DE10347588B4

DE10347588B4 - Gleichraum-Gasturbine

Info

Publication number: DE10347588B4
Application number: DE2003147588
Authority: DE
Inventors: Hansjörg Weser
Original assignee: HIGH SPEED TURBOMASCHINEN GmbH; HIGH-SPEED TURBOMASCHINEN GmbH
Current assignee: HIGH SPEED TURBOMASCHINEN GmbH; HIGH-SPEED TURBOMASCHINEN GmbH
Priority date: 2003-10-14
Filing date: 2003-10-14
Publication date: 2013-04-04
Anticipated expiration: 2023-10-15
Also published as: DE10347588A1

Abstract

Gleichraumgasturbine mit einer gemeinsamen Welle (14), auf der ein Verdichterlaufrad (1) und ein Turbinenlaufrad (12) befestigt sind, mit zumindest einer Brennkammer (6), welche radial außerhalb der Welle (14) sowie axial zwischen dem Verdichterlaufrad (1) und dem Turbinenlaufrad (12) angeordnet ist, und mit Steuerleitgittern am Eingang sowie am Ausgang der zumindest einen Brennkammer (6), die unabhängig voneinander betätigbar sind, und mit denen die Brennkammer (6) eingangsseitig sowie ausgangsseitig geöffnet und geschlossen werden kann, wobei die Steuerleitgitter (3, 11) jeweils als zwei mit Strömungsprofilen (20, 21) bestückte Ringe (3.1, 3.2; 11.1, 11.2) ausgebildet sind, wobei die Ringe (3.1, 3.2; 11.1, 11.2) gegeneinander drehbar angeordnet sind, wobei die Strömungsprofile (20, 21) derart ausgebildet sowie an den Ringen (3.1, 3.2; 11.1, 11.2) angeordnet sind, dass diese in Abhängigkeit von der jeweiligen Drehstellung der Ringe (3.1, 3.2; 11.1, 11.2) einen Strömungsquerschnitt (22) zwischen den Strömungsprofilen (20, 21) öffnen oder verschließen, und bei der zumindest eine...

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleichraumgasturbine mit einer gemeinsamen Welle, auf der ein Verdichterlaufrad und ein Turbinenlaufrad befestigt sind, mit zumindest einer Brennkammer, welche radial außerhalb der Welle sowie axial zwischen dem Verdichterlaufrad und dem Turbinenlaufrad angeordnet ist, und mit Steuerleitgittern am Eingang sowie am Ausgang der zumindest einen Brennkammer, die unabhängig voneinander betätigbar sind und mit denen die Brennkammer eingangsseitig sowie ausgangsseitig geöffnet und geschlossen werden kann.
Gegenwärtig sind Gleichdruckgasturbinen, bei denen die Brennkammer ständig unter Betriebsdruck steht und ein Turbinenlaufrad kontinuierlich mit Abgas beaufschlagt wird, weit verbreitet. In einer Gleichraum- oder Explosionsgasturbine werden im Unterschied dazu die Verbrennungsgase durch aufeinanderfolgende Explosionen in der Brennkammer bei annähernd gleichem Volumen erzeugt. Derartige Gleichraumgasturbinen sind wenig verbreitet, obwohl der Wirkungsgrad des verlustarmen Arbeitsverfahrens der Gleichraumgasturbine gegenüber dem Wirkungsgrad des Gleichdruckprozesses aufgrund des steileren Verlaufs der Isochore gegenüber der Isobare beachtlich besser ist.
Bei einer aus der DE 1 81 619 A und der DE 210 715 A bekannten sowie realisierten Explosionsgasturbine sind am Umfang einer Turbine mehrere durch Ventile verschließbare Brennkammern angeordnet. In den abgeschlossenen Brennkammern wird nacheinander ein Luft-Gas-Gemisch bei etwa 4 × 10⁵ Pa unter Drucksteigerung verbrannt und dann bei allmählicher Drucksenkung in die Turbinendüsen geleitet. Eine Verdichtergruppe für die Luftversorgung ist separat von der Explosionsbrennkammer sowie der Turbine aufgestellt, und für die Steuerung der Ventile für die Brennkammern ist ein aufwendiger Mechanismus erforderlich. Die charakteristische Einfachheit dieser Gasturbine geht somit durch den hohen apparativen Aufwand wieder verloren.
Aus der EP 0 109 957 B1 ist außerdem eine Gasturbine bekannt, mit der eine annähernd isochore Verbrennungscharakteristik erreicht werden soll. Der Brennraum ist hierbei über ein gesteuertes Einlasssystem und einer Leitapparat-Laufradkombination an der Auslassseite der Brennkammer gebildet, wobei ein Unterdruck in der Brennkammer beim Ladevorgang durch Drehung eines Laufrades erzeugt werden soll. Der Druckaufbau in der Brennkammer wird als relativ gering eingeschätzt, da der Druck lediglich durch ein Anstauen über die offene Leitapparat-Laufradkombination auf der Auslassseite der Brennkammer erfolgen kann und somit nur eine leicht annähernd isochore Verbrennungscharakteristik gegeben sein wird, weshalb auch ein optimaler Wirkungsgrad nicht erreichbar ist.
