DE1120821B

DE1120821B - Brennstoffanlage fuer Gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE1120821B
Application number: DER22115A
Authority: DE
Inventors: Alan Arnold Griffith
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1956-11-08
Filing date: 1957-11-07
Publication date: 1961-12-28
Also published as: GB869274A; US2984978A; FR1185569A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoffanlagen für Gasturbinentriebwerke, denen als Brennstoff gasförmiger Wasserstoff über Mittel zur Mengenregelung zugeführt wird, mit einem Vorratstank für den Brennstoff in flüssiger Form.

Erfindungsgemäß ist zwischen dem Vorratstank und der Brennkammer des Triebwerkes ein den Brennstoff dem Vorratstank in gasförmigem Zustand und bei etwa atmosphärischem Druck entnehmender Kompressor angeordnet.

Gegenüber einer bekannten Anlage, bei welcher der Brennstoff aus dem Vorratstank in flüssiger Form abgezogen und einem Verdampfer zugeführt wird, in welchem der flüssige Wasserstoff durch Verbrennungsprodukte erhitzt wird, hat der Erfindungsvorschlag den Vorteil, daß der Tank nicht entsprechend den hohen Gasdrücken dimensioniert werden muß, weil das Gas außerhalb des Tankes in dem Kompressor komprimiert wird. Hierdurch erhält man eine erhebliche Gewichtseinsparung. Die Summe der Gewichte des Tankes und des Kompressors ist wesentlich kleiner als das Gewicht eines Tankes, der gegen hohe Gasdrücke widerstandsfähig sein muß. Diese Gewichtsersparnis wird durch das Gewicht von Verdichter und Antriebsturbine zum Fördern und Verdichten des gasförmigen Wasserstoffes deshalb nicht wieder ausgeglichen, weil zur Förderung und Verdichtung der Verbrauchsmenge pro Zeiteinheit ein kleiner Kompressor nebst zugehöriger Antriebsturbine genügt. Beispielsweise erfordert ein Luftfahrzeug von 100 Tonnen Gewicht beim Start einen Wasserstoffstrom aus dem Vorratskessel von etwa 1,4 m³'see bei Siedetemperatur des Wasserstoffes. In diesem Fall würde das Gesamtgewicht des Kompressors und seiner Antriebsmaschine 300 kg nicht überschreiten.

Bei einer weiteren bekannten Anlage, die mit flüssigem Propan arbeitet, das bei über O⁰C unter Druck auf Vorrat gehalten wird, kann die Flüssigkeit dem Verdampfer ohne die Gefahr einer Blockierung der Heizkanäle durch Eis zugeführt werden. Wollte man jedoch diese bekannte Anlage mit flüssigem Wasserstoff, also bei einer Temperatur von —253° C betreiben, so wäre die Blockierung durch Eis unvermeidlich. Durch den Erfindungsvorschlag ist diese Schwierigkeit behoben.

Zweckmäßig ist der Voratstank zur Erwärmung des in ihm enthaltenen Brennstoffes ausgebildet, z. B. dadurch, daß er an einen von Turbinenabgasen beschickten Wärmeaustauscher angeschlossen wird, den ein Teil des verdichteten gasförmigen Brennstoffes im Rücklauf zu dem Vorratstank durchströmt.

Brennstoffanlage für Gasturbinentriebwerke

Anmelder:
Rolls-Royce.Limited, Derby (Großbritannien)

Vertreter: Dipl.-Ing. F. Weickmann

und Dr.-Ing. A. Weickmann, Patentanwälte,

München 2, Brunnstr. 8/9

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 8. November 1956 (Nr. 34 216)
und 24. Oktober 1957

Alan Arnold Griffith, Derby (Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden

Die Anlage kann der Versorgung eines Haupttriebwerkes und eines Hilfstriebwerkes für den Kompressor dienen. In diesem Fall wird der erwähnte Wärmeaustauscher von den Abgasen der Turbine des Hilfstriebwerkes beschickt.

