DE1130646B - Diagonalgasturbinen-Energieanlage - Google Patents

Description

Anmelder:

De Laval Steam Turbine Company, Trenton, N.J. (V.St.A.)

Vertreter: Dr. E. Wiegand, München 9,

und Dipl.-Ing. W. Niemann, Hamburg 1, Ballindamm 26, Patentanwälte

Rudolph Birmann, Newtown, Pa. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

Die Erfindung bezieht sich auf eine Diagonalgasturbinen-Energieanlage mit einem Gehäuse, das einen
Läufer einschließt, der einerseits Diagonal-Kompressorschaufeln mit zentrifugaler Durchströmung und
andererseits Diagonal-Turbinenschaufeln mit zentri- 5
petaler Durchströmung trägt, mit einer den Läufer
umgebenden ringförmigen Brennkammer, in welche
aus der Kompressorbeschaufelung kommende Luft
und in dieser Luft zu verbrennender Brennstoff eingeführt werden und welche einen dünnen Metall- io
wandteil aufweist, der flammrohrartig größere Bereiche der Innenfläche der Brennkammer mit Abstand überdeckt und mit dieser Fläche einen Luftdurchgang begrenzt, der mit dem Teil der Brennkammer in Verbindung steht, der aus der Kompressor- 15
beschaufelung verhältnismäßig kühle Luft empfängt,
und ferner mit Turbinendüsen, welche die Gase aus
der Brennkammer stoßfrei aufnehmen und sie zum _

Antrieb des Läufers in die Turbinenbeschaufelung ^

richten, wobei die Düsen von hohlen Leitschaufeln 20 der Innenfläche der Brennkammer mit Abstand überbegrenzt sind, deren Innenräume mit dem genannten deckt und einen zweiten Luftdurchgang schafft, Lui'tdurchgang in Verbindung stehen. dessen Eingang mit dem Teil der Brennkammer in

Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer Verbindung steht, der aus der Kompressorbeschaufe-Energieanlage der vorgenannten Art, die gegenüber lung verhältnismäßig kühle Luft empfängt, daß bekannten Anlagen auf Grund einer besonderen In- 25 jedoch dieser Luftdurchgang die durch ihn hindurchduktionswirkung einen kräftigeren und zuverläs- strömende kühle Luft nach Richtungsbeeinflussung sigeren Kühlluftstrom zu erzielen gestattet und damit
eine besonders wirksame Kühlung sowohl der Brennkammerwandung als auch der Turbinenschaufeln ermöglicht. 30

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht,
daß die Innenräume der Leitschaufeln die aus dem
Luftdurchgang aufgenommene Luft in an sich bekannter Weise über die offenen Leitschaufelhinterkanten unmittelbar in Richtung des durch die Düsen 35 -leitschaufeln liegende Innenfläche des Gehäuses mit hindurchgehenden Stromes der Antriebsgase in Abstand überdeckt und mit dieser Fläche einen Luftdiesen Strom austreten lassen. durchgang begrenzt, wobei Mittel vorgesehen sind,

Bei der Anlage gemäß der Erfindung ist somit der die einen Teil der aus der Kompressorbeschaufelung mit Luft von etwa Kompressoraustrittsdruck beauf- empfangenen verhältnismäßig kühlen Luft durch den schlagte Luftdurchgang, der zwischen dem dünnen 40 von dem genannten dritten dünnen Metallwandteil Metallwandteil und der Brennkarnmerinnenfläche ge- gebildeten Luftdurchgang strömen lassen, um das Gebildet ist, mit dem die Antriebsgase zu der Turbinen- häuse zu kühlen. Bei dieser Ausführungsform kann beschaufelung führenden Kanal an einer Stelle ver- die Anordnung so getroffen sein, daß der von dem bunden, die stromab der Brennkammer und stromab dritten Metallwandteil gebildete Luftdurchgang die der Turbinenleitschaufeln liegt und an der ein nied- 45 durch ihn hindurchströmende kühle Luft in das rigerer Druck als am Einlaß des Luftdurchganges Innere der die Turbinendüsen begrenzenden hohlen herrscht, so daß zufolge des Druckgefälles die be- Leitschaufeln abgibt.