Bei der aus der DE 198 50 812 A1 bekannten Gasturbine wird ebenso eine annähernd isochore Verbrennungscharakteristik angestrebt, indem der Verpuffungsraum durch ein Einlassventil und einem nachfolgenden Luftvorhang über eine zentripetale Einströmdüse gebildet wird. Der Druckaufbau im Verpuffungsraum wird hier ebenso wie bei der vorgenannten Beschreibung nur geringfügig sein und somit wird der Wirkungsgrad nur unwesentlich verbessert werden.
Außerdem ist aus der DE 602 15 552 T2 eine Gleichraumgasturbine bekannt, bei der die Brennkammer eingangsseitig und ausgangsseitig durch elektromagnetisch betätigbare Klappen oder durch elektromagnetisch betätigbare Ventile mit Ventilstößel geöffnet oder geschlossen wird. Die Klappen sind dazu jeweils an einer radial nach außen weisenden Welle befestigt, die zur Klappenbetätigung von einem elektromagnetischen Stellglied um ihre Längsachse gedreht wird. Dieses Klappenventil wird als sehr langsam, ungenau und schlecht abdichtend beurteilt. Außerdem benötigt die Anordnung der elektromagnetischen Stellglieder oberhalb der Brennkammer zusätzlichen radialen Bauraum, was insbesondere im Flugzeugbau als besonders ungünstig bewertet wird. Die Ventile mit den Ventilstößeln gemäß der dortigen 3 lassen sich zwar schneller betätigen, sie stellen aber einen erheblichen Strömungswiderstand dar. Außerdem wird für eine Mehrzahl von Brennkammern eben auch eine Vielzahl von separaten Ventilen bzw. Klappenventilen benötigt, wie insbesondere die 4 der DE 602 15 552 T2 verdeutlicht.
Schließlich ist aus der US 3 124 931 A eine Gasturbine mit einer Brennkammer bekannt, die konzentrisch um eine zentrale Welle angeordnet ist, welche ein Verdichterlaufrad und ein Turbinenlaufrad miteinander verbindet. Die Verbrennungsluft gelangt eingangsseitig über ein Einlassventil mit beweglichen Drosselflächen in einen ringförmigen Luftzuführungskanal und von dort durch Bohrungen in der Brennkammer in dieselbe hinein. Der ringförmige Luftführungskanal umschließt die Brennkammer nicht über ihre gesamt axiale Länge, denn die Brennkammer ist mit ihrem turbinenseitigen Ende an einem Gehäuse fluiddicht befestigt, so dass die der Brennkammer zugeführte Luft die Brennkammer im Sinne eines Kühlmediums nicht vollständig umgibt. Ein von der zugeführten Verbrennungsluft separater Luftstrom, der die Brennkammer unabhängig von der aktuellen Betriebsphase vollständig umströmt und direkt in den Abgasstrahl gelangt, ist aus dieser US 3 124 931 A genauso weinig bekannt wie aus der DE 602 15 552 T2 .
Offenbar zur Leistungssteuerung weist die Gasturbine gemäß der US 3 124 931 A einen manuell betätigbaren Hebel auf, mit dem sowohl der Volumenstrom der der Brennkammer zuführbaren Luft als auch der Abgasstrom beeinflussbar ist. Hierzu ist der Hebel über ein Gestänge bzw. ein Zahnrad mit Vorrichtungen verbunden, mittels denen zwangsgekoppelt der Einströmquerschnitt und der Ausströmquerschnitt der Gasturbine einstellbar sind. Eingangsseitig wird die Luft hierzu durch eine Ventil-Vorrichtung geleitet, bei der durch die geschilderte manuelle Betätigung bewegliche Drosselfläche in ihrem Anstellwinkel verändert werden, so dass sich unterschiedliche Einströmverhältnisse in die Gasturbine bewirken lassen. Ausgangsseitig sind gemäß den 3 bis 7 der US 3 124 931 A stromab von der Brennkammer axial hintereinander eine gehäusefeste Platte, eine mit drei Öffnungen versehene Drosselscheibe, eine mit Strömungsprofilen in zumindest einer Öffnung versehene Statorscheibe und das Turbinenlaufrad angeordnet. Diesem Turbinenlaufrad ist für eine weitere Antriebseinheit ein weiterer mit Strömungsprofilen versehener Stator und ein weiteres Turbinenlaufrad nachgeordnet. Zur Einstellung der stromabwärtigen Strömungsverhältnisse an der Gasturbine wird die drehbare Drossel-Scheibe genutzt, deren Durchströmöffnungen mehr oder weniger über die mit Strömungsprofilen versehenen Abschnitte der Statorscheibe platziert werden.
Dies bedeutet, dass die Steuerungsmittel für die Steuerung der Zufuhr von Verbrennungsluft zur Brennkammer und für die Ableitung von Abgas aus der Brennkammer nicht unabhängig voneinander betätigbar sind, sondern mechanisch starr gekoppelt sind. Außerdem sind die Bauteile der abgasseitigen Ventilanordnung gemäß der US 3 124 931 A axial hintereinander angeordnet, was deren Baulänge im Vergleich zu einer radialen Anordnung unvorteilhaft vergrößert. Schließlich dienen die in der Öffnung der Statorscheibe angeordneten Strömungsprofile nicht zum Öffnen oder Schießen des Ventils, sondern zur Strömungsführung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine axial kompakte Gleichraumgasturbine zu schaffen, die bei vergleichsweise einfachem Aufbau einen hohen Wirkungsgrad erzielt und demnach mit einem sehr geringen Kraftstoffverbrauch arbeitet. Außerdem soll ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Gleichraumgasturbine vorgestellt werden.
Die vorrichtungsbezogene Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1, und die verfahrensbezogene Lösung aus den Merkmalen des Anspruchs 16. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der zugeordneten Unteransprüche.
Demnach geht die Erfindung vorrichtungsbezogen aus von einer Gleichraumgasturbine mit einer gemeinsamen Welle, auf der ein Verdichterlaufrad und ein Turbinenlaufrad befestigt sind, mit zumindest einer Brennkammer, welche radial außerhalb der Welle sowie axial zwischen dem Verdichterlaufrad und dem Turbinenlaufrad angeordnet ist, und mit Steuerleitgittern am Eingang sowie am Ausgang der zumindest einen Brennkammer, die unabhängig voneinander betätigbar sind und mit denen die Brennkammer eingangsseitig sowie ausgangsseitig geöffnet und geschlossen werden kann. Gemäß der Erfindung ist diese Gleichraumgasturbine dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerleitgitter jeweils als zwei mit Strömungsprofilen bestückte Ringe ausgebildet sind, dass die Ringe gegeneinander drehbar angeordnet sind, dass die Strömungsprofile derart ausgebildet sowie an den Ringen angeordnet sind, dass diese in Abhängigkeit von der jeweiligen Drehstellung der Ringe einen Strömungsquerschnitt zwischen den Strömungsprofilen öffnen oder verschließen, und dass zumindest eine Umluftkammer ohne Zwischenschaltung eines Steuerleitgitters mit dem Verdichterlaufrad und dem Turbinenlaufrad in Strömungsverbindung ist.
Demnach ist durch die vorgeschlagene Gleichraumgasturbine ein Gesamtfluid-Strom leitbar, von dem ein erster Fluidstrom für die isochore Verbrennung in der Brennkammer benutzt wird, und der andere Anteil durch einen Bypass in Form einer Umluftkammer geleitet wird, wobei das durch die Umluftkammer geleitete Gas vorzugsweise nicht verbrannt wird. Der erste Fluidstrom wird auf dem Weg vom Verdichterlaufrad zum Turbinenlaufrad mit einem Kraftstoff versetzt und dessen Energie durch eine Explosion in einer oder in mehreren, vorzugsweise verschlossenen Brennkammern erhöht. Der Verschluss der zumindest einen Brennkammer erfolgt mittels Steuerleitgittern im Bereich zwischen dem Verdichterlaufradaustritt und dem Brennkammereintritt sowie im Bereich zwischen dem Brennkammeraustritt und dem Turbinenlaufradeintritt, wobei diese Steuerleitgitter jeweils als zwei mit Strömungsprofilen bestückte Ringe ausgebildet sind, und die Ringe gegeneinander drehbar sowie koaxial in der gleichen Radialebene angeordnet sind. Dabei sind die Strömungsprofile derart ausgebildet sowie an den Ringen angeordnet, dass diese in Abhängigkeit von der jeweiligen Drehstellung der Ringe einen Strömungsquerschnitt öffnen oder verschließen.
Demnach sind die verdichterseitigen und turbinenseitigen Steuerleitgitter als verstellbare Leiteinrichtungen ausgeführt. Diese Leiteinrichtungen besitzen eine zylindrische Grundform, die in Richtung der Längsachse des Zylinders aus zwei Segmenten besteht. Diese zwei Segmente bilden eine Leiteinrichtung mit einem konstanten und einem verstellbaren Strömungsquerschnitt. Der verstellbare Querschnitt besteht aus zwei profilierten Ringen, die im engsten Querschnitt der Profilierung radial geteilt sind, und relativ zueinander um die Zylinderachse bewegt werden können, wobei sich die Durchlassgeometrie eines solchen Steuerleitgitters bis hin zum vollkommenen Verschluss verändert, so dass somit ein Verschluss der isochoren Brennkammer erreichbar ist.
Die Gleichraumgasturbine gemäß der Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Gegenüber einer Gleichdruckturbine braucht die Luftmenge vom Verdichter nur noch auf etwa ein Viertel des Enddruckes verdichtet zu werden, da der Druck des Fluids, dass in der allseitig geschlossenen Brennkammer mit Kraftstoff zur Zündung gebracht, auf etwa das Vierfache ansteigt. Aufgrund der intermittierenden Verbrennung liegen die Temperaturbelastungen für die mit Brenngas beaufschlagten Bauteile niedriger und es muss weniger Kühlluft zugemischt werden. Die Verdichterleistung, die von dem Turbinenlaufrad aufgebracht werden muss, beträgt demzufolge bei der Gleichraumturbine nur noch ein Bruchteil gegenüber der bei einer Gleichdruckturbine oder einer Verbrennungsturbine.
Für die Gleichraumgasturbine gemäß der Erfindung ist der apparative Aufwand zur Steuerung des Verbrennungsvorgangs sehr gering, da die Steuerleitgitter, die jeweils als zwei mit Strömungsprofilen bestückte Ringe ausgebildet sind, im Bereich des Verdichterlaufrads und des Turbinenlaufrads angeordnet sowie schließbar ausgeführt sind. Die Strömungsführung wird dadurch wesentlich vereinfacht und die Druckverluste sind ebenfalls minimal. Im Öffnungszustand des jeweiligen Steuerleitgitters werden ebenso optimale Durchströmungsbereiche freigegeben.
Der Mechanismus zum Öffnen und Schließen der verdichterseitigen und turbinenseitigen Steuerleitgitter ist einfach, da bei einer zweigeteilten Ausführung zwei Ringe mit Strömungsprofilen gegeneinander verdreht werden und nur ein kurzer Verstellweg erforderlich ist. Die Strömungsstabilität im Turboverdichter wird bei geschlossenen Steuerleitgittern gewährleistet, indem über verdichterseitige Leitradkanäle Luft in die zumindest eine Umluftkammer und von dort über turbinenseitige Leitradkanäle zum Turbinenlaufrad gefördert wird.
Die in die Umluftkammer geförderte Luft kühlt die Brennkammer, nimmt dabei Wärme auf und wird anschließend wieder Arbeit leistend über das Turbinenlaufrad entspannt. Dadurch wird die Verlustleistung weiter minimiert und der Geräuschpegel der Gleichraumgasturbine gesenkt. Weiterhin wird durch die besondere Führung der Kühlluft über den Leitradkanal bzw. die Umluftkammer das Turbinenlaufrad zusätzlich intensiv gekühlt. Aufgrund der Einbeziehung der verdichterseitigen bzw. turbinenseitigen Steuerleitgitter an Verdichterlaufrad und Turbinenlaufrad zur Steuerung des Verbrennungsvorgangs zusammen mit der Anordnung des Verdichterlaufrads und des Turbinenlaufrads auf einer gemeinsamen Welle kann die Gleichraumgasturbine gemäß der Erfindung sehr kompakt ausgeführt werden, und ist somit gerade für mobile Anwendungen einsetzbar.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Konstruktion der Gleichraumgasturbine ist bevorzugt vorgesehen, dass die zumindest eine Umluftkammer entlang der gesamten axialen Länge der zumindest einen Brennkammer an diese angrenzt. Hierdurch ist die zumindest eine Brennkammer über ihre gesamte axiale Länge von einem durch die Umluftkammer geführten Luftstrom kühlbar..
Weiter kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Brennkammer von der zumindest einen Umluftkammer umgeben ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mit Strömungsprofilen bestückten Ringe der verdichterseitigen bzw. turbinenseitigen Steuerleitgitter der Gleichraumgasturbine radial oder axial zur Brennkammer angeordnet sind.
Nach einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der radial äußere Ring des Steuerleitgitters schwimmend über ein Gaspolster auf dem radial inneren Ring drehbar gelagert ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Ringe so ausgeführt sind, dass die Strömungsprofile oder Ringe axial in eine Gegenkontur verschiebbar sind.
Weiter wird es als vorteilhaft bewertet, wenn vorgesehen ist, dass die Strömungsprofile an dem radial inneren Ring und an dem radial äußeren Ring jeweils eine derartige Radialschnittgeometrie aufweisen, dass die radial inneren und die radial äußeren Strömungsprofile sich im offenen Zustand des Steuerleitgitters mit ihren radial benachbarten Seiten unmittelbar gegenüberstehen und sich jeweils zu einem Strömungsprofil mit einer gemeinsamen Umfangsfläche ergänzen, wobei zwischen jeweils zwei kreisumfangsbezogen benachbarten Strömungsprofilen ein Strömungsquerschnitt freigegeben ist, und dass die Strömungsprofile an dem radial inneren Ring sowie an dem radial äußeren Ring im geschlossenen Zustand des Steuerleitgitters bei gegeneinander verdrehten Ringen mit ihren radial gegenüberliegenden Seiten umfangsbezogen benachbarte Strömungsquerschnitte verschließen.
Gemäß einer anderen Konstruktionsvariante kann vorgesehen sein, dass in die wenigstens eine Umluftkammer eine geringe Brennstoffmenge zuführbar und dort kontinuierlich verbrennbar ist.
Eine weitere Variante beim Aufbau der Gleichraumgasturbine gemäß der Erfindung wird darin gesehen, dass das Verdichterlaufrad und das Turbinenlaufrad in axialer oder radialer Bauart oder in Kombination dieser ausgeführt sein können.
Weiter kann vorgesehen sein, dass das Verdichterlaufrad und das Turbinenlaufrad mehrstufig ausgeführt sind.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass auf der Welle der Gleichraumgasturbine eine Rotormasse angeordnet ist.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Welle der Gleichraumgasturbine mit einem Generator verbunden ist, der in einen Motorbetrieb schaltbar ist.
Entsprechend einer weiteren Variante ist der Generator auf der Seite des Verdichterlaufrads angeordnet und seiner Ansaugluft ausgesetzt.
Schließlich kann vorgesehen sein, dass die Welle dieser Gleichraumgasturbine in Wälzlagern, ölgeschmierten Gleitlagern, Gaslagern, in Magnetlagern oder in Kombination von diesen gelagert ist.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Gleichraumgasturbine mit zumindest den Merkmalen des Anspruchs 1, welche eingangs der Kurzbeschreibung der Erfindung genannt wurden. Das Verfahren ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

a) Befüllen der zumindest einen Brennkammer nach Schließen des Steuerleitgitters am Ausgang der Brennkammer und Offenhalten des Steuerleitgitters am Eingang der Brennkammer,
b) Verbrennung in der zumindest einen Brennkammer durch: Schließen beider Steuerleitgitter, Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkammer, Zündung des Luft-Brennstoff-Gemisches und Verbrennen desselben,
c) Expansion des Luft-Brennstoff-Gemisches durch Geschlossenhalten des verdichterseitigen Steuerleitgitters und Öffnen des turbinenseitigen Steuerleitgitters,
d) Spülen der zumindest einen Brennkammer durch Offenhalten des turbinenseitigen Steuerleitgitters, Öffnen des verdichterseitigen Steuerleitgitters und Zuführen von frischer Verbrennungsluft,

Gemäß einer Weiterbildung dieses Verfahrens kann vorgesehen sein, dass während des Befüllens, der Verbrennung von Kraftstoff, der Expansion und der Spülung durch eine die wenigstens eine Brennkammer umgebende Umluftkammer Luft über offene Leitradkanäle von dem Verdichterlaufrad zum Turbinenlaufrad geleitet wird. Durch die aus der Umluftkammer dem Turbinenlaufrad zugeführte Luft wird dort eine Fluidströmung auch bei geschlossenen verdichterseitigen und turbinenseitigen Steuerleitgittern der Gleichraumgasturbine aufrechterhalten und zudem die Brennkammer gekühlt.
Eine andere Verfahrensvariante sieht vor, dass in die wenigstens eine Umluftkammer eine geringe Brennstoffmenge eingeleitet wird, und dass diese Brennstoffmenge kontinuierlich in der Umluftklammer verbrannt wird, wodurch die Temperatur vor dem turbinenseitigen Luftleitradkanal und vor dem Turbinenlaufrad variiert wird.
Gemäß einer anderen Weiterbildung des Verfahrens gemäß der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Spülvorgang, mit dem die Brennkammer nach einem Verbrennungsvorgang gereinigt wird, nicht durchgeführt wird.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Brennkammer außer mit Luft zusätzlich mit einem anderen Medium gekühlt wird.
Schließlich kann vorgesehen sein, dass während des Verbrennungsvorgangs in der Brennkammer das turbinenseitige Steuerleitgitter gering geöffnet ist.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung eines Ausführungsbeispiels beigefügt. In dieser zeigt
1 einen schematischen Längsschnitt durch eine gemäß der Erfindung ausgebildete Gleichraumgasturbine,
2 eine Draufsicht in axialer Richtung auf ein in der Gleichraumgasturbine gemäß 1 integriertes, zwei gegeneinander verdrehbare Ringe aufweisendes Steuerleitgitter in geöffneter Stellung,
3 das Steuerleitgitter gemäß 2 in geschlossener Stellung,
4 eine Ansicht der Gleichraumgasturbine gemäß 1 während eines Ladens der Brennkammer,
5 eine Ansicht der Gleichraumgasturbine gemäß 1 während eines Verbrennungsvorgangs in der Brennkammer,
6 eine Ansicht der Gleichraumgasturbine gemäß 1 während eines Expansionsvorgangs, und
7 eine Ansicht der Gleichraumgasturbine gemäß 1 während eines Spülvorgangs der Brennkammer.
Demnach zeigt 1 eine gemäß der Erfindung ausgebildete Gleichraumgasturbine im Längsschnitt mit deren Hauptbauteilen. Die Gleichraumgasturbine weist demnach ein Verdichterlaufrad 1 auf, das mit einem Turbinenlaufrad 12 auf einer gemeinsamen Welle 14 angeordnet ist. In Strömungsrichtung zwischen dem Verdichterlaufrad 1 und dem Turbinenlaufrad 12 ist radial außerhalb der Welle 14 eine Brennkammer 6 angeordnet, welche mittels einem verdichterseitigen Steuerleitgitter 3 sowie einem turbinenseitigen Steuerleitgitter 11 hinsichtlich eines Fluiddurchtritts geöffnet oder geschlossen werden kann. Wie vor allem in den 2 und 3 gut erkennbar ist, bestehen diese Steuerleitgitter 3, 11 aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten Ringen 3.1, 3.2; 11.1, 11.2, von denen ein radial äußerer Ring 3.1, 11.1 drehbar unmittelbar über einen radial inneren Ring 3.2, 11.2 angeordnet ist. Die Ringe 3.1, 3.2; 11.1, 11.2 weisen Strömungsprofile 20, 21 auf, die sich im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Gleichraumgasturbine erstrecken. Zwischen umfangsbezogen benachbarten Strömungsprofilen 20, 21 ist jeweils ein Strömungsquerschnitt 22 ausgebildet.
Es ist auch erkennbar, dass die Strömungsprofile 20, 21 an dem radial inneren Ring 3.2, 11.2 und an dem radial äußeren Ring 3.1, 11.1 jeweils eine derartige Radialschnittgeometrie aufweisen, dass die radial inneren und die radial äußeren Strömungsprofile 20, 21 sich im offenen Zustand des jeweiligen Steuerleitgitters 3, 11 (2) mit ihren radial benachbarten Seiten unmittelbar gegenüberstehen und sich jeweils zu einem Strömungsprofil mit einer gemeinsamen Umfangsfläche ergänzen, wobei zwischen jeweils zwei kreisumfangsbezogen benachbarten Strömungsprofilen ein Strömungsquerschnitt 22 freigegeben ist. Durch ein Verdrehen der beiden Ringe 3.1, 11.1; 3.2, 11.2 zueinander wird das Steuerleitgitter 3, 11 geschlossen. Bei geschlossenem Steuerleitgitter 3, 11 (3) verschließen die Strömungsprofile 21 des radial inneren Rings 3.2, 11.2 im Zusammenwirken mit den Strömungsprofilen 20 des radial äußeren Rings 3.1, 11.1 mit ihren radial gegenüberliegenden Seiten die Strömungsquerschnitte 22 des Steuerleitgitters 3, 11.
1 ist auch entnehmbar, dass die Brennkammer 6 über ihre gesamte axiale Länge von einer Umluftkammer 4 umgeben ist. Diese Umluftkammer 4 steht an ihrem verdichterseitigen Ende mit einem verdichterseitigen Leitradkanal 2 und an ihrem turbinenseitigen Ende mit einem turbinenseitigen Leitradkanal 10 in Strömungsverbindung. Der verdichterseitige Leitradkanal 2 mündet in denjenigen Raum der Gleichraumgasturbine, in dem das Verdichterlaufrad 1 angeordnet ist, während der turbinenseitigen Leitradkanal 10 in denjenigen Raum der Gleichraumgasturbine mündet, in dem das Turbinenlaufrad 12 angeordnet ist. Durch diese Ausbildung der Gleichraumgasturbine strömt im Betrieb derselben ständig ein von dem Verdichterlaufrad 1 erzeugter Luftstrom durch die Umluftkammer 4, und zwar unabhängig von der Betätigungsstellung des verdichterseitigen Steuerleitgitters 3 und des turbinenseitigen Steuerleitgitters 11. Der durch die Umluftkammer 4 geleitete Luftstrom kühlt die Brennkammer 6 dabei äußerst vorteilhaft. Dabei wird die Strömungsstabilität am Verdichterlaufrad 1 aufrechterhalten.
Die 4 bis 7 zeigen einen typischen Betriebszyklus der dort abgebildet Gleichraumgasturbine. In der in 4 dargestellten Ladephase wird Luft mittels des Verdichterlaufrades 1 über das geöffnete verdichterseitige Steuerleitgitter 3 (2) in die Brennkammer 6 gefördert. Dabei ist das turbinenseitige Steuerleitgitter 11 so geschlossen, wie dies in 3 dargestellt ist. Über den verdichterseitigen Leitradkanal 2 strömt verdichtete Luft in die Umluftkammer 4 und von dort über den turbinenseitigen Leitradkanal 10 zum Turbinenlaufrad 12, wo die verdichtete Luft wieder entspannt wird. Dadurch wird die Strömungsstabilität des Verdichterlaufrades 1 aufrechterhalten und sowohl die Brennkammer 6 als auch das Turbinenlaufrad 12 gekühlt.
Bei der dann anschließenden Verbrennungsphase, welche in 5 dargestellt ist, sind das verdichterseitige Steuerleitgitter 3 sowie das turbinenseitige Steuerleitgitter 11 wie in 3 gezeigt geschlossen. In die dadurch geschlossene Brennkammer 6 wird über eine Düse 8 Kraftstoff in die Brennkammer 6 eingespritzt und mittels einer Zündkerze 7 gezündet. Der Druck in der Brennkammer 6 steigt dabei um ein mehrfaches des Verdichterdrucks an. Die Gastemperatur des Brenngases steigt ebenfalls stark an. Die Arbeitsfähigkeit des Gases ist somit erreicht und die Expansionsphase kann eingeleitet werden.
In der in 6 dargestellten Expansionsphase wird das auslassseitige Steuerleitgitter 11 geöffnet, wie dies in 2 dargestellt ist. Das Brenngas wird über dieses turbinenseitige Steuerleitgitter 11 bis zum Spaltdruck, der zweckmäßig dem Verdichterendruck gewählt wird, entspannt, vermischt sich mit dem Gasstrom aus dem turbinenseitigen Leitradkanal 10 und wird weiter über das Turbinenlaufrad 12 Arbeit leistend entspannt. Die Überschussleistung kann dann über einen direkt gekuppelten Generator bzw. über ein Getriebe abgenommen werden.
In der in 7 gezeigten Spülphase wird das verdichterseitige Steuerleitgitter 3 wie in 2 dargestellt wieder geöffnet. Das turbinenseitige Steuerleitgitter 11 ist noch geöffnet und die Restgase aus der Brennkammer 6 werden nun aus dieser ausgespült. Diese Spülphase kann sehr kurz gehalten werden bzw. kann auch entfallen, wenn die Brennkammer 6 in der Entspannungsphase gemäß 6 bereits genügend geleert wird.
Nach der Spülphase bzw. nach der Expansionsphase kann der Vorgang von neuem mit der Ladephase beginnen.
Bezugszeichenliste

1: Verdichterlaufrad
2: Verdichterseitiger Leitradkanal
3: Verdichterseitiges Steuerleitgitter
3.1: Radial äußerer Ring des verdichterseitigen Steuerleitgitters 3
3.2: Radial innerer Ring des verdichterseitigen Steuerleitgitters 3
4: Umluftkammer
6: Brennkammer
7: Zündkerze
8: Kraftstoffeinspritzdüse
10: Turbinenseitiger Leitradkanal
11: Turbinenseitiges Steuerleitgitter
11.1: Radial äußerer Ring des turbinenseitigen Steuerleitgitters 11
11.2: Radial innerer Ring des turbinenseitigen Steuerleitgitters 11
12: Turbinenlaufrad
14: Welle
20: Strömungsprofil am radial äußeren Ring 3.1, 11.1
21: Strömungsprofil am radial inneren Ring 3.2, 11.2
22: Strömungsquerschnitt zwischen zwei Strömungsprofilen

Claims

Gleichraumgasturbine mit einer gemeinsamen Welle (14), auf der ein Verdichterlaufrad (1) und ein Turbinenlaufrad (12) befestigt sind, mit zumindest einer Brennkammer (6), welche radial außerhalb der Welle (14) sowie axial zwischen dem Verdichterlaufrad (1) und dem Turbinenlaufrad (12) angeordnet ist, und mit Steuerleitgittern am Eingang sowie am Ausgang der zumindest einen Brennkammer (6), die unabhängig voneinander betätigbar sind, und mit denen die Brennkammer (6) eingangsseitig sowie ausgangsseitig geöffnet und geschlossen werden kann, wobei die Steuerleitgitter (3, 11) jeweils als zwei mit Strömungsprofilen (20, 21) bestückte Ringe (3.1, 3.2; 11.1, 11.2) ausgebildet sind, wobei die Ringe (3.1, 3.2; 11.1, 11.2) gegeneinander drehbar angeordnet sind, wobei die Strömungsprofile (20, 21) derart ausgebildet sowie an den Ringen (3.1, 3.2; 11.1, 11.2) angeordnet sind, dass diese in Abhängigkeit von der jeweiligen Drehstellung der Ringe (3.1, 3.2; 11.1, 11.2) einen Strömungsquerschnitt (22) zwischen den Strömungsprofilen (20, 21) öffnen oder verschließen, und bei der zumindest eine Umluftkammer (4) ohne Zwischenschaltung eines Steuerleitgitters mit dem Verdichterlaufrad (1) und dem Turbinenlaufrad (12) in Strömungsverbindung ist.
Gleichraumgasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Umluftkammer (4) entlang der gesamten axiale Länge der zumindest einen Brennkammer (6) an diese angrenzt.
Gleichraumgasturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Brennkammer (6) von der zumindest einen Umluftkammer (4) umgeben ist.
Gleichraumgasturbine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe (3.1, 3.2; 11.1, 11.2) radial zur Brennkammer (6) angeordnet sind.
Gleichraumgasturbine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe (3.1, 3.2; 11.1, 11.2) axial zur Brennkammer (6) angeordnet sind.
Gleichraumgasturbine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der radial äußere Ring (3.1; 11.1) schwimmend über ein Gaspolster auf dem radial inneren Ring (3.2; 11.2) gelagert ist.
Gleichraumgasturbine nach den Ansprüchen 1 bis 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe (3.1, 3.2; 11.1, 11.2) so ausgeführt sind, dass die Strömungsprofile (20, 21) oder Ringe (3.1, 3.2; 11.1, 11.2) axial in eine Gegenkontur verschiebbar sind.
Gleichraumgasturbine nach den Ansprüchen 1 bis 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsprofile (20, 21) an dem radial inneren Ring (3.2, 11.2) und an dem radial äußeren Ring (3.1, 11.1) jeweils eine derartige Radialschnittgeometrie aufweisen, dass die radial inneren und die radial äußeren Strömungsprofile (20, 21) sich im offenen Zustand des Steuerleitgitters (3, 11) mit ihren radial benachbarten Seiten unmittelbar gegenüberstehen und sich jeweils zu einem Strömungsprofil mit einer gemeinsamen Umfangsfläche ergänzen, wobei zwischen jeweils zwei kreisumfangsbezogen benachbarten Strömungsprofilen ein Strömungsquerschnitt (22) freigegeben ist, und dass die Strömungsprofile (20, 21) an dem radial inneren Ring (3.2, 11.2) sowie an dem radial äußeren Ring (3.1, 11.1) im geschlossenen Zustand des Steuerleitgitters (3, 11) bei gegeneinander verdrehten Ringen (3.1, 11.1) mit ihren radial gegenüberliegenden Seiten umfangsbezogen benachbarte Strömungsquerschnitte (22) verschließen.
Gleichraumgasturbine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens einen Umluftkammer (4) eine geringe Brennstoffmenge zuführbar ist.
Gleichraumgasturbine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterlaufrad (1) und das Turbinenlaufrad (12) in axialer oder radialer Bauart oder in Kombination dieser ausgeführt sind.
Gleichraumgasturbine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterlaufrad (1) und das Turbinenlaufrad (12) mehrstufig ausgeführt sind.
Gleichraumgasturbine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Welle (14) eine Rotormasse angeordnet ist.
Gleichraumgasturbine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (14) mit einem Generator verbunden ist, der in einen Motorbetrieb schaltbar ist.
Gleichraumgasturbine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator auf der Seite des Verdichterlaufrads (1) angeordnet ist und der Ansaugluft des Verdichterlaufrads (1) ausgesetzt ist.
Gleichraumgasturbine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (14) in Wälzlagern, ölgeschmierten Gleitlagern, Gaslagern, in Magnetlagern oder in Kombination von diesen gelagert ist.
Verfahren zum Betreiben einer Gleichraumgasturbine mit den Merkmalen von zumindest einem der vorherigen Vorrichtungsansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Befüllen der zumindest einen Brennkammer (6) nach Schließen des Steuerleitgitters (11) am Ausgang der Brennkammer (6) und Offenhalten des Steuerleitgitters (3) am Eingang der Brennkammer (6), b) Verbrennung in der zumindest einen Brennkammer (6) durch Schließen beider Steuerleitgitter (3, 11), Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkammer (6), Zündung des Luft-Brennstoff-Gemisches und Verbrennen desselben, c) Expansion des Luft-Brennstoff-Gemisches durch Geschlossenhalten des verdichterseitigen Steuerleitgitters (3) und Öffnen des turbinenseitigen Steuerleitgitters (11), d) Spülen der zumindest einen Brennkammer (6) durch Offenhalten des turbinenseitigen Steuerleitgitters (11), Öffnen des verdichterseitigen Steuerleitgitters (3) und Zuführen von frischer Verbrennungsluft, wobei zur Betätigung des verdichterseitigen Steuerleitgitters (3) und des turbinenseitigen Steuerleitgitters (11) jeweils zwei mit zueinander korrespondierenden Strömungsprofilen (20, 21) bestückte, gegeneinander drehbare sowie koaxial in der gleichen Radialebene angeordnete Ringe (3.1, 3.2; 11.1, 11.2) derartig gegeneinander verdreht werden, dass diese in Abhängigkeit von der jeweiligen Drehstellung der Ringe (3.1, 3.2; 11.1, 11.2) einen Strömungsquerschnitt (22) zwischen den Strömungsprofilen (20, 21) öffnen oder verschließen.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass während des Befüllens, der Verbrennung von Kraftstoff, der Expansion und der Spülung durch eine die wenigstens eine Brennkammer (6) umgebende Umluftkammer (4) Luft über offene Leitradkanäle (2, 10) von dem Verdichterlaufrad (1) zum Turbinenlaufrad (12) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass in die wenigstens eine Umluftkammer (4) eine geringe Brennstoffmenge eingeleitet wird, und dass diese Brennstoffmenge kontinuierlich in der Umluftklammer (4) verbrannt wird.
Verfahren nach einem der Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spülvorgang nicht durchgeführt wird..
Verfahren nach einem der Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Brennkammer (6) außer mit Luft zusätzlich mit einem anderen Medium gekühlt wird.
Verfahren nach einem der Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verbrennungsvorgangs in der Brennkammer (6) das turbinenseitige Steuerleitgitter (11) gering geöffnet ist.