DE1011227B - Zweikreis-Gasturbinen-Triebwerk - Google Patents

Zweikreis-Gasturbinen-Triebwerk

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DE1011227B
DE1011227B DEE7051A DEE0007051A DE1011227B DE 1011227 B DE1011227 B DE 1011227B DE E7051 A DEE7051 A DE E7051A DE E0007051 A DEE0007051 A DE E0007051A DE 1011227 B DE1011227 B DE 1011227B
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DE
Germany
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gas turbine
compressor
circuit
air
engine
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Pending
Application number
DEE7051A
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English (en)
Inventor
Dr-Ing Johann Endres
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Dr-Ing Johann Endres
Original Assignee
Dr-Ing Johann Endres
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/04Air intakes for gas-turbine plants or jet-propulsion plants

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Supercharger (AREA)

Description

  • Zweikreis - Gasturbinen -Triebwerk Die Nachteile derheutigen Gasturbinen-Triebwerke, insbesondere der Gasturbinen-Trieb-,verke für die Luftfahrt, sind bekannt. Sie bestehen im wesentlichen im niedrigen thermodynamischen Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses und den daraus resultierenden hohen Kraftstoffverbräuchen, in der Begrenzung der Betriebstemperaturen durch das Schaufelmaterial, ferner in der hohen Stufenzahl des wegen seiner Schluckfähigkeit bevorzugten Axial-Turbokompressors, welche zur Erreichung hoher Druckverhältnisse erforderlich ist und zu Bauformen führt, die ein ungünstig hohes Gewicht zur Folge haben, außerdem in der fehlenden Regulierungsmöglichkeit der Strötnungsmaschine, welche nur für bestimmte Drehzahlen und Druckverhältnisse ausgelegt werden kann, und in der Höhenabhängigkeit der Leistung.
  • Bekannt sind Zweikreis-Gasturbinen-Stahltriebwerke, bei denen ein gemeinsamer Vorverdichter in Form eines Turbokompressors den als Verbrennungsluft benötigten Teilluftstrom für den inneren Kreis vorverdichtet und außerdem auch den Luftstrom des zweiten äußeren Kreises verdichtet.
  • Die Nachverdichtung für den inneren Kreis erfolgt nach diesen Vorschlägen durch einen zweiten Turboverdichter, beide Niederdruck- und Hochdruckturboverdichter werden gemeinsam von einer zwischen Brennkammer und Schubdüse geschalteten Gasturbine angetrieben. Die weitere Entwicklung hat dann zum sogenannten Zweiwellentriebwerk geführt, wobei beide Turboverdichter getrennt von Hochdruck- und Niederdruckturbine angetrieben werden. Durch diese Anordnung werden etwas höhere Druckverhältnisse erreicht und der Wirkungsgrad in begrenztem Maß verbessert, der Hauptvorteil der Doppelverdichteranordnung bzw. Zweiwellenanordnung liegt jedoch in der größeren Freiheit bei der Auslegung der Turboverdichter durch die Aufteilung in zwei Stufen mit verschiedenen Drehzahlen. Die dadurch erreichten Vorteile in thermodynamischer Hinsicht werden jedoch durch größere Baulänge und Gewicht teilweise wieder aufgehoben.
  • Die vorliegende Erfindung will diese Nachteile der heutigen Bauformen der Gasturbinen-Triebwerke allgemeiner Bauart und der Gasturbinen-Strahltriebwerke im besonderen und der Vorschläge, die auf eine Wirkungsgradverbesserung hinzielen, vermeiden, und zwar durch Einführung eines Hochdruckverbrennungspro7esses in dem inneren Kreis des Gasturbinen-Triebwerkes. Die zu -einer wesentlichen Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades von Gasturbinen allgemeiner Bauart erforderlichen optimalen Druckverhältnisse liegen nämlich wesentlich höher, als man sie mit den heutigen Bauformen der Turboverdichter unter tragbaren Wirkungsgraden der letzteren erreichen kann. Dies gilt vor allem für Anlagen mit Zwischenerhitzung und Zwischenkühlung. Aus diesem Grunde wird bei der vorliegenden Anmeldung hinter der Niederdruckturbokompressorstufe ein Freikolbenkompressor als Hochdruckstufe angeordnet, der auf der Ansaugseite mit dem Enddruck des Nied erdruckturbokompressors arbeitet und auf der Druckseite hochgespannte Druckluft in die Hochdruckbrennkammer eines Gasturbinen-Triebwerkes fördert.
