Gasturbinenkraftanlage. Die Erfindung bezieht sich auf eine Gas turbinenkraftanlage mit koaxialem Kompres sor und Turbine, welche axial hintereinander angeordnet sind, wobei in dem Zwischenraum zwischen ihnen eine Verbrennungseinrich tung vorgesehen ist, durch welche Arbeits fluidum durch den Kompressor zu der Tur bine gefördert wird. Wo eine solche Anlage als Krafteinheit, zum Beispiel für den Vor trieb von Luftfahrzeugen, benutzt wird, sind verschiedene Eigenschaften erwünscht. Zum Beispiel sollte die Einheit so kompakt und leicht als möglich gehalten sein, während der Unterhalt und die Ersetzung und periodische Prüfung von Teilen der Verbrennungsein richtung erleichtert sein sollte.
Gemäss der Erfindung zeichnet sich eine Gasturbinenkraftanlage der erwähnten Art dadurch aus, dass die Verbrennungseinrich tung ein im Querschnitt ringförmiges Luft gehäuse, das einen Strömungsweg vom Kom pressor zur Turbine ergibt und eine Mehr zahl von einzelnen Flammrohren besitzt, welche .innerhalb des Luftgehäuses verteilt angeordnet sind, und die Aussenwand des Luftgehäuses ein aus einem Stück bestehen des rohrförmiges Gebilde ist, das so ausgebil det und angeordnet ist, dass es über einen be nachbarten Teil der Anlage axial verschoben werden kann, um die Flammrohre freizu legen, wobei die Anordnung so getroffen ist, dass die letzteren dann infolge ihrer gesonder ten Anordnung einzeln gelöst und entfernt werden können,
und dass die Aussenwand des Luftgehäuses in der Einbaulage ein das Kom pressor- mit dem Turbinengehäuse verbinden des Versteifungsglied bildet. Jedes Flamm- rohr kann beispielsweise an seinen beiden Enden im Luftgehäuse so abgestützt sein, dass es durch axiales Verschieben entfernt werden kann, und ferner im Betrieb gegen solches Verschieben durch ein lösbares Fest legemittel gesichert sein.
Bei einer bevorzugten Anwendung kann eine Gasturbinenkraftanlage einen Mehr stufenkompressor mit ringförmig symme trisch um seine Wellenachse angeordneten und hauptsächlich axial gerichteten Luft- auslässen und eine Axialströmungsturbine aufweisen.
Auf der beiliegenden Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegen standes dargestellt.
Fig. 1 und la bilden zusammen einen Auf riss, zur Hälfte im Längsschnitt, und zeigen eine Ausführungsform der Erfindung bei einem Luftfahrzeug-Gasturbinen-Strahltrieb- werk.
Fig. ? ist ein Detailschnitt in grösserem Massstab und stellt die Konstruktion des Luftgehäuses des in Fig. 1 dargestellten Trieb werkes sowie die Konstruktion und Anord nung der Flammrohre darin dar.
Fig. 3 ist ein weiterer Detailschnitt in grösserem Massstab, der die Anordnung eines Brenners und die Abstützung des Flammroh- res am Brenner darstellt.
. Fig. 4 und 4a sind ein Aufriss eines andern Gasturbinen-Strahltriebwerkes, und Fig. 5 ist eine Detailschnittdarstellung in grösserem Massstab und stellt die abgeänderte Konstruktion des Luftgehäuses und die Kon struktion und Anordnung der Flammrohre dar.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel weist die Krafteinheit einen mehrstufigen Axialkompressor 1, eine ringförmige Ver= brennungseinrichtung 2, eine Turbine 3 und daran anschliessend eine zu einer Reaktions düse führende Auspuffleitung 4, ferner ein in einem zur gleichen Reaktionsdüse führenden Durchlass 6 arbeitendes Schuberhöhungs- gebläse 5 auf, das von der Turbine 3 angetrie ben wird. Der Durchlass 6 umgibt die Aus puffleitung 4 koaxial.
