CH708180B1 - Gasturbinenmotor mit zwei Brennkammern und einem Umleitungskanal. - Google Patents

Abstract

Gasturbinenmotor bestehend aus einer Welle (20), auf welcher die Kompressoren (4) und (5), die Turbinen (6) und (7) in Reihe angeordnet sind. Die Hochdruckbrennkammer (11) ist zwischen dem Kompressor (5) und der Turbine (6) angeordnet. Der Umleitungskanal (16) für einen Teil des Arbeitsmediums verbindet den Ausgang des Kompressors (4) mit dem Eingang der Turbine (7) über die Niederdruckbrennkammer (12). Die Umverteilung des Arbeitsmediums durch den Kanal (16) erfolgt ungehindert.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen Gasturbinenmotor nach dem

Oberbegriff des Anspruches 1.

[0002] Die Erfindung ist für Gasturbinenmotoren mit einer kontinuierlichen Verbrennung in einem Hochgeschwindigkeitsgasstrom nach dem offenen Schema mit hochenergetischen Gasturbinenbrennstoffen einsetzbar. Sie kann in Verkehrsanlagen, zum Beispiel in Luft- und Energieanlagen, sowie auch als Antrieb in Gasverdichteraggregaten verwendet werden.

[0003] Bekannt ist eine Kraftanlage für die Erzeugung von Elektroenergie mit einer Kohlevergasung unter Druck nach der Patenturkunde US 4 199 933. In dieser Anlage strömt Heissgas, das eine weitere Verbrennung erfordert, aus einem Gaserzeuger gleichzeitig auf eine Hochdruckturbine sowie auch vorbei an dieser in eine Niederdruckbrennkammer und weiter in eine Niederdruckturbine mit einem folgenden Ausgang in die Atmosphäre ein. Ein solches Nachverbrennungsverfahren von Heizgas ist nur für ein heizschwaches Gas geeignet, das zum Beispiel in einem Gaserzeuger durch eine Kohlevergasung unter Druck entsteht.

[0004] Bekannt ist auch die Patenturkunde US 5 103 630. Brennstoff wird im Voraus in Sauerstoffmangelbedingungen in einer Hochdruckbrennkammer mit einem folgenden Durchlass durch eine Turbinenstufe und weiter mit einer Gasnachverbrennung in einer Niederdruckbrennkammer mit einer folgenden Arbeit in der Turbinenstufe und dem Ausgang in die Atmosphäre verbrannt.

[0005] Dieses Verbrennungsverfahren von Brennstoffen ist auch nur für heizschwache Brennstoffe geeignet. Für eine volle Nachverbrennung von Brennstoff mit hochenergetischen Brennstoffen sind viele Druckstufen zusätzlicher Luftzuführung erforderlich, so lange, bis der Massenbrennstoffverbrauch weniger als 5% vom Gesamtverbrauch des Arbeitskörpers am Ausgang aus dem Gasturbinenmotor ist, oder es wird eine Wasserzuleitung in die Brennkammern erforderlich.

[0006] Bekannt ist auch eine Anlage für eine Brennstoffverbrennung in einem Gasturbinenmotor nach der Patenturkunde GB 2 288 640. Dieser Gasturbinenmotor ist mit vier aufeinanderfolgenden Erzeugern sowie vier aufeinanderfolgenden Turbinen versehen. Es ist angeboten, in die Brennkammer dieses Gasturbinenmotors zweimal weniger Luft einzuführen, als es für eine Vollverbrennung des Brennstoffs notwendig ist. Und weiter, stromabwärts, ist angeboten, eine stufige Nachverbrennung des Brennstoffs bei der Arbeit eines Arbeitskörpers in den Turbinenstufen durchzuführen. Es ist hier zu bemerken, dass bei Verwendung von gewöhnlichen hochenergetischen Gasturbinenbrennstoffen die Gastemperatur vor der ersten Turbinenstufe unzulässig hoch wird, da die unverbrannte Hälfte des Brennstoffs die Temperatur der Verbrennungsprodukte auf einen zulässigen Wert nicht senken kann.