  • Erfindungsgemäß kann so die große Schluckfähigkeit der Strömungsmaschine im niederen Druckbereich mit den Vorteilen der Kolbenmaschine im hohen Druckbereich kombiniert werden, der darin liegt, daß mit konstruktiv einfachen ?Mitteln hohe -#'erdichtungsdruckverhältnisse erreicht werden können.
  • Weiter kann bei Ausbildung der Hochdruckstufe als Freikolben-Dieselkompressor der Dieselteil bei Luftfahrt-Gasturbinen-Triebwerken mit konstanter Leistung bis zur Nennleistungshöhe (12 bis 14 km) ausgelegt werden, wodurch das Gesamttriebtverk eine wesentlich bessere Höhenleistung besitzt, als dies bei den heutigen Gasturbinen-Triebwerken der Fall ist.
  • Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Nachverdichter für die Verbrennungsluft samt seiner Antriebsmaschine in. an sich bekannter Weise als Freikolben-Dieselbrennkraftmaschinenverdichter ausgebildet ist.
  • Zur Einhaltung der notwendigen Temperaturgrenze des Verbrennungsprozesses in der Brennkammer (totale Gastemperatur vor der Turbine) kann die hochgespannte Druckluft des Hochdruck-Freikolbenr kompressors zwischengekühlt und bei Zweikreis-Strahltriebwerken die Kühlwärme zusammen mit den Motor- und Turbinenabgasen in die Impulsmasse des Triebwerkes geleitet werden, wodurch Temperatur, Geschwindigkeit und Schub des Triebwerkes erhöht werden.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in. Form eines Zweikreis-Gasturbinen-Triebwerkes dargestellt. Die Erfindung ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt, es sind lediglich die zum Verständnis des Erfindungsgedankens grundlegenden technichen Merkmale dargestellt, die für Gasturbinen-Triebwerke allgemeiner Bauart, für stationäre und fahrbare Anlagen sowie für Flugtriebwerke Geltung besitzen.
  • In der Zeichnung bedeutet a = Einlaufdüse, b = Turboverdichter, c = Ringkanal, d = Schubdüse, e = zum inneren Kreis gehöriger Teil des Turboverdichters, f = Hochdruck-Freikolhenverdichter, ä = Kühlrippen, La = Brennkammer, i = Einspritzdüsen in Hochdruckbrennkammer, j = Turbine, k = Welle, L = Abgasdüse.
  • Die in die Einlauf düse a mit Flugstaudruck eintretende Luft wird im Turboverdichter b mit einem optimalen Druckverhältnis weiterverdichtet, das der Auslegungsgeschwindigkeit des Flugzeuges zur Erreichung eines günstigen Strahlwirkungsgrades entspricht. Der Hauptluftstrom geht durch den äußeren Ringkanal c zur Schubdüse d und wird dort in Form eines schuberzeugenden Gasstrahls ausgestoßen (äußerer Luftstromkreis).
  • Eine bestimmte Teilluftmenge wird zur Höhenverdichtung durch den inneren Luftstromkreis e des Turboverdichters b geleitet und anschließend im Hochdruck-Freikolben-Dieselverdichter f auf hohen Druck verdichtet. Der Freikolben-Dieselmotor ist dabei direkt mit dem Hochdruckverdichter als Freikolbenmaschine gekuppelt. Der Hochdruckverdichter besitzt Kühlrippen g, die im äußeren Luftstromkanal c liegen und eine wirksame Kühlung des Motorverdichters gewährleisten.
  • Vom Hochdrucl:-erdichter wird die hochgespannte Druckluft in die Brennkammer 1a geleitet, wo durch Kraftstoffeinspritzung mittels Düsen i die Erwärmung des Mediums auf Betriebstemperatur erfolgt. Die Verbrennungsgase beaufschlagen die Turbine j, die ihre Leistung mittels Welle k auf den Turboverdichter b überträgt. Die entspannten Gase strömen mit einer Restenergie durch die Düse l aus und vermischen sich mit dem Luftstrom des äußeren Kreises in der Düse d zu einem resultierenden Gasstrom.
  • Durch die im äußeren Luftstromkreis liegenden Kühlrippen werden die vom Freikolbenverdichter entwickelten Wärmemengen zu einem großen Teil in die Impulsmasse des äußeren Luststromkreises hinter dein Turboverdichter abgeleitet, wodurch Temperatur, Geschwindigkeit und Schub des Triebwerkes vergrößert werden. Der Turboverdichter fördert den Hauptteil seiner Impulsmasse direkt in die Schubdüse und eine Teilmenge in den inneren Verbrennungskreis.