Eine für den Kompres sor 1 und die Turbine 3 gemeinsame Welle 7 dient zur Übertragung der Antriebskraft der Turbine auf den Kompressor. Um diese Welle 7 herum ist das ganze Triebwerk symmetrisch angeordnet, und diese Welle besitzt eine Kupplung 7a mit nachgiebigen Flanschglie- dern und ein Zugorgan, welches den durch den Kompressor und die Turbine erzeugten Axialdrücken widersteht. Das vordere Ende des Triebwerkes ist von einer Verkleidung 8 umschlossen, welche dem betreffenden Luft fahrzeug angepasst sein kann. Am vordern Ende des Kompressors ist ein Getriebekasten für Antriebszubehörteile angebaut, die von der Welle 7 angetrieben werden.
Der Kompressor 1 besitzt einen Rotor, der aus einer Mehrzahl von getrennten Schei ben aufgebaut ist, von welchen jede am Um fang einen Kranz von Kompressorlaufschau- feln trägt, während die Statorschaufeln sich einwärts von einem äussern Gehäuse 9 er strecken, welches mit den vordern und hin- tern Wänden 10, 11, in welchen Lager für die Welle 7 vorgesehen sind, einen ringförmigen Eimass 12 und einen Auslass 13 bestimmt, von welchen der letztere sich axial durch innere und äussere Wände 14, 15 erstreckt,
welche mit dazwischen befindlichen Wänden 16 eine Reihe von axial gerichteten Diffusorkanälen bilden. An der -'nnern Wand (siehe besonders Fig. 2) ist ein hohles Glied 17 von kreisför inigem Querschnitt befestigt, welches die Welle 7 umschliesst und sich koaxial zu der selben gegen die Turbine 3 erstreckt. Das Glied 17 ist gegen sein inneres Ende fest an einem kegelstumpfförmigen Glied<B>18</B> be festigt.
Bei der dargestellten Konstruktion ist die allgemein mit 3 bezeichnete Turbine von gegenläufiger Bauart, wobei der eine Rotor den Kompressor und der andere das Schub erhöhungsgebläse antreibt. Der Kompressor antriebsrotor besitzt zwei axial voneinander im Abstand angeordnete, auf der Welle 7 feste Scheiben 20, und der zweite Rotor 21 besitzt. eine Lagerbüchse 20a, durch welche er über axial im Abstand angeordnete Lager 20b auf einem rohrförmigen Glied drehbar gelagert ist, das durch eine hintere Verlängerung 17a des bereits erwähnten Gliedes 17 gebildet ist.
Die Verlängerung 17a und das Glied 17 wei sen ihrerseits einen Abstand von der Welle 7 auf und stützen sie, wie angedeutet, durch in axialem Abstand angeordnete Lager 17b. Die Schaufelung des Rotors 21 ist mit einem Um fangsring 22 verbunden, welcher sich nach hinten erstreckt, um sowohl eine Umhüllung für die Schaufelung des Kompressorantriebs- rotors als auch einen Träger für den zweiten Kranz von Schaufeln 21a des Rotors 21 zu bilden, welche Schaufeln sich radial einwärts erstrecken.
Die Aufgabe des zweiten Rötors 21 besteht darin, das Zweistufengebläse 5 an zutreiben, dessen Laufschaufeln 5a durch eine Trommel 23 getragen werden, deren vor deres Ende am Umfangsring 22 des zweiten Rotors 21 durch ein kegelstumpfförmiges Glied 24 abgestützt ist und dessen Stator- schaufeln 5b an den Durchlass 6 begrenzenden Gehäusewänden befestigt sind, deren Innen wand durch das kegelstumpfförmige Glied 18a an der Wand 25 abgestützt ist.
Es ergibt sich aus dieser Konstruktion, dass das Dreh moment des zweiten Rotors 21 auswärts auf die Gebläsetrommel 23 übertragen wird, so dass das Gebläse die Luftströmung im Durch- lass 6 beschleunigt, die ain vordern Einlass des Durchlasses 6 eintritt.
Die Durchlässe 4, 6 vereinigen sich in gewissem Abstand vorn Gebläse<B>55;</B> in einem hinter dem Gebläse 5 be findlichen Teil des Durchlasses 6 sind ferner Brennstoffverbrennungsmittel ;.'6 vorgesehen, um der Luftströmung Energie zuzuführen, vorteilhaft so, dass sie auf die Geschwindig keit der Turbinenauspuff'strömung im Durch lass 4 beschleunigt wird, bevor die beiden Ströme als gemeinsamer Vortriebsstrahl zu- sammentreffen.