In der Brennstoffzuleitung zu dem Hilfstriebwerk liegt ein von dem Druck in dem Vorratstank abhängiges Ventil, welches bei Überschreitung eines bestimmten Druckes schließt und bei Unterschreitung dieses Druckes öffnet.

Die Zeichnung zeigt die Erfindung beispielsweise an einem Luftfahrzeug mit Schubdüsenantrieb durch ein Gasturbinentriebwerk.

Das Gasturbinentriebwerk, das mit Brennstoff versorgt werden soll, umfaßt einen Kompressor 10, eine Brennkammer 11 zur Aufnahme von komprimierter Luft aus dem Kompressor 10 und eine Zuleitung 12 für Wasserstoffgas, das zusammen mit der Luft verbrannt wird; ferner eine Gasturbine 13, welche die Verbrennungsprodukte aufnimmt, und eine Schubdüse 14, durch welche die Gase unter Erzeugung eines Vortriebschubes in die Atmosphäre austreten. Die Brennstoffzufuhranlage umfaßt einen wärmeisolierten Speicherkessel 15 für flüssigen Wasserstoff; dieser Kessel ist an seinem oberen Ende über eine Saugleitung 16 mit dem Einlaß eines mehrstufigen

5c Zentrifugalverdichters 17 verbunden; von diesem gelangt das Wasserstoffgas durch die Leitung 12 zu der Brennkammer 11 des Gasturbinenwerkes. In der

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Leitung 12 liegt ein Regelventil 18, das die Zuführung von Wasserstoffgas zur Maschine steuert.

Der Kompressor 17 wird durch ein Hilfsgasturbinentriebwerk angetrieben; letzteres besteht aus einem Kompressor 19, der verdichtete Luft an eine Brennkammer 20 abgibt, in welche auch Wasserstoffgas zur Verbrennung mit Luft eintritt; ferner einer den Kompressor antreibenden Turbine 21, die von den Verbrennungsprodukten aus der Brennkammer beaufschlagt wird und den Kompressor 19 über eine Welle 22 antreibt, und schließlich einer Niederdruckturbine 23, welche über eine Welle 24 den Kompressor 17 antreibt. Die Abgase der Turbine 23 gelangen über eine Leitung 25 zu einem Wärmeaustauscher 29, dessen Abgase bei 30 in die Atmosphäre austreten.

Der Wärmeaustauscher 29 dient zur Erwärmung eines Teiles des durch den Kompressor 17 verdichteten Wasserstoffgases, bevor es zu dem Speicherkessel zurückkehrt, um den flüssigen Wasserstoff zu erwärmen. Um dies zu erreichen, führt eine Leitung

37 von der Hauptleitung 12 zu dem Wärmeaustauscher 29; ferner ist letzterer durch eine Leitung

38 mit dem Kessel 15 verbunden; das Ende 38 a der Leitung 38 liegt dicht über dem Boden des Kessels 15 und ist perforiert. In der Leitung 38 befindet sich ein Absperrhahn 39. Bei einer abgewandelten Ausführungsform kann die Leitung 37 unmittelbar mit der Ausgangsseite der ersten Stufe des Zentrifugalverdichters verbunden sein, wie durch die gestrichelte Linie 27 angedeutet.

Die Zufuhr von Wasserstoffgas zu der Brennkammer 20 des Hilfsgasturbinentriebwerkes erfolgt über eine Nebenleitung 31 von der Hauptleitung 12 aus. In der Nebenleitung 31 liegen ein Absperrhahn 32 und ein Steuerventil 33 zur Regelung der Zufuhr von Wasserstoffgas zu der Brennkammer 20. Das Ventil 33 wird durch einen evakuierten Balg 34 betätigt, der innen durch eine Feder 35 belastet ist; außen ist dieser Balg über eine Leitung 36 durch den Druck beaufschlagt, der im Innern des Kessels 15 herrscht. Die Anordnung ist so getroffen, daß, wenn der Druck in dem Kessel 15 auf einen durch die Kraft der Feder 35 bestimmten Wert ansteigt, das Ventil 33 geschlossen wird, daß aber, wenn der Druck in dem Kessel 15 abnimmt, das Ventil 33 geöffnet wird.