[0007] Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Gasturbinenmotor zu schaffen, der eine maximal vollständige stufige Verbrennung hochenergetischer Brennstoffe und Luftsauerstoff erreicht. Es ist dabei vorgesehen, dass gewöhnliche Verbrennungsprodukte hochenergetischer Brennstoffe, bei denen zum Beispiel die Sauerstoffüberschusszahl bei ca. 3 liegt, nach der ersten Hochdruckturbinenstufe mit einem zusätzlichen parallelen Umleitungsstrom eines in Sauerstoffmangelbedingungen in einer Niederdruckbrennkammer teilweise verbrannten Brennstoffs zu mischen. Nach dieser Mischung und einer Nachverbrennungsreaktion des unverbrannten Brennstoffs erhöht sich die Temperatur des Arbeitskörperstroms wieder um einen erforderlichen Wert, zum Beispiel auf 1200 K. Nach der Arbeit in der zweiten Turbinenstufe wird wieder dieselbe Mischungs- und Nachverbrennungsprozedur vor der dritten Turbinenstufe angeboten.

[0008] Durch einen solchen Motoraufbau mindert sich der Grad des Sauerstoffüberschusses im Arbeitskörper eines Motors kontinuierlich von einer Stufe zu der anderen. Die Sauerstoffüberschusszahl kann zum Beispiel nach der vierten Turbinenstufe bei 1 liegen, das heisst, fast der ganze Luftsauerstoff verbrennt. Dann ist dieser Strom des Arbeitskörpers mit einem zusätzlichen stöchiometrischen Umleitungsstrom des Arbeitskörpers mit entsprechendem Druck und Temperatur aus einer entsprechenden Niederdruckbrennkammer zu mischen. Als Ergebnis bleibt die Stromtemperatur des Arbeitskörpers auch vor der letzten fünften Turbinenstufe auf einem hohen Niveau erhalten. Infolge der fünfmaligen Wärmezuführung zum Arbeitskörper beträgt der Motorwirkungsgrad ca. 80%. Die Temperatur von Abgasen steigt zum Beispiel auf 1000 K. Dabei erhöht sich die Motorleistung pro Gewichtseinheit. Es wird zur Erzeugung von parallelen Luftströmen mit entsprechendem Druck ein Einsatz von entsprechenden Verdichterstufen mit entsprechendem Massenluftverbrauch vorgesehen. Der Massenverbrauch der zusätzlichen parallelen Umleitungsströme des Arbeitskörpers kann zum Beispiel einige Prozente vom Hauptstrom des Arbeitskörpers betragen. Dabei werden Voraussetzungen zu einer ungehinderten Umverteilung von Momentaufwendungen des Arbeitskörpers zwischen dem Hauptstrom und dem zusätzlichen Strom geschaffen. Das macht den Verbrennungsverlauf in den Brennkammern im Unterschied zu bekannten Gasturbinenmotoren mit einer Zwischenerwärmung des Arbeitskörpers bei der Verbrennung von hochenergetischen Brennstoffen zuverlässig und schwingungsfrei. In Fig. 1 sind drei mögliche Varianten der konkreten Anordnung einer Niederdruckbrennkammer gezeigt. Alle drei Varianten verfügen über die Voraussetzungen zur ungehinderten Umverteilung von Momentaufwendungen des Arbeitskörpers zwischen dem Hauptstrom des Arbeitskörpers und dem zusätzlichen Umleitungsstrom, was die Möglichkeit zum Auftreten von Schwingungsverbrennung in den Brennkammern eines Motors vermeidet. Es ist vorgesehen, als hochenergetische Brennstoffe entsprechende Erdölprodukte - flüssige Gas- und Flugturbinenkraftstoffe, Flüssiggas, Erd- oder Schiefergas - zu verwenden. Die Verbrennungswärme solcher Brennstoffe beträgt über 43 000 kJ/kg.

[0009] Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen an Ausführungsbeispielen der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 das Schema eines Gasturbinenmotors zur Kraftstromerzeugung mit verschiedenen Varianten der Umleitung eines Teils des Arbeitskörpers in den Turbinenstufen unter entsprechendem Druck und

Fig. 2 das Schema eines Unterschall-Turboflugtriebwerks mit einer Zwischenerwärmung des Arbeitskörpers.

[0010] Ein Gasturbinenmotor zur Kraftstromerzeugung nach Fig. 1 ist mit Kompressoren 1, 2, 3, 4, 5 und Turbinen 6, 7, 8, 9,10 versehen. Eine Hochdruckbrennkammer 12 ist zwischen dem Hochdruckkompressor 5 und der Hochdruckturbine 6 angeordnet.

[0011] Der Eingang einer Niederdruckbrennkammer 11 ist an den Ausgang des Kompressors 4 und ihr Ausgang an die Turbinenstufe 7 angeschlossen. Der Ausgang einer Niederdruckbrennkammer 11 und der Ausgang eines Kompressors 3 sind zusammen an den Eingang der Turbinenstufe 8 angeschlossen, und der Eingang dieser Kammer 11 ist mit dem Ausgang der Turbinenstufe 7 verbunden. Der Ausgang einer Niederdruckbrennkammer 14 ist an den Eingang der Turbine 9 und ihr Eingang an den Ausgang des Kompressors 2 und an den Ausgang der Turbine 8 angeschlossen. Der Eingang einer Niederdruckbrennkammer 15 ist an den Ausgang des Kompressors 1 und ihr Ausgang an den Eingang der Turbinenstufe 10 mit entsprechendem Druck angeschlossen. Umleitungsluftleitungen 16, 17, 18, 19 können in Form von Ringkanälen ausgeführt oder in einige parallele Kanäle mit eigenen Niederdruckbrennkammern aufgeteilt sein. Eine Motorwelle 20 ist mit einem Stromerzeuger 21 verbunden. In der Hochdruckbrennkammer 11 befinden sich Einspritzdüsen zur Versorgung mit hochenergetischen Gasturbinenbrennstoffen. Jede der Niederdruckbrennkammern 12,13,14 und 15 hat Einspritzdüsen für eine Brennstoffzufuhr zur Verbrennung der Brennstoffe in diesen Kammern. Die Brennkammern 11, 12 und 15 sind auch mit Flammenanzündern versehen.

[0012] Der Motor funktioniert auf folgende Weise:

Am Ausgang aus der Hochdruckbrennkammer 11 haben Heissgase nach dem Motorstart eine Temperatur, die für eine kontinuierliche Dauerarbeit des Motors nicht gefährlich ist. Dabei ist aber die Luftüberschusszahl - ca. 3 - hoch. Deshalb läuft die Luft durch eine Umleitungsluftleitung 16 in die Niederdruckbrennkammer 12 ein, zum Beispiel etwa 4% im Verhältnis zum Hauptstrom, der kontinuierlich durch den Hochdruckkompressor 5 läuft. Dann ist es möglich, in der Brennkammer 12 die Verbrennung von hochenergetischen Brennstoffen unter Sauerstoffmangelbedingungen zu gewährleisten. Nach dem Ausgang aus der Niederdruckbrennkammer 12 vermischt sich der nicht vollständig verbrannte Brennstoff mit dem in der Hochdruckturbine 6 verbrauchten Arbeitskörper, der einen guten Sauerstoffüberschuss hat. Dann erfolgt eine Nachverbrennung des Brennstoffs in dem Nachverbrennungskanal 12A. Zum Eingang der Turbine 7 läuft ein Arbeitskörper mit einer weiter gestiegenen Temperatur. Dabei tritt eine technische Wirkung in Erscheinung, die bei Motoren, die eine stufige Nachverbrennung von heizschwachen Brennstoffen unter Sauerstoffmangelbedingungen anwenden, nicht festgestellt werden kann. Und zwar, die Niederdruckbrennkammer 12 erhöht die Temperatur des Arbeitskörpers hinter der Hochdruckturbinenstufe 6, das heisst, die in dieser Hinsicht als Brennkammer funktioniert, die folgegemäss an die Hochdruckbrennkammer 11 angeschlossen ist. Zugleich erfolgt die Umverteilung von Momentaufwendungen des Arbeitskörpers zwischen den genannten Kammern analog zu den parallel arbeitenden Brennkammern. Dadurch werden Selbstschwingungen bei der Verbrennung von Brennstoffen in einigen Brennkammern beseitigt. Die Anwendung des genannten technischen Effekts bei Gasturbinenmotoren, bei denen hochenergetische Brennstoffe verwendet werden, ermöglicht es, ihren Wirkungsgrad auf 80% zu erhöhen. In der Niederdruckbrennkammer 13 verläuft die Brennstoffverbrennung in einem Medium, in dem ein wesentlicher Teil von Sauerstoff schon verbrannt ist. Die Luft, die durch eine Luftleitung 17 einläuft, fördert die Stabilisierung des Verbrennungsprozesses. In den Eingang der Niederdruckbrennkammer 14 läuft frische Luft durch eine Luftleitung 18 ein. Zusammen mit dem eintretenden Brennstoff bildet sie einen zentralen Teil der Fackel (der Flamme) im Inneren der Kammer 14. Der Hauptteil des Arbeitskörpers läuft näher zu den Wänden der Brennkammer 14. Der in der Turbinenstufe 9 verbrauchte Arbeitskörper enthält schon so gut wie keinen unverbrannten Sauerstoff mehr. Es wird daher in der Niederdruckbrennkammer 15 eine stöchiometrische Verbrennung von Brennstoff und einer durch eine Luftleitung 19 einlaufenden Luft durchgeführt. Dementsprechend wird der Luftverbrauch für die Luftleitung 19 bestimmt. Der Nennbetrieb des Motors erfolgt bei einer Normtemperatur von Gasen am Eingang in die Turbinenstufen. Die Leistung ist durch die Temperatursenkung des Arbeitskörpers erst vor der letzten Turbinenstufe 10, danach vor der vorletzten Stufe und so weiter, bei einer stabilen Drehzahl einer Welle 20 reduziert. Es sind auch mehrere weitere Ausführungsvarianten der Erfindung möglich. Die Niederdruckbrennkammern 13 und 14 können zum Beispiel analog zur Brennkammer 12 ausgeführt und angeschlossen sein. Die Brennkammer 15 kann auch bei Luftsauerstoffmangelbedingungen arbeiten. Statt der letzten Turbinenstufe 10 und eines Elektrizitätserzeugers 21 kann eine Freiturbinenstufe mit eigener Belastung eingesetzt sein.

[0013] Ein zweiwelliger Unterschall-Flugzeugmotor hat auf einer Welle 22 einen mehrstufigen Hochdruckkompressor 23 und auch eine einstufige Hochdruckturbine 24. Auf einer anderen Welle 25 ist ein mehrstufiger Niederdruckkompressor 26 mit einem Lüfterrad 27 angeordnet. Auf derselben Welle sind fünf Niederdruckturbinenstufen 28 angeordnet. Der Motor hat auch eine Hochdruckbrennkammer 29, eine Niederdruckbrennkammer 30 und einen Umleitungsluftkanal 31. Am Eingang und Ausgang eines Ringkanals 31 sind automatische Flügel 32 und 33 entsprechend befestigt. Zahlreiche Flügel 32 und 33 sind gleichmässig am Umfang des Querschnitts des Kanals 31 verteilt, entsprechend dem Schema befestigt und haben die Möglichkeit, einen Luftstrom nur in einer Richtung - vom Kompressor zur Turbine - durchzulassen. Bei einem Rücklaufversuch des Luftstroms schliessen diese Flügel den Kanal 31 selbständig zu.

[0014] Beide Brennkammern 29 und 30 sind mit Einspritzdüsen für die Zuführung des Flugpetroleums und mit Flammenanzündern versehen. Der Motor ist für einen maximal berechneten Betrieb bei einem Flug in 11 000 Metern Höhe und bei einer Fluggeschwindigkeit von 0,8 Mach entworfen und ausgeführt, was sich von einer üblichen Entwicklung bzw. Projektierung von Unterschallmotoren unterscheidet, bei denen der maximale Betrieb ausgehend von Bodenstartbedingungen bestimmt ist.

[0015] Der Motor wird auf folgende Weise betrieben:

Bei einem Flugplatzabflug wird zuerst eine Hochdruckbrennkammer 29 angelassen. Flügel 32 und 33 verhindern die Bewegung des Arbeitskörpers in Richtung von der Turbine zum Kompressor. Die Wellenumdrehungen 25 sind stark reduziert. Dann wird die Niederdruckbrennkammer 30 angelassen, und die Umdrehungen eines Niederdruckkompressors 26 sind erhöht. Jetzt wird nicht die ganze Luft durch einen Hochdruckkompressor 23 entnommen. Die Flügel 32 und 33 öffnen sich selbständig, ein bestimmter Teil der Luft läuft durch den Umleitungskanal 31, wodurch der Brennverlauf in der Niederdruckbrennkammer 30 stabilisiert wird. Die Temperatur von Heizgasen am Ausgang aus den Brennkammern 29 und 30 wird beim Abflug nicht auf dem höchsten Niveau erhalten. Folglich werden die Turbinenschaufeln nicht überhitzt, die angeführten Umdrehungen der Kompressoren 26 und 23 sind reduziert. Dies ermöglicht, den Flugwirkungsgrad beim Abflug zu erhöhen, die Metallfestigkeit der Turbinenschaufeln in grösserem Umfang auszunutzen und den Motor mit einem Hochbypass auszuführen. Mit der Flughöhenzunahme nehmen die Temperatur und die Luftdichte am Motoreingang ab. Dabei wird die Temperatur der Heissgase am Ausgang der Brennkammern 29 und 30 erhöht und dadurch der Brennstoffverbrauch geregelt, da die Temperatur der zur Turbinenabkühlung vorgesehen Kompressorluft auch sinkt. Und erst in einer Höhe von 11 000 Metern bei einer Temperatur am Motoreingang, wie zum Beispiel 244 K, wird der Motor in den maximal berechneten Betrieb gebracht. Dies erlaubt, einen Flugmotor mit einer hohen Kraftreserve beim Flug zu entwickeln und damit die Flugsicherheit zu erhöhen. Es ist vorgesehen, den Motorbetrieb durch eine Temperaturabnahme der Gase am Ausgang der Niederdruckbrennkammern 30 zu reduzieren. Weiterhin ist vorgesehen, die konstante Temperatur des Arbeitskörpers vor der Hochdruckturbinenstufe 24 in einem breiten Schubbereich unveränderlich zu halten. Dies soll für ein zuverlässiges Brennen in der Brennkammer 30 sorgen. Eine Brennstoffeinsparung wird durch eine Erhöhung des Wärme- und Flugwirkungsgrads erreicht.

[0016] Bei Ausführungsvarianten können Spritzdüsen zur Brennstoffversorgung im Kanal 31 eingerichtet werden. In dem Motor kann auch ein Getriebe verwendet werden.

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Gasturbinenmotor mit zwei Brennkammern und einem Umleitungskanal mit mindestens einem Niederdruckkompressor (4), einem Hochdruckkompressor (5) und einer Hochdruckturbine (6), einer zwischen diesen angeordneten Hochdruckbrennkammer (11), einer Treibstoffförderanlage, einer Niederdruckbrennkammer (12) mit einer Treibstoffförderanlage sowie einem Umleitungskanal (16) für eines Teils des Arbeitsmediums, welcher vom Ausgang des Niederdruckkompressors (4) an dem Hochdruckkompressor (5), der Hochdruckbrennkammer (11), der Hochdruckturbine (6) vorbei, an den Eingang der Niederdruckbrennkammer (12) führt, und der Ausgang dieser Kammer an den Eingang einer Niederdruckturbine (7) angeschlossen ist, wodurch eine Strömungsumverteilung zwischen einer Hauptströmung des Arbeitsmediums und einer zusätzlichen Strömung durch den Umleitungskanal (16) erreicht wird, wobei die genannten Kompressoren (4, 5) und die Turbinen (6, 7) an einer Welle (20) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die erwähnte Umverteilung der Arbeitsmediumströmung zwischen einer Hauptströmung und einer zusätzlichen Umleitung ungehindert erfolgen kann.