Das hohle Glied 17 bildet die innere druck feste Wand eines sich axial erstreckenden Luftgehäuses, dessen äussere druckfeste Wand durch ein rohrförmiges Glied 27 gebildet ist, das an seinem vordern Ende lösbar finit einem Flansch des durch die Wände 14, 15 be stimmten Kompressorauslassringes und an seinem hintern Ende mit der kegelstumpfför- migen Wand 25 verbunden ist, deren engeres Ende, wie bereits erwähnt, an dein Glied 18a befestigt ist.
Das Glied 27 hat einen solchen Innendurchmesser, dass, wenn seine Befesti gungen gelöst sind, es nach vorn über das Kompressorgehäuse 9 geschoben. werden kann, wobei natürlich die in der Zeichnung dargestellten Zufuhrleitungen so angeordnet sind, dass sie die Bewegung des Gliedes 27 nicht behindern bzw. ohne weiteres abnehm bar sind. An den innern und äussern Wänden 17, 27 sind im Abstand von jeder Wand Me- tallblechfutter 28, 29 angeordnet, um luft durchströmte Isolationsräume an den innern und äussern Wänden des Luftgehäuses vor zusehen.
Diese Futter sind an ihren Enden so ausgebildet, dass ein Teil des ankommen den Luftstromes in die Isolationsräume ein tritt und nach Hindurchströmen durch die betreffenden Isolationsräume in die Turbine gelangt. Das äussere Futter 28 besitzt, damit es das axiale Herausziehen der äussern Wand 27 nicht behindert, lose Überlappungsver- bindungen finit Futterteilen 28a, welche an Gehäuseteilen angeordnet sind, die fest blei ben, wenn das Glied 27 verschoben wird.
Zwischen den Wänden 1.7, 27 und in dem ringförmigen Zwischenraum, welchen sie ein- schliessen, ist gleichmässig verteilt um die Achse eine Anzahl von axial sich erstrecken den Flammrohren vorgesehen. Der Haupt teil 30 jedes Flammrohres ist zylindrisch und besitzt an seinem Einströmende einen kegel- stumpfförmigen Abschlussteil, dessen engeres Ende an einem vorstehenden Flansch eines zylinderförmigen Brenners 31 anliegt und durch diesen gestützt ist.. Der Brenner 31 ist koaxial zum Flammrohr und ist auf einer der Diffusorwände 16 des Kompressorausla.ss- ringes angeordnet.
Eine zweckmässige Form einer solchen Konstruktion ist in Fig. 3 dar gestellt, in welcher der Brennerkörper 31 mit tels Bolzen an einer der Difftisorwände 16 des Kompressorauslassringes so befestigt ist, dass seine Kanäle mit Brennstofzu- bzw.
-abfuhr- kanä.len 31.a übereinstimmen, die im Körper der Wand 16 vorgesehen sind und die auch reit Kanälen in einem Brennstoffzufuhr- anschlussstiiek 31b übereinstimmen, das in einem Durchlass 31c untergebracht ist., wel cher sich axial durch die erwähnte Diff'usor- wand erstreckt, die auch einen Luftdurchlass zwischen der durch die Innenseite des er wähnten Kompressorringraumes gebildeten Kammer und der äussern Atmosphäre ergibt.
Das Flammrohr wird gegen ungewollte Ver schiebung mittels zweier Gewindehülsen 31e, 31g gesichert. Ferner ist ein Durchlass 31d zum Zuführen von Verbrennungsluft in die Nähe der Brennermündung vorgesehen. Die Flamm- rohrwand ist auch durchbrochen und mit passenden Führungen und Ablenkorganen versehen, wie dies für die Verbrennung als erforderlich erachtet wird.
Das Ausströmende des zylindrischen Körpers 30 des Flammroh- res wird zum Beispiel durch biegsame Verbin dungsglieder 30a abgestützt, welche mit dem Futter 29 verbunden sind, so dass das Aus strömende innerhalb und im Abstand von dem kreisförmigen Einströmende eines Aus lasskanals 32 liegt, welcher in der Ausström- richtung zu einem Ringsektor ausläuft, der einem Sektor des ringförmigen Düsenringes 1,9 der Turbine entspricht.
