Verfahren zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades bei mit strömenden
Medien arbeitenden Wärmekraftmaschinen Bei. Gasturbinentriebwerken, die in der Hauptsache
aus einem Verdichter, einer Brennkammer und einer Turbine bestehen, wird bekanntlich
die gesamte für den Prozeß benötigte Luft im Läufer des Verdichters beschleunigt
und anschließend die Geschwindigkeitsenergie derselben mit Hilfe von Leitschaufeln
in Druckenergie umgewandelt. Ein Teil der vorverdichteten Luft wird als Verbrennungsluft
der nachfolgenden Brennkammer zugeleitet, in der das Volumen des Arbeitsmittels
durch Wärmezufuhr vergrößert ,wird. Dadurch ergibt sich in der Turbine ein Arbeitsüberschuß.
Der andere Teil der vorverdichteten Luft wird nach dem Diffusor abgezweigt und bildet
einen Kühlluftstrom, der vor der Turbine den heißen Verbrennungsgasen zum Zwecke
der Kühlung beigemischt wird.Method for improving the overall efficiency of with flowing
Media working heat engines. Gas turbine engines, in the main
consist of a compressor, a combustion chamber and a turbine is known
accelerates all of the air required for the process in the rotor of the compressor
and then the velocity energy of the same with the help of guide vanes
converted into pressure energy. Part of the pre-compressed air is used as combustion air
the subsequent combustion chamber, in which the volume of the working medium
is enlarged by the supply of heat. This results in a surplus of work in the turbine.
The other part of the pre-compressed air is branched off after the diffuser and forms
a cooling air flow, which is in front of the turbine for the purpose of the hot combustion gases
is added to the cooling.
Der geschilderte Prozeß findet nicht nur bei Gasturbinentrieb`verken
mit Gleichdruckverbrennung Verwendung, sondern auch in den Fällen, in denen die
Verbrennung von einer Drucksteigerung begleitet ist, also bei Gasturbinentriebwerken
mit Schleusen-oder Pulsobrennkammern. Soweit die Verbrennungsgase in der Brennkammer
zeitweilig auf einen höheren Druck kommen, entspannen sie sich vor ihrer Vermischung
mit der abgezweigten Kühlluft auf den Druck der letzteren, wobei Druckenergie in
Geschwindigkeitsenergie umgesetzt wird. Die Vermischung der @"crbrennungsgase mit
der Kühlluft geht unter Verlusten in Form einer Umwandlung eines Teiles der Geschwindigkeitsenergie
in Wärme vor sich. Theoretische Untersuchungen haben ergeben, daß diese Verluste
um so größer sind, je stärker sich die Geschwindigkeiten der beiden zu mischenden
Ströme unterscheiden. Deshalb sollte die Kühlluft mit möglichst hohen Geschwindigkeiten
in die Mischstrecke eintreten. Es ist daher sinnlos, die Kühlluft nach ihrem Austritt
aus dem Verdichter laufend unter entsprechenden Verlusten zu vergrößern, da sie
kurz darauf wieder beschleunigt werden muß. Besonders nachteilig, d. h. ven-lustreich,
wirkt sich diese Maßnahme bei Gasturbinen mit Radialverdichtern aus, da der Anteil
der kinetischen Energie in bezug auf die Gesamtenergie der Luft verhältnismäßig
groß ist. Es ist also Hauptaufgabe der Erfindung, gerade bei Gasturbinen, dieRadialverdichterbesitzen,
durchgeeignete Maßnahmen diese Strömungsverluste zu vermeiden und dadurch den Gesamtwirkungsgrad
einer solchen Gasturbine zu verbessern.The process described does not only apply to gas turbine engines
with constant pressure combustion use, but also in those cases where the
Combustion is accompanied by an increase in pressure, so in gas turbine engines
with lock or pulse combustion chambers. So much for the combustion gases in the combustion chamber
Occasionally come to a higher pressure, relax before they mix
with the diverted cooling air to the pressure of the latter, with pressure energy in
Velocity energy is implemented. The mixing of the combustion gases with
the cooling air is lost in the form of a conversion of part of the speed energy
in warmth in front of you. Theoretical studies have shown that these losses
the greater, the stronger the speeds of the two to be mixed
Distinguish currents. Therefore, the cooling air should travel at the highest possible speed
enter the mixing section. It is therefore pointless to leave the cooling air after it has emerged
from the compressor to increase continuously with corresponding losses, since they
must be accelerated again shortly afterwards. Particularly disadvantageous, d. H. ven-lustreich,
this measure has an effect on gas turbines with centrifugal compressors, since the proportion
kinetic energy in relation to the total energy of the air
is great. It is therefore the main object of the invention, especially in the case of gas turbines that have radial compressors,
suitable measures to avoid these flow losses and thereby the overall efficiency
to improve such a gas turbine.
Weitere Verluste entstehen außerdem auch dann, wie aus entsprechenden
Untersuchungen bekannt ist, wenn die Turbine von Arbeitsgasen mit stark veränderlicher
Geschwindigkeit beaufschlagt wird. Zwar ergibt die Mischung der stoßweise aus einer
intermittierend arbeitenden Brennkammer austretenden Verbrennungsgase mit der stetig
strömenden Kühlluft an sich schon eine gleichmäßigere Beaufschlagung der Turbine.
Es ist daher weiter Aufgabe der Erfindung, in dieser Hinsicht durch geeignete Führung
des Mischvorganges noch günstigere Arbeitsverhältnisse zu schaffen.Further losses also arise then, as from corresponding ones
Investigations is known when the turbine of working gases with highly variable
Speed is applied. It is true that the mix results in intermittent one
intermittently working combustion chamber escaping combustion gases with the steadily
flowing cooling air in itself a more uniform application of the turbine.
It is therefore a further object of the invention to provide appropriate guidance in this regard
of the mixing process to create even more favorable working conditions.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe, den Gesamtwirkungsgrad für Gasturbinentriebwerke
zu verbessern, die als Gaserzeuger insbesondere Pulsobrennkammern besitzen, bei
denen die gesamte angesaugte Luft in einem Radialverdichter, bestehend aus Laufrad
und Diffusor, vorverdichtet und ferner ein Teil der vorverdichteten Luft vor der
Verbrennung abgezweigt und den Verbrennungsgasen vor Eintritt in die Turbine zum
Zwecke deren Kühlung beigemischt wird, wird von der Erfindung vorgeschlagen, die
Abzweigung des zur Kühlung der heißen Verbrennungsgase bestimmten Anteiles der vorverdichteten
Luft nach dem Verdichterlaufrad vor der im Diffusor vor sich gehenden Umwandlung
der kinetischen Energie des zur Verbrennung bestimmten Anteiles in Druckenergie
vorzunehmen, d. h., der Anteil der Luft, der zur Beimischung zu den heißen Arbeitsgasen
vor Eintritt in die Turbinen beschaufelung bestimmt ist, wird nach dem Verdichterrotor
und vor dem Eintritt der restlichen Luft in die Verdichterleitbeschaufelung entnommen.To solve the task at hand, the overall efficiency for gas turbine engines
to improve, which as gas generators in particular have pulse combustion chambers
which all the air sucked in in a centrifugal compressor, consisting of an impeller
and diffuser, pre-compressed and also a part of the pre-compressed air in front of the
Combustion branched off and the combustion gases before entering the turbine for
Purposes of which cooling is added, is proposed by the invention that
Branch of the portion of the pre-compressed gas intended for cooling the hot combustion gases
Air after the compressor impeller before the conversion taking place in the diffuser
the kinetic energy of the portion intended for combustion in pressure energy
to undertake, d. That is, the proportion of air that is admixed with the hot working gases
before entering the turbine blading is determined, is after the compressor rotor
and taken before the remaining air enters the compressor guide vanes.
Ferner wird im Rahmen der Erfindung vorgeschlagen, den zur Kühlung
bestimmten Anteil der Luft vor der Wiedervereinigung mit den heißen Verbrennungsgasen
noch zu beschleunigen, d. h. seine Geschwindigkeit zu steigern bzw. seine Geschwindigkeit
der Geschwindigkeit der heißen Brenngase möglichst anzugleichen, um den Mischvorgang
günstiger zu gestalten.
Weiterhin wird bei Gasturbinentrieb"verken,
die als Gaserzeuger eine Pulsobrennkammer besitzen, vorgeschlagen, den Ausgleich
der Druck- und Geschwindigkeitsunterschiedre der beiden zu mischenden Arbeitsmittel
nach ihrer Vereinigung durch eine kanalartig begrenzte Strecke herbeizuführen, deren
Länge und Formgebung den beiden Medien ausreichende Möglichkeiten gibt, ihre Energien,
Temperatur-, Geschwindigkeits- und Druckunterschiede auf ein für eine nachfolgende
Arbeitsabgabe in einer Turbomaschine erträgliches Maß auszugleichen. Dabei kann
der Ausgleich der Druck- und Geschwindigkeitsunterschiede der beiden Medien in einer
Umlaufstrecke erfolgen, in der das einzelne Teilchen des Arbeitsmittels in einem
oder mehreren Umläufen der wiederholten Einwirkung des frisch in die Umlaufstrecke
eintretenden Mediums ausgesetzt ist ehe dieses die Umlaufstrecke verläßt. Auch kann
die Kanallänge der Umlaufstrecke auf die jeweils herrschenden Strömungsgeschwindigkeiten
und auf die Schwankungsfrequenzen der Drücke und Geschwindigkeiten zur Herbeiführung
eines verbesserten Ausgleiches der Ungleichmäßigkeiten in der Strömung abgestimmt
sein. Es wurde zwar schon vorgeschlagen, die Mischeinrichtungen so zu gestalten,
daß an der Mischstelle der Abgase mit der die Brennkammer umfließenden Luft keine
Druckverluste entstehen. Es handelt sich jedoch hierbei um Mischeinrichtungen, vor
allem zum Zwecke einer Temperaturangleichung zwischen den bei-den Medien, der Kühlluft
und den Verbrennungsgasen. Eine Beeinflussung der Medien selbst durch Beschleunigung
und Verzögerung derselben oder durch Einwirkungen infolge verschiedener Kanallängen
im Sinne der Erfindung findet dabei nicht statt.It is also proposed in the context of the invention, the cooling
certain proportion of the air before it reunites with the hot combustion gases
still to accelerate, d. H. to increase its speed or its speed
to match the speed of the hot fuel gases as much as possible in order to ensure the mixing process
to make cheaper.
Furthermore, in the case of gas turbine engines, "verken,
which have a pulse combustion chamber as a gas generator, proposed the compensation
the difference in pressure and speed between the two working fluids to be mixed
to bring about after their union by a channel-like limited route, whose
Length and shape gives the two media sufficient opportunities to express their energies,
Temperature, speed and pressure differences on one for a subsequent one
To compensate for a tolerable level of work tax in a turbo machine. Here can
the compensation of the pressure and speed differences of the two media in one
Circulation path take place in which the individual particle of the working medium in one
or several rounds of repeated action of the fresh in the orbit path
is exposed to the incoming medium before it leaves the circulation path. Also can
the channel length of the circulation route to the respective prevailing flow velocities
and the fluctuation frequencies of the pressures and velocities for inducing them
an improved compensation of the irregularities in the flow
be. It has already been proposed to design the mixing devices in such a way that
that at the mixing point of the exhaust gases with the air flowing around the combustion chamber none
Pressure losses arise. However, these are mixing devices, before
especially for the purpose of a temperature equalization between the two media, the cooling air
and the combustion gases. Influencing the media itself through acceleration
and delay of the same or due to effects as a result of different channel lengths
in the sense of the invention does not take place.
In der Zeichnung ist an Hand eines Ausführungsbeispiels die Erfindung
dargestellt, und zwar zeigt die Zeichnung einen Längsschnitt durch ein Gasturbinentriebwerk.In the drawing, the invention is based on an exemplary embodiment
shown, namely the drawing shows a longitudinal section through a gas turbine engine.
Der im Verdichterrotor 1 vorverdichtete und auf Geschwindigkeit gebrachte
Luftstrom teilt sich im Ringraum 2 in zwei Ströme, wobei der eine Teilstrom h die
Verbrennungsluft und der Teilstrom K die Kühlluft darstellt. Die Verbrennungsluft
h wird im Verzögerungsgitter 3 in Form von Leitschaufeln verzögert und dabei auf
noch höheren Druck gebracht. Anschließend wird der Verbrennungsluft y' im Pulsrohr
4, das mit dem Verzögerungsgitter über einen Kanal s in Verbindung steht, durch
Verbrennung Wärme zugeführt. Die Brenngase h' strömen durch den Kanal s in den hier
als Ringraum dargestellten Mischraum 6, in dem sie sich mit dem Kühlluftstrom K
vereinigen, wodurch die Temperatur der Verbrennungsgase lt' auf ein für die Turbinenstatorbeschaufelung
7 und Rotorbeschaufelung 8 erträgliches Maß gesenkt wird. Außerdem findet im Mischraum
6, der räumlich mit dem Verteilerraum 2 in Verbindung steht, der Energieaustausch
zwischen den beiden Arbeitsmitteln, der Verbrennungsgase V' und der Kühlluft K,
statt, wie bereits eingangs der Beschreibung näher erläutert `wurde, Der Kanal 5
ist vorzugsweise ringförmig geführt, derart, daß er auf einer zur Turbinenlängsachse
konzentrischen Kegelfläche aufgewickelt ist.The pre-compressed in the compressor rotor 1 and brought up to speed
The air flow divides into two flows in the annular space 2, one partial flow h the
Combustion air and the partial flow K represents the cooling air. The combustion air
h is retarded in the retardation grid 3 in the form of guide vanes and thereby on
brought even higher pressure. Then the combustion air is y 'in the pulse tube
4, which is in communication with the delay grid via a channel s
Combustion heat supplied. The fuel gases h 'flow through the channel s into the here
as an annular space shown mixing space 6, in which it is with the cooling air flow K
unite, whereby the temperature of the combustion gases lt 'to one for the turbine stator blading
7 and rotor blading 8 is reduced to a tolerable level. It also takes place in the mixing room
6, which is spatially connected to the distribution room 2, the energy exchange
between the two working media, the combustion gases V 'and the cooling air K,
instead of, as already explained in more detail at the beginning of the description, the channel 5
is preferably guided in a ring such that it is on a longitudinal axis to the turbine
concentric conical surface is wound.