinendrehzahl und erfordert mehr Schaufeln.
Im Turbinenrotorbau wird es gelegentlich erforderlich, mehrstufige Turbinen einzusetzen. Ein einzelnes Turbinenrad kann oft nicht genug Leistung aus den Abgasen aufnehmen, um die Komponenten anzutreiben, die von der Turbine für Rotationsleistung abhängig sind; daher ist es notwendig, zusätzliche Turbinenstufen hinzuzufügen.
Eine Turbinenstufe besteht aus einer Reihe stationärer Leitschaufeln oder Düsen, gefolgt von einer Reihe rotierender Laufschaufeln. Bei einigen Modellen von Turboprop-Triebwerken wurden bis zu fünf Turbinenstufen erfolgreich verwendet. Es sollte daran erinnert werden, dass unabhängig von der Anzahl der Räder, die zum Antreiben von Motorkomponenten erforderlich sind, jedem Rad immer eine Turbinendüse vorangeht.
Wie in der vorangegangenen Diskussion der Turbinenstufen herausgestellt wurde, ist der gelegentliche Einsatz von mehr als einem Turbinenrad bei hohen Rotationsbelastungen gerechtfertigt. Es sollte auch darauf hingewiesen werden, dass die gleichen Lasten, die mehrstufige Turbinen erfordern, es oft vorteilhaft machen, mehrere Verdichterrotoren einzubauen.
Bei der einstufigen Rotorturbine wird die Leistung von einem Turbinenrotor entwickelt, und alle vom Motor angetriebenen Teile werden von diesem einzelnen Rad angetrieben. Diese Anordnung wird bei Motoren verwendet, bei denen die Forderung nach geringem Gewicht und Kompaktheit vorherrscht. Dies ist die einfachste Version des reinen Strahltriebwerks.
Eine mehrstufige Turbine ist in Abbildung dargestellt. Bei Triebwerken mit mehreren Spulen hat jede Spule ihren eigenen Satz von Turbinenstufen. Jeder Satz von Turbinenstufen dreht den daran befestigten Kompressor. Die meisten Turbofan-Triebwerke haben zwei Spulen: Niederdruck (Lüfterwelle einige Kompressionsstufen und die Turbine, um sie anzutreiben) und Hochdruck (Hochdruckkompressorwelle und Hochdruckturbine).
Das verbleibende Element, das bezüglich der Einarbeitung in die Turbine diskutiert werden muss, ist das Turbinengehäuse oder Gehäuse. Das Turbinengehäuse umschließt das Turbinenrad und die Leitschaufelanordnung und stützt gleichzeitig entweder direkt oder indirekt die Statorelemente des Turbinenabschnitts. Vorne und hinten sind immer Flansche zum Verschrauben der Baugruppe mit dem Brennkammergehäuse bzw. der Abgaskegelbaugruppe vorgesehen.
Abgasbereich
Der Abgasstrang des Gasturbinentriebwerks besteht aus mehreren Komponenten. Obwohl die Komponenten unterschiedliche Zwecke haben, haben sie auch eine gemeinsame Funktion: Sie müssen den Strom heißer Gase so nach hinten lenken, dass Turbulenzen verhindert werden, und gleichzeitig den Gasen eine hohe End- oder Austrittsgeschwindigkeit verleihen. Beim Ausführen der verschiedenen Funktionen beeinflusst jede der Komponenten den Gasfluss auf unterschiedliche Weise. Die Abgassektion befindet sich direkt hinter der Turbinensektion und endet, wenn die Gase nach hinten in Form von Hochgeschwindigkeitsabgasen ausgestoßen werden. Die Komponenten des Abgasstrangs umfassen den Abgaskegel, das Endrohr (falls erforderlich) und die Abgasdüse. Der Abgaskegel sammelt die aus dem Turbinenabschnitt austretenden Abgase und wandelt sie allmählich in einen festen Gasstrom um. Dabei wird die Geschwindigkeit der Gase leicht verringert und der Druck erhöht. Dies ist auf den divergierenden Durchgang zwischen dem äußeren Kanal und dem inneren Konus zurückzuführen; das heißt, die ringförmige Fläche zwischen den beiden Einheiten nimmt nach hinten zu. Die Abgaskonusanordnung besteht aus einem Außenmantel oder -kanal, einem Innenkonus, drei oder vier radialen Hohlstreben oder -rippen und der erforderlichen Anzahl von Zugstangen, um die Streben beim Stützen des Innenkonus vom Außenkanal zu unterstützen.
Die Außenhülle oder der Kanal besteht normalerweise aus Edelstahl und ist am hinteren Flansch des Turbinengehäuses befestigt. Dieses Element sammelt die Abgase und führt sie direkt der Abgasdüse zu. Der Kanal muss so konstruiert sein, dass er Merkmale wie eine vorbestimmte Anzahl von Thermoelementvorsprüngen zum Installieren von Abgastemperatur-Thermoelementen enthält, und es muss auch Einführlöcher für die tragenden Zugstangen geben. In einigen Fällen werden keine Zugstangen zum Stützen des Innenkegels verwendet. Wenn dies der Fall ist, stellen die hohlen Streben die alleinige Stütze des Innenkegels bereit, wobei die Streben in ihrer Position an der Innenfläche des Kanals bzw. am Innenkegel angeschweißt sind. Die radialen Streben haben eigentlich eine Doppelfunktion. Sie stützen nicht nur den Innenkonus im Abgaskanal,
Der mittig angeordnete Innenkonus liegt ziemlich eng an der Rückseite der Turbinenscheibe an und verhindert eine Turbulenz der Gase, wenn sie das Turbinenrad verlassen. Der Konus wird von den radialen Streben getragen. In einigen Konfigurationen befindet sich ein kleines Loch in der Austrittsspitze des Kegels. Dieses Loch ermöglicht die Zirkulation von Kühlluft vom hinteren Ende des Kegels, wo der Druck der Gase relativ hoch ist, in das Innere des Kegels und folglich gegen die Fläche des Turbinenrads. Die Luftströmung ist positiv, da der Luftdruck am Turbinenrad aufgrund der Drehung des Rades relativ niedrig ist; somit ist die Luftzirkulation gewährleistet. Die zum Kühlen des Turbinenrads verwendeten Gase kehren zum Hauptströmungspfad zurück, indem sie durch den Zwischenraum zwischen der Turbinenscheibe und dem Innenkegel strömen. Die Abgaskegelbaugruppe ist das abschließende Bauteil des Grundmotors. Die verbleibende Komponente (die Abgasdüse) wird normalerweise als Flugzeugzellenkomponente betrachtet.
Das Endrohr ist üblicherweise so konstruiert, dass es semiflexibel ist. Bei einigen Endrohren ist eine Balganordnung in die Konstruktion integriert, die Bewegung bei Installation, Wartung und Wärmeausdehnung ermöglicht. Dies eliminiert Spannungen und Verwerfungen, die sonst vorhanden wären.
Die Wärmestrahlung von Auspuffkegel und Endrohr könnte die diese Einheiten umgebenden Flugzeugzellenkomponenten beschädigen. Aus diesem Grund mussten einige Mittel zur Isolierung entwickelt werden. Es gibt mehrere geeignete Verfahren zum Schutz der Rumpfstruktur; zwei der gebräuchlichsten sind Isolierdecken und -abdeckungen.
Die in den Figuren dargestellte Isolierdecke besteht aus mehreren Schichten Aluminiumfolie, die jeweils durch eine Glasfaserschicht oder ein anderes geeignetes Material getrennt sind. Obwohl diese Decken den Rumpf vor Wärmestrahlung schützen, werden sie hauptsächlich verwendet, um den Wärmeverlust aus dem Abgassystem zu reduzieren. Die Verringerung des Wärmeverlusts verbessert die Motorleistung.
Es gibt zwei Arten von Abgasdüsenkonstruktionen: die konvergierende Konstruktion für Unterschallgasgeschwindigkeiten und die konvergierende divergierende Konstruktion für Überschallgasgeschwindigkeiten. Diese Abgasdüsenkonstruktionen werden ausführlicher in Kapitel 3, Ansaug- und Abgassysteme, besprochen.
Die Austrittsdüsenöffnung kann entweder eine feste oder eine variable Fläche haben. Der Typ mit fester Fläche ist die einfachere der beiden Ausstoßdüsen, da keine beweglichen Teile vorhanden sind. Der Auslassbereich der feststehenden Abgasdüse ist sehr kritisch für die Motorleistung. Wenn die Düsenfläche zu groß ist, wird Schub verschwendet; Wenn der Bereich zu klein ist, könnte der Motor ersticken oder stehen bleiben. Eine Abgasdüse mit variabler Fläche wird verwendet, wenn ein Augmenter oder Nachbrenner verwendet wird, aufgrund der erhöhten Massenströmung, wenn der Nachbrenner aktiviert wird. Es muss seine offene Fläche vergrößern, wenn der Nachbrenner ausgewählt wird. Wenn der Nachbrenner ausgeschaltet ist, schließt die Abgasdüse zu einem kleineren Öffnungsbereich.