Auf der Aussenseite jedes Auslasskanals 32 ist ein Zwischenraum freigelassen für den Durchlass von etwas Luft zur Turbinendüse, so dass diese Luft die Wand des Kanals kühlt und, da sie bei diesem Vor gang selbst erwärmt wird, sich schliesslich mit den heissen, in die Turbine eintretenden Gasen trifft. Der Kanal 32 wird durch ein radiales strebenartiges Element 33 festgelegt und ab gestützt, welches durch diesen Kanal und auch durch die Futter 28a,
29 und die innern und äussern Umhüllungsglieder 18, 25 des Luftgehäuses hindurchgeht, wobei die Strebe an allen diesen Teilen, zum Beispiel durch Schweissen, befestigt ist.
Der Hauptzweck der Streben 33, welche in Abständen im Luft gehäuse vorgesehen sind, ist der, die Kon- zentrizität der Umhüllungsteile 18, 25 auf rechtzuerhalten; aber sie können auch hohl hergestellt werden und so Verbindungsdurch- lässe zwischen dem vom Glied 18 umschlosse nen Raum und der Aussenseite des Luft gehäuses ergeben, welcher Durchlass eine Kühlluftströmung durch die Strebe gestattet.
Es können alternative Arten der Abstüt zung des Auslasskanals 32 .angewendet wer den; aber in jedem Fall ist der Träger so aus gedacht, dass Längs- und Radialausdehnun- gen ohne wesentliche Verschiebung des Flammrohres und ohne Erzeugung beson derer Beanspruchungen desselben oder irgend eines damit in Beziehung stehenden Teils ermöglicht sind.
Um irgendeinen Flammrohrkörper 30 wegnehmen zu können, wird die Aussenwand 27 des Luftgehäuses gelöst und axial über das Kompressörgehäuse 9 geschoben, wonach das Futter 28, 28a weggenommen und die Hülse 31e am Brenner 31 gelöst und der Flamm- rohrkörper 30 axial gegen die Turbine ver schoben wird, um ihn vollständig-vom Bren ner wegzunehmen.
Diese Bewegung ist mög lich wegen eines genügenden Zwischenraumes zwischen dem Ausströmende des Flamm- rohres 30 und dem axial benachbarten Aus lasskanal 32. Der Körper 30 kann dann genü gend geneigt werden, um ihn herauszuziehen.
Als Alternative kann, der Flammrohr- körper 30 am Brenner befestigt bleiben und nach Wegnahme des Futters 28, 28a können die Bolzen 31 f des Brenners 31 gelöst werden, so dass der Brenner aus seiner Lage durch axiale Verschiebung des Flammrohres heraus gezogen werden kann. In jedem Fall stellt der Brenner selbst die Stütze des Flammrohres an seinem Einströmende dar.
Die Glieder 17, 18 und 27, 25 bilden nicht nur die druckfesten Wände des ringförmigen Luftgehäuses, von welchen Wänden die äussere zum grösseren Teil axial wegnehmbar ist, um die leicht wegnehmbaren Flamm rohre freizugeben, sondern zusammen auch ein starres Traggebilde, das ein die Haupt Beanspruchungen aufnehmendes Element darstellt, welches mit den Flanschen des Kompressorauslassringes und des Turbinen düsenringes eine starre Einheit bildet. Da durch, dass die Teile 17, 27, 18, 25 so her gestellt sind, dass sie diesem doppelten Zweck dienen, kann eine erhebliche Gewichtserspar nis ohne Opferung der Starrheit und Festig keit erreicht werden.
Die Anwendung eines ringförmigen Luft gehäuses, welches einen Raum um die Kom- pressor-Turbinen-Welle 7 bildet, ergibt auch eine zweckmässige Anordnung eines Vertei lungssystems für Kühlluft, zusätzlich zu dem schon in Verbindung mit der Verbrennungs einrichtung erläuterten System, wodurch sich Gasverluste, örtliche Verziehungen und ausser gewöhnliche örtliche Temperaturen vermei den lassen.
Ein solches System ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt, in welchen die durch die innern Glieder 17 des Luftgehäuses ge bildeten Wände hohl hergestellt und durch eine Leitung 35 mit einer passenden Stelle des Kompressors verbunden sind, um daraus komprimierte Luft aufzunehmen, welche, uie durch die Pfeile in Fig. 2 angedeutet ist, ver teilt wird. Der Hohlraum des Gebildes 17 bil det Luftdurchlässe 36 (siehe Fig. 2), durch welche Luft zu den Turbinenlagern und auch zu der durch das Glied 18 und die Stirnfläche und Lagerbüchse des Turbinenrotors 21 be grenzten Kammer gelangt.
Diese Kammer enthält eine feste Abschirmwand 37 von ring förmiger Gestalt, welches die Luftströmung zwingt, der Oberfläche der Turbinenrotor teile zu folgen, wobei die Luft allenfalls durch die Flammrohrstreben 33 zum Einlass des Schuberhöhungsgebläses entweicht. Zusätz lich ist die Welle 7 hohl hergestellt und über trägt Luft zu den innern und den hintern Stirnflächen der Scheiben 20, wo sie in den Turbinengasstrom entweicht. Die unmittel bar von dem Kompressor kommende Luft besitzt einen etwas höheren Druck als der Gasstrom in der Turbine, so dass die Luft in die Turbine strömt und Gasverluste ver mieden sind.
Bei der in Fig. 1 und 2 dargestellten Kon struktion des Luftgehäuses sind die innern Glieder 17 und 18 und das äussere Glied 25 durch verhältnismässig dicke Gussstücke ge bildet. Diese Teile können aber auch aus Metallblech hergestellt werden.
Eine solche abgeänderte Ausführungsform des Luftgehäuses ist in Fig. 4a und 5 dar gestellt, in welchem Teile, die gleich denjeni gen in Fig. 1 sind, gleiche Bezugszahlen haben. Die dargestellte Kraftanlage unterscheidet sich auch noch dadurch von der in den Fig. 1, la und 2 dargestellten, dass dem Axialkom- pressor als Endstufe ein Zentrifugallaufrad 50 nachgeschaltet ist, so dass die Luft radial aus wärts in einen zweiteiligen Auslassringraum 51 gelangt und von dort erst in einer vorwie gend axialen Richtung in die Verbrennungs einrichtung gelangt,
dass ferner der gegen läufig sich drehende Rotor der Turbine und sein zugehöriges mit Leitschaufeln ausge rüstetes Schuberhöhungsgebläse weggelassen sind, und dass das vordere Ende der Welle 7 über ein epizyklisches Reduktionsgetriebe die koaxialen Wellen eines Paares gegenläufig sich drehender Luftschrauben antreibt.
Das Luftgehäuse weist bei diesem Beispiel ein inneres Glied 17 von kegelstumpfförmiger Gestalt auf, das innere Verstärkungsrippen 53 besitzt. Das erwähnte innere Glied 17 ist an seinem vordern Ende durch zwei an diesem Ende zusammenlaufende kegelstumpfförmige Elemente 54, 55 abgestützt, die aneinander und an den hintern Wänden 11 des Kompres- sorgehäuses befestigt sind.
Am hintern Ende ist es durch eine etwa gleiche Anordnung von kegelstumpfförmigen Elementen 56, 57 ab gestützt, von welchen das innere am Gehäuse des Turbinenrotorlagers 58 befestigt ist, das wie in Fig. 1 für den besseren Zutritt von Kühlluft vor dem Laufrad angeordnet ist. Das äussere Element 57 ist am innern Teil des Turbinendüsenringes 19 befestigt. Die Ele mente 17, 54, 56 umschliessen somit eine innere Kammer, die radial einwärts des Luft gehäuses liegt. Das äussere Glied des Luft gehäuses besitzt ein Glied 27 von zylindrisch konischer Form, dessen grösster Durchmesser sich an seinem vordern Ende befindet, wo es an dem Kompressorauslassring 51 befestigt ist.
Das Glied 27 verengt sich gegen sein hin teres Ende, wo es an dem Randteil eines im allgemeinen kegelstumpfförmigen Elemen tes 59 befestigt ist, dessen hinteres Ende am äussern Teil des Turbinendüsenringes 19 an gebracht ist.
Jeder der erwähnten Teile des Luftgehäuses wird aus verhältnismässig dün nem Metallblech hergestellt, um ein rohr- förmiges Ringelement von beträchtlicher Steifigkeit zu bilden, so dass durch deren Ver einigung ein Gebilde erhalten wird, das ein grosses Mass von Steifigkeit kombiniert mit geringem Gewicht hat, und das bei der Be festigung mit dem Kompressor und der Tur bine eine im wesentlichen starre Einheit bil det.
Wo ein Metallblechelement mit einem andern Element verbunden werden soll, ist es mit einem verdickten Flansch versehen, wie in der Zeichnung angedeutet ist, indem an das Metallblech ein Streifen von dickerem Metall angeschweisst wird.
Wie bei der in Fig. 1 dargestellten Aus führungsform ist die äussere Wand 27 des Luftgehäuses axial verschiebbar, und zwar in diesem Fall nach hinten, um die Flamm- rohre freizugeben, welche wiederum gleich mässig verteilt in dem durch das Luftgehäuse begrenzten Ringraum angeordnet sind. Wie vorher besitzen die Flammrohre einen haupt sächlich zylindrischen Körper 30, der vorn einen kegelstumpfförmigen Abschlussteil auf weist, in den der Brennstoffbrenner 31 ein- greift und der beispielsweise wie in der Fig. 2 durch eine Zapfenverbindung abgestützt ist.
Am hintern Ende ist der Körper 30 durch ein Auslassrohr 32 abgestützt, das durch bieg same Streben 30a in Lage gehalten ist, wobei die hohlen Streben 33 in diesem Fall zwischen benachbarten Rohren 32 hindurchgehen.
An den Kompressorauslass schliessen einzelne Metallblechauslassdüsen 60 an, welche an ihren Einströmenden ringsektorförmig sind, um in einen Sektor des ringförmigen Auslasses des Kompressors zu passen, und welche strom abwärts in von diesen getrennte Düsenteile 60a, von denen jede eine mehr oder weniger zylindrische Form besitzt, führen, und auf einer bedeutenden Länge das Einströmende eines Flammrohres umschliessen und davon im Abstand angeordnet sind, um den Luft durchlass zu gestatten,
wobei die Düsenteile 60a durch biegsame Strebenglieder 30b ab gestützt sind, welche jedem Teil 60a erlau ben, in bezug auf den Teil 60 nach rückwärts verschoben zu werden.
Die soeben beschriebene Flammrohran- ordnung ist wiederum für die leichte Weg nahme der einzelnen Flammrohre vorgesehen, nachdem durch Verschiebung der äussern Wand 27 Zutritt dazu erhalten worden ist. Das Verfahren der Wegnahme besteht vor allem darin, dass die Düsenteile 60a nach hin ten über das Einströmende des entsprechen den Flammrohres verschoben werden, wobei die Zwischenräume zwischen jedem Düsen teil und dem Flammrohr so gemacht sind, dass wenn dies durchgeführt worden ist,
die Ver bindung des Brenners 31 mit dem Brennstoff- zufuhrrohr gelöst und dann der Flammrohr- körper 30 mit dem Brenner und der Düsen teil 60a nach auswärts gekippt werden kön nen.
Ein Merkmal der in Fig. 4 und 5 darge stellten Ausführung besteht darin, dass die ganze innere durch die Glieder 17, 54, 56 be stimmte Kammer unter Druck gehalten wird, um den äussern Druck in dem ringförmigen Luftgehäuse auszugleichen. Zufolge dieser Mittel kann das innere Metallblechgebilde 17, 54, 56 viel leichter und weniger steif her gestellt werden, als dies sonst der Fall wäre.
Durch Anordnung von passenden Auslässen kann in der erwähnten innern Kammer be- findliche komprimierte Luft dazu benutzt werden, um Kühlluftzirkuiationen, wie solche durch Pfeile in der Zeichnung angedeutet sind, zu den Kompressor- und Turbinen rotoren und den Wellenlagern vorzusehen. Wie in der Zeichnung angedeutet ist, kann der Druck in der Kammer durch Abzapfen von Druckluft aus dem Luftgehäuse mittels einer Leitung 61 aufrechterhalten werden, welche an die innere Kammer angeschlossen ist, wobei die Luft durch einen Kühler 62 hindurchgeht.