Warum haben viele große Turbofans eine Lücke (von Turbinenschaufeln) zwischen der LP-Turbine und der HP-Turbine?

( Quelle ) Cutaway für das GE9X.

Die Lücke, die Sie sehen, ist nicht leer. Oben ist eine der Düsenleitschaufeln markiert (die meisten davon wurden zu Illustrationszwecken entfernt). Diese Leitschaufeln sind analog zu den Statorstufen des Kompressors.*

Die Etiketten 91 und 99 unten sind diese Schaufeln – leider werden die Statoren und Schaufeln fast immer in den „Zeichnungen“ weggelassen, aber sie sind genauso wichtig.

( Quelle ) Turbinenstufen der RR Trent 500.

Der Durchmesserunterschied ist beim GE im Vergleich zum RR steiler, weil der RR Trent 500 ein 3-Spulen-Motor ist.

Kurz gesagt, die Schaufeln in beiden Motoren erwecken, wenn sie in den Zeichnungen weggelassen werden, die Illusion, dass es eine Lücke gibt (vergeudeter Raum).

* Düsenleitschaufeln haben nichts mit der Schubdüse hinten zu tun. In der Turbinensprache bedeutet Düse die Statorstufe für die Turbine.

Auf der lustigen Seite ist hier ein Thumbnail von RRs eigenem YouTube-Kanal , absolut verrückter Auspuff . Vertraue keinen Illustrationen.

@ymb1 ist richtig, dass es in diesem Raum eine aerodynamische Funktion der LPT-Düse gibt, aber es gibt auch eine mechanische Funktion. Sie haben richtig beobachtet, dass es Lager geben wird, die die Welle stützen. Aber was unterstützt die Lager? Sie schweben nicht einfach da draußen im Weltraum. Die Lager werden von einem Rahmen getragen.

Beim GP7200 und CFM LEAP befindet sich zwischen HPT und LPT ein Rahmen, der als "Turbinenmittelrahmen" bezeichnet wird. Die Funktion des Rahmens besteht darin, einen steifen Lastpfad von dem Lager bereitzustellen, das das hintere Ende der HP-Welle trägt, bis zu der Hauptstruktur des Triebwerks, die mit dem Flugzeug verbunden ist. Wenn Sie diesen Beitrag lesen , werden Sie viele Beispiele für die Rahmen sehen.

Kurze Antwort

Dieser Raum ist Teil des Zwischenturbinenkanals (ITD), eines Kanals, der erforderlich ist, um eine zufriedenstellende Strömungskontinuität zwischen HPT und LPT aufrechtzuerhalten, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten (im Verhältnis von 1:3) drehen und unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Der Kanal besteht aus dem Spalt und den größeren (in Achsrichtung) LPT-Stufe-1-Leitschaufeln.

Beachten Sie, dass dieser Kanal ein Diffusor ist, da der ringförmige Bereich entlang des Strömungswegs wächst. Was in diesem Diffusor passiert, ist nicht sehr gut bekannt und sein Design war bis zu einem gewissen Grad empirisch, wobei Leitfäden wie diese verwendet wurden:

^{Druckrückgewinnung vs. Reibung. Quelle}

Einige numerische Simulationen zeigten, dass das Design tatsächlich den LPT (Druckverlust im Kanal), aber auch den HPT und die Verbrennung beeinflusst. An Tagen, an denen es wichtig ist, 1 % Kraftstoff (also 1 % CO2) einzusparen, wird jetzt etwas an der Optimierung des Zwischenturbinenkanals gearbeitet.

Verkürzte ITD sind komplex zu gestalten und unter dem Namen aggressive ITD bekannt .

Einzelheiten

Am Beispiel der CFM56-7B (Boeing 737 NG). Dieser Motor hat einen einstufigen HPT und einen 4-stufigen LPT.

Jedem Rotor ist ein Stator (Düse) vorangestellt. Die Rolle der Statorschaufeln besteht darin, Druck in Geschwindigkeit umzuwandeln und die Strömung senkrechter zur Rotorblattoberfläche zu drehen. Dies steht im Gegensatz zu den Verdichterstufen, bei denen die Leitschaufeln stromabwärts der Laufschaufeln angeordnet sind, um die von den Laufschaufeln hinzugefügte Geschwindigkeit in Druck umzuwandeln, die Geschwindigkeit konstant zu halten und die Strömung zu begradigen.

Spalt und größere Schaufeln

Alles ist global durchgehend, obwohl sich vor der LPT-Stufe-1-Düse im HPT-Gehäuse eine Lücke befindet. Die Schaufeln selbst sind axial größer.

^{CFM56-7B, kleiner Spalt vor Leitschaufeln der LPT-Stufe 1}

Diese Stelle wird als Zwischenturbinenkanal (Übergangskanal) bezeichnet und entspricht der Schnittstelle zwischen HPT und LPT, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen.

Der Kanal hat aufgrund des größeren Durchmessers und der Größe des LPT-Rotors der Stufe 1 eine zunehmende Fläche (ein ähnlicher Kanal existiert zwischen LPC und HPC aus den gleichen Gründen).

^{Kanalgeometrie zwischen den Turbinen. Quelle}

Der Spalt wird gewählt, um (empirisch) die angemessene Kanalneigung, das Seitenverhältnis usw. für einen akzeptablen Druckverlust zwischen den Turbinen einzustellen.

Um die Motorleistung zu erhöhen, versuchen die Hersteller, die Länge des Kanals zu verringern, aber es gibt einen Mangel an Wissen in diesem Bereich .

Kürzere Kanäle sind als aggressive Inter-Turbine-Kanäle (AITD) bekannt. Siehe dieses Papier .

Lager

Bezüglich des in einer anderen Antwort genannten Grundes steht ein mögliches Problem mit einem Lager oder einer Lagerhalterung im Weg: Dies ist nicht der Fall, die Lager sind viel kleiner als die Turbinenstufen:

^{CFM56-7B, Position der hinteren Lager}

• Das Lager Nr. 4 befindet sich zwischen der HPT-Welle und der LPT-Welle.
• Die äußere Stütze Nr. 5 befindet sich innerhalb des Ölsammlers, und das Lager selbst befindet sich innerhalb seiner Stütze.