Durch den Balg 34 wird ein weiteres Ventil 26 gesteuert, das in der Leitung 37 liegt, so daß die Zufuhr von erwärmtem, verdichtetem Wasserstoff zu dem Kessel 15 abgeschnitten wird, wenn der Druck in dem Kessel über einen Wert ansteigt, der durch die Kraft der Feder 35 bestimmt ist. In dem Kessel kann auch ein Überdruckventil (nicht gezeigt) vorgesehen sein.

Im Betrieb wird die Hauptregelung der Brennstoffanlage durch das Regelventil 18 bewerkstelligt; der Druck in dem Kessel 15 wird mittels des Ventils 33 konstant gehalten. Wenn der Druck in dem Kessel 15 ansteigt, werden die Ventile 33 und 26 in Schließrichtung bewegt, wodurch so die Versorgung der Brennkammer 20 des Hilfsgasturbinentriebwerkes mit Brennstoff verringert wird; gleichzeitig wird die Zuführung von erwärtem Wasserstoff in den Kessel 15 verringert.

Das in der Leitung 12 strömende verdichtete Wasserstoffgas kann für Kühlzwecke ausgenutzt werden, beispielsweise zum Kühlen von Teilen eines Luftfahrzeuges, in welches das Gasturbinentriebwerk eingebaut ist.

Wenn ein mit der erfindungsgemäßen Brennstoffanlage ausgerüstetes Luftfahrzeug am Boden steht, kann das Hilfsgasturbinentriebwerk in Betrieb gehalten werden zur Verbrennung von Wasserstoffgas, das natürlicherweise aus dem Vorrat an flüssigem Wasserstoff in dem Kessel 15 verdampft; in diesem

ίο Falle würde das Ventil 39 geschlossen werden.

Die Federbelastung 35 hält vorzugsweise einen absoluten Druck ein, der kleiner ist als der atmosphärische Druck am Boden. Wenn daher das Luftfahrzeug am Boden steht, dann unterliegt der Kessel 15 außen einem Druck, der höher ist als der in dem Kessel herrschende Druck, so daß durch Undichtheiten Luft in das Innere des Kessels eindringt. Diese in den Kessel eintretende Luft gefriert und dichtet dabei die undichten Stellen, wenn solche vorhanden

ao sind, ab.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Brennstoffanlage für Gasturbinentriebwerke, denen als Brennstoff gasförmiger Wasserstoff über Mittel zur Mengenregelung zugeführt wird, mit einem Vorratstank für den Brennstoff in flüssiger Form, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Vorratstank (15) und der Brennkammer (11) des Triebwerkes ein den Brennstoff dem Vorratstank in gasförmigem Zustand und bei etwa atmosphärischem Druck entnehmender Kompressor (17) angeordnet ist.

2. Brennstoffanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratstank (15) zur Erwärmung des in ihm enthaltenen flüssigen Brennstoffes ausgebildet ist.

3. Brennstoff anlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratstank (15) an einen mit Turbinenabgasen beschickten Wärmeaustauscher (29) angeschlossen ist, den ein Teil des verdichteten gasförmigen Wasserstoffes im Rücklauf zu dem Vorratstank (15) durchströmt.

4. Brennstoffanlage nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie der Versorgung eines Haupttriebwerkes (10 bis 14) und eines Hilfstriebwerkes (19 bis 23) für den Kompressor (17) dient.

5. Brennstoffanlage nach Ansprach 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (29) durch die Abgase der Turbine (23) des Hilfstriebwerkes beschickt wird.

6. Brennstoffanlage nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennstoffzuleitung zu dem Hiifstriebwerk ein von dem Druck in dem Tank (15) abhängiges Ventil (33) liegt, welches bei Überschreitung eines bestimmten Druckes schließt und bei Unterschreitung dieses Druckes öffnet.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 668 602, 661642; französische Patentschrift Nr. 918 316;
Zeitschrift »Engineering«, Bd. 181, 1956, S. 470.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen