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Erhitzungsverfahren für Gasturbinenantriebe und Vorrichtung zu seiner
Durchführung Es ist bekannt, daß die Temperatur der zum Antrieb einer Turbine dienernden
Gase begrenzt sein muß, um eine Beschädigung der Turbine zu verhindern. Andererseits
ist auch bekannt, daß die Temperatur der Gase am Ausgang der Turbine wesentlich
geringer als an ihrem Eingang ist, und zwar auf Grund der in der Turbine bewirkten
Entspannung der Gase. Nun ist es aber oft notwendig, am Ausgang einer Turbine Gase
von hoher Temperatur zu haben, um eine Energieerhöhung herbeizuführen, die beispielsweise
im Fall eines Turbostrahltriebwerkes den Schub zu erhöhen gestattet. Zu diesem Zweck
werden sogenannte Nachverbrennungsvorrichtungen, @d. h. Vorrichtungen vorgesehen,
die eine Verbrennung im Strom der Auspuffgase der Turbine herbeiführen, um die Temperatur
dieser Gase zu erhöhen. Es ist einleuchtend, daß dadurch keine Gefahr für eine Beschädigung
der Turbine besteht, weil diese Nachverbrennung hinter der Turbine stattfindet.
Diese Nachverbrennungsvorrichtungen können aus in der Auspuffleitung der Turbine
angeordneten Injektoren bestehen, die in den Strom der Auspuffgase, welche noch
einen hohen Anteil an Verbrennungsluft enthalten, eine zusätzliche Menge an Brennstoff
einführen.
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Die bereits vor der Turbine begrenzte Temperatur der Gase wird infolge
der in der Turbine bewirkten Entspannung der Gase noch beträchtlich herabgesetzt,
so daß die Zündung des zusätzlichen Brennstoffes zu einem Problem wird, weis dann
zur Zündung besondere Hilfseinrichtungen von mehr oder weniger komplizierter Ausbildung
erforderlich sind.
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Es ist bereits bekannt, Zündbrenner zu verwenden, die in der der Turbine
vorangehenden Brennkammer angeordnet sind und die gestatten, in diese Brennkammer
eine gewisse Menge an Brennstoff einzuführen, welche ,dazu bestimmt ist, eine merkliche
Erhöhung der Temperatur der Gase vor der Turbine herbeizuführen und insbesondere
eine Flamme zu erzeugen, welche durch die Turbine hindurchgeht und sich bis zu den
Nachverbrennungsinjekboren erstreckt, um auf diese Weise die Zündung des von diesen
Injektoren abgegebenen Brennstoffes zu gewährleisten. Es müssen jedoch besondere
Vorsichtsmaßregeln getroffen werden, um eine zu weit gehende Erhöhung der Temperatur
der Gase vor der Turbine und eine übermäßige Dauer,dieses Vorganges zu vermeiden,
damit die durch die Turbine hindurchgehende hllamme nicht zu intensiv wird und nicht
die Zeit hat, die Beschaufel:ung der Turbine zu beschädigen. Es ist insbesondere
unumgänglich notwendig, einerseits den zusätzlichen Brennstoff, der in die Brennkammer
eingeführt wird, in sehr genauer Weise zu dosieren und andererseits die Zeitdauer
der Einspritzung,des zusätzlichen Brennstoffes weitgehend zu beschränken. Dies bedingt
notwendigerweise die Anordnung von empfindlichen und komplizierten Regelvorrichtungen
und ruft eine sehr nachteilige Abhängigkeit in dem Sinn hervor, @daß, wenn aus einem
unvorhergesehenen Grund die Zündung des von den Nachverbrennungsinjektoren abgegebenen
Brennstoffes nicht augenblicklich erfolgt, es unmöglich ist, die Wirkung der Zündbrenner
zu verlängern, ohne die Gefahr zu laufen, die Turbine in unheilbarer Weise zu beschädigen.
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Es ist auch eine Gasturbine bekannt, bei welcher zum Erhitzen der
durch die Turbine hindurchgegangenen Gase hinter dem Laufrad ider Turbine Brennstoff
durch Zentrifugalwirkung in zerstäubtem Zustand in eine Kammer geschleudert wird,
in welcher der zerstäubte Brennstoff mit den aus dem Laufrad austretenden Gasen
vermischt und eine augernblxcldiche Verbrennung herbeigeführt wird. Bei einer anderen
bekannten Gasturbine mit mehreren aufeinanderfolgenden Stufen wird in den Gasstrom
vor der Beschaufelurng jeder Stufe und in Richtung auf die Beschaufelung Brennstoff
eingeführt und verbrannt, um die Gase zwischen den aufeinanderfolgenden Turbinenstufen
zu erhitzen. Es ist offensichtlich, daß bei diesen bekannten Turbinen an den Beschaufelungen
sehr hohe
Temperaturen entstehen, welche zu der Gefahr ihrer Beschädigung
führen können.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, bei einem Gasturbinenstrahlantrieb
vor oder innerhalb der Beschaufelung der Gasturbine einen zusätzlichen Kraftstoff
derart zuzuführen, @daß er erst in der hinter der Turbine angeordneten Rückstoßdüse
verbrannt wird, in welcher der Druck verhältnismäßig groß ist.
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Zweck der Erfindung ist, das Erhitzungsverfahren für Gasturbinenantriebe
mit Einführung von zusätzlichem Brennstoff in den Gasstrom vor der Turbinenbeschaufelung
und in Richtung auf diese, so daß die Verbrennung des zusätzlichen Brennstoffes
erst hinter der Turbine erfolgt, zu verbessern und die obengenannten Nachteile zu
vermeiden, so daß insbesondere die Zündung von Nachverbrennungsbrennern hinter der
Turbine gewährleistet ist, ohne die Beschaufelung der Turbine einer übermäßigen
Temperatur auszusetzen.
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Gemäß der Erfindung wird der Brennstoff all-s kompakter Strahl eingeführt
und mit einem Zutritt von relativ kalter Luft kombiniert, um das Inberührungkommen
des Strahles mit den heißen Gasen zu verzögern.
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Bei dem Erhitzungsverfahren gemäß der Erfindung wird die Bildung einer
Flamme innerhalb der Turbinenbeschaufelung mit größerer Sicherheit verhindert und
andererseits eine einwandfreie Zündung von Nachv erbrennungsbrennern hinter der
Turbine erhalten.
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Die Brennstoffmenge, die in Strahlform in die Turbine eingeführt wird,
kann dabei, die zur bloßen Zündung erforderliche Menge überschreitend, den Restbetrag
der im übrigen durch hinter der Turbine und in der Flammzone dieses Strahles angeordnete
Nachbrennerinjektoren gelieferten Brennstoffmenge darstellen.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.
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Fig. 1 ist ein schematischer AYialschnitt durch ein Turbostrahltriebwerk,
bei welchem die Erfindung angewendet ist; Fig. 2 ist ein Teilschnitt im vergrößerten
Maßstab. Bei der in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsform sind mit C der
Luftverdichter des Turbostrahltriebwerkes, mit Ch die Verbrennungskammern, mit T
die Gasturbine und mit R die Rückstoßdüse bezeichnet, die mit einer beliebigen bekannten
Vorrichtung S zum Regeln des Ausgangsquerschnittes der Düse versehen ist. Die Brennkammern
Ch werden mit Brennstoff durch Brenner B bekannter Art gespeist, während in der
Auspuffleitung der Turbine T eine 1Tachverbrennungseinrichtting Pc angeordnet ist,
auf welche Schirme E zum Stabilisieren der Flamme folgen.
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Die Wandungen der Brennkammern Ch liegen in an sich bekannter `'eise
in einem geringen Abstand von denjenigen des Gehäuses Mdes Triebwerkes, so daß eine
Leitung ,4 geschaffen :wird, welche den Umlauf von sekundärer Kühlluft rings um
die Brennkammern Ch gestattet. In den' Wandungen der Brennkammern sind seitliche
Öffnungen O vorgesehen, die einem Teil dieser sekundären Luft gestatten, in das
Innere der Brennkammern einzudringen, um auf diese -\Veise eine Verdünnung der verbrannten
Gase zu ge-Zvährleisten, bevor diese in die Turbine eingeführt werden.
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Gemäß der Erfindung sind in einer oder mehreren Brennkammern Ch ein
oder mehrere Injektoren I in der Nähe der Leitschaufeln D der Turbine
T angeordnet. Dieser Injektor I greift durch eine der öffnungen O hindurch
und ist derart ausgebildet, daß er einen stark konzentrierten Brennstoffstrahl T
erzeugt, welcher gegen die Leitschaufeln D gerichtet ist. Dieser Strahl reißt auf
Grund seiner Geschwindigkeit Sekundärluft mit sich, welche rings um den Strahl eine
Art von kühler Schutzhülle bildet, welche die unmittelbare Berührung des den Strahl
T bildenden Brennstoffes mit den durch die Brennkammer erzeugten heißen Gasen verhindert
und auf diese Weise jede Gefahr der Gesamtentflammung des Brennstoffes vor der Turbine
T ausschaltet.
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Dieser Strahl, welcher durch die Leitschaufeln D und die Laufradschaufeln
der Turbine hindurchgeht, wird einer beträchtlichen Durchwirbelung unterworfen,
die eine Zerstäubung und eine intensive Vorverdampfung des Brennstoffes gewährleistet,
so daß dieser am Ausgang der Turbine weitgehend atomisiert ist und mit den heißen
Auspuffgasen der Turbine in innige Berührung in einer Zone kommt, in welcher diese
Gase noch eine ziemlich hohe Temperatur besitzen. Diese innige Berührung gewährleistet
die Zündung des Brennstoffes, und es bildet sich eine Flamme F aus, welche sich
bis zu der hTachverbrennungseinrichtung Pc und vorzugsweise sogar bis zu den .die
Flamme stabilisierenden Schirmen E erstreckt. Diese Flamme gewährleistet-ihrerseits
ohne plötzlichen Stoß ein leichtes Zünden des von der Nachverbrennungseinrichtung
abgegebenen Brennstoffes.
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Es sei bemerkt, daß im Gegensatz zu den obenerwähnten bekannten Vorrichtungen,
-der von dem Injektor 1 abgegebene Brennstoff in der Brennkammer C7t. nicht brennt,
so daß auch keinerlei Erhöhung derTemperatur vor der Turbine erfolgt, und das Einspritzen
des Brennstoffes kann so lange fortgesetzt werden, wie dies erwünscht ist, und sogar
während der gesamten Arbeitsdauer der IN, achverbrennungseinrichtung. Überdies ist
es nicht notwendig, komplizierte Dosierungsvorrichtungen der Menge des Brennstoffes
vorzusehen; es ist lediglich notwendig, daß diese Menge ausreicht, daß die hinter
der Turbine erzeugte Flamme F genügend lang ist, um die Reihe Pc der Nachverbrennungsbremier
und vorzugsweise auch die Schirme E zu erreichen. Es könnte sogar -Liese Reihe der
Nachverbrennungsbrenner weggelassen werden, wobei dann die Gesamtmenge an zusätzlichem
Brennstoff von dem bzw. den Injektoren I geliefert wird.
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Es sei bemerkt, daß die Anwendung der Erfindung nicht auf N achverbrennungsvorrichtungen
für Turbostrahltriebwerke beschränkt ist, sondern sich auf alle Arten von Gaserhitzungsvorrichtungen
hinter einer Turbine erstreckt, wobei eine Injektion von zusätzlichem Brennstoff
vor der Turbine in Form eines konzentrierten Strahles, der gegen die Turbine gerichtet
ist, herbeigeführt wird. Insbesondere kann die Erfindung eine wichtige Anwendung
in dem Fall erfahren, in welchem es erwünscht ist, eine Zwischenerhitzung von Antriebsgasen
zwischen in Reihe angeordneten Turbinen herbeizuführen, wie dies bei gewissen Gasturbinenanlagen
der Fall ist.