Brennstoffzufuhreinrichtung an Strahltriebwerk-Gasturbinenanlagen Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzufuhreinrichtung an Strahl triebwerk-Gasturbinenanlagen, zur Zufuhr von Brennstoff in eine Nachverbrennungsein richtung der Anlage.
Es sind Brennstoffzufuhreinrichtungen der genannten Art bekannt, welche eine Brenn stoffpumpe und eine dem Antrieb dieser Pumpe dienende Luftturbine aufweisen; übli cherweise ist diese Luftturbine eine Turbine mit zweikränziger Geschwindigkeitsstufe, das heisst eine Turbine, bei welcher der ganze Druckabfall im ersten Leitschaufelkranz er folgt. Das Arbeitsmedium ist komprimierte Luft, welche vom Kompressor der Anlage ab gezapft wird; die Abluft der Turbine wird direkt in die Atmosphäre ausgestossen, so dass das Druckverhältnis der Turbine annähernd gleich dem Verhältnis des Druckes der dem Kompressor abgezapften Luft zum Atmosphä rendruck ist.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung einer gegenüber der bekannten ver besserten Brennstoffzufuhreinrichtung zur Zufuhr von Brennstoff zu einer Nachver brennungseinrichtung einer Strahltriebwerk- Gasturbinenanlage. Erfindungsgemäss besitzt die Einrichtung eine durch eine Luftturbine antreibbare Brennstoffpumpe, wobei der Aus lass der Luftturbine über Leitungsmittel, in welchen eine Drosselstelle geschaffen ist, mit der Atmosphäre in Verbindung steht, das Ganze derart,
dass beim Betrieb der Einrich tung das Druckverhältnis der Luftturbine kleiner ist als das Verhältnis des Einlassdruk- kes der Luftturbine zum Atmosphärendruck.
Durch die genannte Kleinhaltung des Druckverhältnisses der Luftturbine kann die Durchbrenndrehzahl der Turbine im Falle eines Versagens der Brennstoffzufuhr be grenzt werden. In gewissen Fällen kann die Anordnung derart sein, dass ein Teil der Energie der abgezapften Luft in der Anlage wieder zurückgewonnen wird.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbei spiel der erfindungsgemässen Einrichtung mündet der Auslass der Luftturbine in das Strahlrohr der Gasturbinenanlage, so dass die Turbinenabluft über die Auslassdüse des Strahlrohres, welche die genannte Drosselstelle bildet, in die Atmosphäre ausgestossen wird.
Bei einem andern Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Brennstoffzufiüireinrich- tung ist der Auslass der Turbine an eine Mehrzahl von Injektordüsen angeschlossen, durch welche die Turbinenabluft in einen Ringraum zwischen der Hauptwand des Strahlrohres der Anlage und einem ylantel dieses Strahlrohres strömt, so dass im genann ten Ringratun ein Luftstrom erzeugt wird,
welcher zur Kühlung des Strahlrohres und eventuell auch zur Kühlung von beweglichen Teilen einer Auslassdüse des Strahlrohres mit veränderlichem Auslassquerschnitt dient.
Bei beiden genannten Beispielen wird die Abluft der Turbine derart in die Atmosphäre ausgestossen, dass nicht nur das Druckverhält nis der Turbine in der genannten Weise klein gehalten, sondern auch die Turbinenabluft nutzbringend verwendet wird.
Die Luftturbine der erfindungsgemässen Brennstoffzufuhreinrichtung ist zweckmässig eine Gleichdruckturbine, das heisst eine Tur bine, in welcher die gesamte Expansion des Arbeitsmediums innerhalb des Bereiches von stationären Leitschaufeln der Turbine auf tritt. Zweckmässig ist die Turbine eine zwei stufige Gleichdruckturbine, das heisst eine Turbine, in welcher ein Teil der Expansion in dem durch die Leitschaufelung der ersten Stufe geschaffenen Kanal und der übrige Teil der Expansion in dem durch die Leitschaufe- lung der zweiten Stufe geschaffenen Kanal er folgt.