  • Die Ausbildung der Hochdruckstufe (Hochdruckverdichter) als Freikolben-Dieselmotorverdichter mit eigenem Antrieb hat grundsätzlich den Vorteil, daß die Leistung je Gewichtseinheit des Durchsatzes durch das Triebwerk wesentlich höher als bei den bisher bekannten Gasturbinen-Triebwerken liegt und daß der thermische Wirkungsgrad des Trieb-,verkes sprunghaft in die Größenordnung der Wirkungsgrade von Dieselmaschinen ansteigt, und zwar dadurch, daß die Hauptverdichtung im Verbrennungskreis durch den Hochdruck-Freikolbenverdichter mit einem effektiven Wirkungsgrad des Freikolben-Dieselmotors in der Größenordnung von 5011/o erfolgt gegenüber 201/o effektivem Wirkungsgrad der Turboverdichter bei normalen Gasturbirnenanlagen. Bei Flugtriebwerken ergibt sich noch der besondere Vorteil, daß der Freikolbenmotorverdichter mit einer konstanten Höhen-Leistung bis zur Nennleistungshöhe durch entsprechende Aufladung der Motorzylinder ausgelegt werden kann, wodurch das Gesamttriebwerk ebenfalls eine bessere Leistungskonstanz über der Flughöhe besitzt und der Schub in größeren Flughöhen nicht mehr so stark abfällt, wie es bei den heutigen Luftfahrt-Gasturbinen-Triebwerken der Fall ist.
  • Der Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung mit der besonderen Ausbildung des Verbrennungskreises hei Gasturbinen-Triebwerken und der Einführung eines Freikolbenver.dichters als nachgA.schaltete Hochdruckstufe erstreckt sich auf fahrbare und stationäre Anlagen. Die Wellenleistung der Turbine kann nach Abzug der für die Luftvorverdichtung der Verbrennungsluft im Niederdruckturboverdichter erforderlichen Leistung zum Antrieb von Turbomaschinen, Schiffspropellern, Luftschrauben, Generatoren und wie in der Zeichnung beispielsweise dargestellt, zur Beschleunigung und Verdichtung einer f uftinasse mittels eines Turboverdichters zum Zweck der Erzeugung von Schubkräften verwendet werden.
  • Für stationäre und fahrbare Anlagen ergibt sich der Vorteil der Erreichung hoher Wirkungsgrade durch den hohen effektiven Wirkungsgrad des Freikolben-Dieselmotors bei der Nachverdichtung im Freikolbenverdichter und der hohen spezifischen Leistung durch den Freilcolben-Dies-lfremdantrieb des Nachverdichters, wodurch sich für die Gasturbinenentwicklung auf der Grundlage des Hochdruckverfahrens ganz neue Möglichkeiten ergeben.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE 1. Zweikreis-Gasturbinen-Triebwerk mit gemeinsamer Vorverdichtung der Luftmengen für beide Kreise sowie mit Antrieb des Vorverdichters durch eine hinter der Brennkammer geschaltete Gasturbine und Nachverdichtung der Verbrennungsluft, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachverdichter für die Verbrennungsluft samt seiner Antriebsmaschine in an sich bekannter Weise als Freikolben - Dieselbrennkraftmaschinenverdichter ausgebildet ist.
  2. 2. Zweikreis-Gasturbinen-Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung als Zweikreis-Strahltriebwerk der für die Beaufschlagung der Brennkammer hochgespannte Druckluft liefernde Freikolben-Dieselverdichter mit Druckleitungen und Kühlrippen im Druckluftstrom des Vorverdichters (zweiter Luftkreis) angeordnet ist, wodurch die vom Freikolbenverdichter entwickelte Wärme in die Impulsmasse des Vorverdichters abgeleitet wird und damit Temperatur, Geschwindigkeit undSchub derImpulsmasse vergrößert werden und gleichzeitig die in die Brennkammer geförderte hochgespannte Druckluft gekühlt wird.
  3. 3. Zweikreis-Gasturbinen-Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase des Freikolben-Dieselmotors sowie die Abgase der Turbine in den Druckluftstrom des Vorverdichters (zweiter Luftkreis) geleitet werden, wodurch Temperatur, Geschwindigkeit und Schub der Impulsmasse vergrößert werden. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 767258; schweizerische Patentschrift Nr. 263 472; USA.-Patentschrift Nr. 2 546 965.
DEE7051A 1953-04-15 1953-04-15 Zweikreis-Gasturbinen-Triebwerk Pending DE1011227B (de)

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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH263472A (de) * 1944-04-18 1949-08-31 Power Jets Res & Dev Ltd Verbrennungsturbinen-Strahlvortriebswerk an Flugzeugen.
US2546965A (en) * 1947-06-11 1951-04-03 Jr Albert G Bodine Pulse jet standing wave engine with movable wave reflecting means
DE767258C (de) * 1939-09-12 1952-05-23 E H Ernst Heinkel Dr Ing Strahltriebwerk, insbesondere fuer Luftfahrzeuge

Patent Citations (3)

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CH263472A (de) * 1944-04-18 1949-08-31 Power Jets Res & Dev Ltd Verbrennungsturbinen-Strahlvortriebswerk an Flugzeugen.
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