Die vorgenannte Ausbildung der Einrich tung bringt gegenüber einer bekannten Ein richtung mit einer Turbine mit zweikränziger Geschwindigkeitsstufe (das heisst Curtis-Tur- bine) bei gleichem Durchmesser und gleichem Expansionsverhältnis den Vorteil eines sich über den grösseren Teil des Drehzahlbereiches der Turbine erstreckenden verbesserten Wir kungsgrades. Um pro Einheit des Massen durchflusses gleiche Leistung zu erhalten wie bei der bekannten Einrichtung, kann eine Tur bine mit kleinerem Expansionsverhältnis ver wendet werden.
Auch die Herstellung solcher Turbinen ist gegenüber der Herstellung der üblicherweise verwendeten Luftturbine ein facher, da deren Laufschaufeln einfachere Form aufweisen; sie besitzen kleinere Profil krümmung und einen grösseren Krümmungs radius an der Vorderkante zufolge der klei neren, bei solchen Turbinen auftretenden Machzahl. Die Verwendung einer solchen zweistufigen Gleichdruckturbine ist auch vor teilhafter als die Verwendung einer ein stufigen Gleichdruckturbine, da bei einem ge gebenen Druckverhältnis der Turbine die Durchbrenndrehzahl erheblich herabgesetzt ist.
In der beiliegenden Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegen standes dargestellt, und zwar in Form von Brennstoffzufuhreinrichtungen an Flugzeug strahltriebwerken, in welchen in den im Strahl rohr strömenden Abgasen- eine Nachverbren nung von Brennstoff erfolgen kann, um den in der Anlage erzeugten Schub gegenüber dem ohne Nachverbrennung erzeugten Schub zu erhöhen. Es zeigt: Fig. 1 ein erstes Beispiel einer Gasturbi nenanlage mit Brennstoffzufuhreinrichtung und Fig. 2 ein zweites Beispiel der Anlage.
' Die in der Zeichnung dargestellten Gas turbinenanlagen besitzen je einen Axialströ- mungskompressor 10 und eine Verbrennungs einrichtung 11, welcher im Betrieb kompri mierte Luft aus dem Kompressor 10 zugeführt wird, während durch eine Brennstoffzufuhr- einrichtung Brennstoff aus einem Flugzeug- Brennstofftank 12 zur Verbrennungseinrich tung gelangt.
Die genannte Brennstoffzufuhr einrichtung der gezeichneten Beispiele besitzt eine Brennstoff-Zuführpumpe 12r, eine Haupt brennstoffpumpe 15 und eine Drossel 13 zur Regelung der Brennstoffzufuhr; der Brenn stoff wird dabei in der Verbrennungseinrich tung mit Luftüberschuss verbrannt. Ferner besitzt die Anlage eine Axialströmungsturbine 14, welcher beim Betrieb der Anlage die hei ssen Verbrennungsprodukte aus der Verbren nungseinrichtung 11 zugeführt werden.
Die Turbine 14 dient dem Antrieb des Kompres- sors 10 und sitzt mit diesem auf einer gemein samen Welle 14a. Ferner besitzt die Gas- turbinenenanlage eine Abgasausla.sseinrich- tung. Diese Auslasseinrichtung besitzt ein Abgasrohr, das eine Aussenwand 16 und eine zu dieser koaxiale, konische Innenwand 17 aufweist, deren Ende grösseren Durchmessers der Turbine zugekehrt ist.
Diese beiden Wände 16, 17 begrenzen einen im Querschnitt ring förmigen Abgaskanal, der vom Turbinenaus lass zum verjüngten Ende der Wand 17 führt. Stromabwärts des Abgasrohres ist .ein Strahl- rohr 18 angeordnet, an das sich eine Schub düse 19 anschliesst. Die Auslass-Querschnitts fläche der Düse 19 ist durch schwenkbare Teile 19a einstellbar.
Während des Normalbetriebes der Anlage, das heisst ohne Nachverbrennung im Strahl rohr 18, dienen die Abgase der Turbine 14 der Erzeugung von Antriebsschub. Die Schub erzeugung wird durch Steuerung der Brenn stoffzufuhr zur Verbrennungseinrichtung 11 mittels der Drossel 13 gesteuert. Bei diesem Normalbetrieb der Anlage sind die Düsenteile 19a so eingestellt, dass die Auslass-Querschnitts fläche der Düse 19 ein Minimum ist.
Unter gewissen Umständen ist es er wünscht, einen grösseren Schub zu erzeugen, als dies bei Normalbetrieb der Anlage bei voll ständig offener Drossel 13 möglich ist. Die ser erhöhte Schub wird durch zusätzliche Ver brennung von Brennstoff im Strahlrohr 18 er zeugt, wobei die Düsenteile 19a in eine Lage verschwenkt sind, in welcher die Düsenauslass- Querschnittsfläche ein Maximum ist.
Um dem Strahlrohr 18 Brennstoff zuzu führen, sind üblicherweise mehrere Haupt brennstoffeinspritzdüsen 20 und eine Hilfs brennstoffeinspritzdüse 21 vorgesehen. Die Hilfsbrennstoffeinspritzdüse wird durch die Brennstoffzufuhreinrichtung der Hauptver brennungseinrichtung gespeist, und zwar bei spielsweise wie gezeigt über eine Zweigleitung 22, welche stromabwärts der Hauptbrenn stoffpumpe 15 angeschlossen ist. In der Zweig leitung 22 sind ein Abstellhahn 23 und ein Rückschlagventil 24 vorgesehen. Die Haupt brennstoffeinspritzdüsen 20 werden aus einem Verteiler 20a gespeist, der über die Zuführ pumpe 12a an den Brennstofftank 12 ange schlossen ist. Der Sammler 20a ist durch eine Leitung 25, in welcher eine Förderpumpe 26 angeordnet ist, an die Hauptbrennstoffein spritzdüsen 20 angeschlossen.
Somit sind die Pumpe 26 und die Zuführpumpe 12a in Serie angeordnet.
Bei der vorliegenden Nachverbrennungs- Brennstoffzuführeinrichtung ist zum Antrieb der Hauptbrennstofförderpumpe 26 eine Luftturbine 17 vorgesehen. Der Einlass der Luftturbine 27 ist durch eine Leitung 28 an den Kompressor 10 angeschlossen, und zwar an eine Anzapfstelle am Kompressorauslassteil. Ein Luftsteuerventil 29 ist in der Leitung 28 vorgesehen, das zur Steuerung der Brenn stoffzufuhr der Pumpe 26 zu den Hauptbrenn stoffeinspritzdüsen 20 dient, wodurch gleich zeitig die Drehzahl der Luftturbine einstell bar ist.
Um das Auftreten einer übermässigen Durchbrenndrehzahl der Luftturbine verhin dern zu können, ist das Druckverhältnis der Luftturbine 27, das heisst das Verhältnis des Luftdruckes am Turbineneinlass zum Luft druck am Turbinenauslass herabgesetzt.
Beim ersten, in Fig. 1 gezeigten Beispiel ist der Turbinenauslass durch eine Luftleitung 30 derart an das Strahlrohr 18 der Anlage an geschlossen, dass die Abluft der Luftturbine 27 längs eines durch die Luftleitung 30, das Strahlrohr 18 und die Schubdüse 19 führen den Strömungsweges in die Atmosphäre ge langt.
Da der Druck innerhalb des Strahl rohres 18 erheblich über dem Atmosphären druck liegt, und da, wenn die Nachverbren- nungseinrichtung in Betrieb ist, in der Schub düse üblicherweise Schallgeschwindigkeit auf tritt, ist das Druckverhältnis in der Turbine 27 bedeutend kleiner als das Verhältnis des Druckes an der Anzapfstelle am Kompressor zum Atmosphärendruck, wodurch die Durch brenudrehzahl der Luftturbine 27 herabge setzt ist.
Bei einer gegebenen Intensität der Nachverbrennung ist. das Verhältnis des statischen Druckes im Strahlrohr zum Förder- druck des Kompressors annähernd konstant, und somit ist auch das Druckverhältnis der Luftturbine annähernd konstant.
Die Leitung 30 führt zu einem Verteiler 31, welcher das Strahlrohr 18 umgibt. Die den Verteiler 31 verlassende Luft strömt durch Öffnungen 32, die in gleichen Abständen von einander rund um das Strahlrohr 18 ange ordnet sind, in das Innere des Strahlrohres und trägt dabei gleichzeitig zur Kühlung der Strahlrohrwand bei.
Bei dem in Fig.\2 gezeigten zweiten Bei spiel besitzt das Strahlrohr 18 einen zwei- wandigen Teil. Die Wand 18a begrenzt den Abgaskanal von der Turbine 14 her und endet in einem Düsenteil 19b, der die maximale Aus lassquerschnittsfläche der Schubdüse 19 be stimmt. Die Wand 18b erstreckt sich von einem Flansch 18c, in welchem ein Kranz von Lufteinlässen 18d gebildet sind. Diese Einlässe münden in einen Ringraum 18e, der sich längs des Strahlrohres 18 bis zur Schubdüse 19 er streckt. Die Düsenteile 19a sind in diesem Fall hohl und mit Durchlässen 19c versehen.
Die Durchlässe 19c verbinden den Ringraum 18e durch die zwischen der Wand 18b und den stromaufwärtsliegenden Enden der Düsenteile 19a geschaffenen Öffnungen mit den Ausläs- sen 19d in den stromabwärtsliegenden Enden der Düsenteile 19a, wenn die letzteren die der minimalen Auslassquerschnittsfläche der Düse 19 entsprechende Lage einnehmen (strich punktiert gezeichnet). In diesem Fall wird durch den Abgasstrahl im Raum 18e von den Lufteinlässen 18d bis zu den Auslässen 19d der Durchlässe 19c ein Kühlluftstrom erzeugt. Bei diesem Beispiel strömt die Abluft der Luftturbine 27 durch die Leitung 30 und gelangt in den Verteiler 33, der bei den Luft einlässen 18d das Strahlrohr 18 umgibt.
Am Verteiler 33 ist eine Mehrzahl von Düsen 34 vorgesehen, die vom Verteiler wegragen und durch welche die Abluft in die Einlässe 18d gelangt. Dadurch wird Kühlluft von der Aussenseite des Strahlrohres in den Raum 18e gesaugt. Die Abluft der Luftturbine 27 wird somit zur Kühlung des Strahlrohres 18 und der Schubdüsenteile 19a herangezogen. Die Anordnung ist zweckmässig derart, dass beim Betrieb der Nachverbrennungseinrichtung in den Düsen 34 Schallgeschwindigkeit auftritt.
Es versteht sich, dass auch in diesem Fall das Druckverhältnis der Turbine und damit auch die Durchbrenndrehzahl der Turbine herabgesetzt sind; wenn ferner das Druckver hältnis in den Düsen 34 gleich oder über jenem Wert ist, bei welchem Schallgeschwindigkeit auftritt, so ist das Druckverhältnis der Luft turbine konstant, weil auch der Enddruck des Kompressors mit dem Umgebungsdruck an nähernd proportional ändert.
Es kann auch zweckmässig sein, die Düsen 34 zur Erzeugung der Kühlwirkung am Strahlrohr 18 und an der Schubdüse 19 zu verwenden, wenn die Nachverbrennungseim- richtung ausser Betrieb ist, das heisst wenn die Luftturbine 27 nicht arbeitet. In diesem Fall ist zwischen dem Steuerventil 29 und der Luftturbine 27. in der Leitung 28 zweckmässig ein Zweiwegventil vorgesehen sowie eine vom Zweiwegventil zur Leitung 30 führende, eine Drosselstelle aufweisende Leitung, so dass die Luftturbine 28 überbrückt werden kann.
Auf diese Weise ist die Kühlung des Strahlrohres 18 und der Schubdüse 19 mittels der Wirluing der Düsen 34 durch entsprechendes Einstellen des Zweiwegventils in beiden Fällen möglich, das heisst sowohl wenn die Nachverbrennung in Betrieb ist als auch wenn sie ausser Betrieb ist.
Aus Fig.1 geht hervor, dass die Luft turbine 27 eine zweistufige Turbine ist, und es ist besonders vorteilhaft, eine zweistufige Gleichdruckturbine zu verwenden, da der Wir kungsgrad dieser Turbine grösser und ihre Herstellung einfacher ist, als bei einer Tur bine mit zweikränziger Geschwindigkeitsstufe, wie sie bisher. üblich war.