absichtigte kräftige und zuverlässige Kühlluftströmung Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung

erzeugt wird. können auch die von dem Läufer getragenen Tur-

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist 50 binenschaufeln in an sich bekannter Weise hohl ausin an sich bekannter Weise ein weiterer zweiter gebildet sein und an sich bekannte Mittel vorgesehen dünner Metallwandteil vorgesehen, der einen Bereich sein, die von der Kompressorseite des Läufers Luft

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durch die Leitschaufeln so abgibt, daß sie erst mit den Gasen vermischt wird, die aus den durch die hohlen Leitschaufeln begrenzten Düsen austreten.

Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist gemäß einem weiteren Merkmal, für das jedoch kein selbständiger Schutz beansprucht wird, ein weiterer dritter dünner Metallwandteil vorgesehen, der eine in der Nähe der Turbinenlauf- und

abzweigen und sie in das Innere der hohlen Turbinenschaufeln führen, um diese zu kühlen.

Bei dieser Ausführungsform kann auch der Läufer in an sich bekannter Weise hohl ausgebildet sein und die von der Kompressorseite abgezweigte Luft in den Hohlraum des Läufers und von da in die hohlen Turbinenschaufeln strömen. Die inneren Teile der hohlen Turbinensohaufeln können dabei die Luft aus deren Innenräumen in an sich bekannter Weise so abgeben, daß sie mit den zwischen den Turbinenschaufeln hindurchgehenden Antriebsgasen vermischt wird.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 ist ein senkrechter Axialschnitt durch eine Gasturbinen-Energieanlage gemäß der Erfindung, welche zum Arbeiten mit im wesentlichen konstanter Drehzahl bestimmt ist:

Fig. 2 ist ein Teilschnitt nach der Linie 2-2 der

grenzt sind, die von dem rechten Teil 7 des Läufers getragen werden. Die Gase werden mit einem restlichen Drall, jedoch ohne eine wesentliche radiale Bewegungskomponente in einen ringförmigen Raum 68 abgegeben, aus welchem sie in einen sich in radialer Richtung erstreckenden Diffusor 70 gerichtet werden, welcher mit einer ringförmigen Auslaßschnecke 72 in Verbindung steht, die einen (nicht dargestellten) tangentialen Auslaß zur Atmosphäre hat.

Vorstehend ist der Hauptstrom beschrieben worden. Jedoch werden gewisse Teile der komprimierten Luft veranlaßt, in anderen Bahnen — in Nebenwegdurchgängen — zu strömen.

Eine Blechwand 30 ist im Abstand zu der Wandung, die die linke Begrenzung der Brennkammer 20, der die durch die Schaufeln 28 gebildeten Düsen und des Raumes40 darstellt, angeordnet, um einen Raum 34 zu schaffen, in welchen ein Teil der komprimier-Fig. 3 ist ein Teilschnitt nach der Linie 3-3 von 20 ten Luft in ringförmigem Strom bei 32 eintritt, um Fig. 1; einwärts zu strömen. Dieser Teil der komprimierten

Fig. 4 ist ein Teilschnitt längs der Umdrehungs- Luft wird von den Leitschaufeln 28 geführt, die sich fläche, deren Verlauf bei 4 in Fig. 1 angedeutet ist; durch die Blechwand 30 hindurch quer durch den Fig. 5 ist ein senkrechter Axialschnitt durch eine Raum 34 erstrecken, so daß die Luft die zwischen Gasturbinen-Energieanlage, welche Nutzenergie bei 25 diesen Schaufeln 28 befindlichen Kanäle mit einem

Drall verläßt, welcher demjenigen der Verbrennungsgase entspricht, die ebenfalls von diesen Schaufeln 28 geführt werden. Die Luft verläßt dann den Raum 34 bei 36, wo sie eine Schicht zwischen den Verbrennungsgasen und zusätzlicher Luft bildet, welche durch eine Leitung 38 über dem Umfang der Läufernabe aus der Zone im unmittelbaren Anschluß an die radial äußeren Ansätze der Kompressorschaufeln am Läufer längs des Umfangs der Nabe und durch die

ein Gehäuse, welches mit einer Lufteinlaßleitung 2 35 nahe der Nabe liegenden Teile der Turbinenschaufelversehen ist, durch welche hindurch Luft in die Ka- kanäle geführt wird.

näle zwischen den Kompressorschaufeln 4 eintritt, die Eine zweite Blechwand 42 ist im Abstand von der

von dem linken Teil 6 eines Läufers getragen werden, rechten Wandung der Brennkammer 20 angeordnet, dessen rechter Teil bei 7 angedeutet ist. Dieser Läufer um einen Luftraum 43 zu bilden, welcher bei 44 Luft ist in LagernS und 10 angeordnet und so ausgeführt, 40 in ringförmigem Strom aufnimmt und sie so führt, daß er über seine Ausgangswelle und eine Kupplung daß sie bei 46 in das Innere der hohlen Leitschaufeln 12 Nutzenergie abgibt. 28 strömt. Ein Teil der Luft, welche in den Raum

Das Gehäuse 14 schafft eine äußere Begrenzung 43 eintritt, geht durch Öffnungen 50 in eine Kamfür die Kompressorluftkanäle, und die komprimierte mer 51 und von dort durch Öffnungen 52 in einen Luft wird hauptsächlich in einen schaufellosen Dif- 45 Raum hinein, der außen durch die Wandung der fusorl6 abgegeben, in welchem die Strömungsrich- Kammer 51 und innen durch eine dünne, sich vertung der Luft sanft verändert wird, um in den sich jungende Wandung 48 begrenzt ist, die die rechte in radialer Richtung erstreckenden, mit Schaufeln obere Begrenzung des Raumes 40 und der Gaskanäle versehenen Diffusor 18 einzutreten, in dem ein zwischen den Turbinenschaufeln 56 bildet. Die längs wesentlicher Teil der kinetischen Energie der Luft 50 der Blechwand 42 austretende Luft tritt ebenfalls in in Druck umgewandelt wird. Der größte Teil der den die hohlen Leitschaufeln 28 bei 54 ein. Die hohlen Diffusor 18 verlassenden Luft behält jedoch ein be- Leitschaufeln 28 sind an ihren Abgabekanten offen, trächtliches Ausmaß an Drall und wird unter der so daß die abgegebene Luft sich mit den durch die Führung von ringförmigen Schaufeln 22 und 24 in Leitschaufelkanäle hindurchgehenden Verbrennungseine ringförmige Brennkammer 20 gefördert. Der 55 gasen mischt.

Raum zwischen diesen Schaufeln hat eine divergie- Die Turbinenschaufeln 56 sind hohl, und die sie

rende Form in Richtung der Spiralströmung; infolge- bildenden einzelnen Teile sind am Umfang 58 und dessen wird ein verhältnismäßig kleiner Teil der zwi- an den Einlaßkanten 60 der Turbinenschaufeln mitschen diese Schaufeln eintretenden Luft verlangsamt, einander verschweißt. Die Innenräume dieser Schau- und in diesen Teil wird Brennstoff durch eine Reihe 60 fein sind an ihren Abgabekanten offen, von Brennstoffdüsen 26 eingespritzt, die in einem Leitungen 64, welche mit den Kompressorschaufel-

Kreis rings um die Drehachse angeordnet sind. kanälen in Verbindung stehen, dienen dazu, Luft aus

Aus der Brennkammer 20 treten die Gase mit diesen Kanälen in einen Hohlraum 62 in der Läuferihrem Drall in Düsen ein, die durch hohle Schaufeln nabe hindurchsickern zu lassen, und aus diesem 28 begrenzt sind, welche Gase in radialer Richtung 65 Raum gelangt die Luft durch Leitungen 66 in das einwärts zu einem schaufellosen Expansionsraum 40 Innere der Schaufeln 56 und wird in den aus den richten, aus dem die Gase in die Turbinenkanäle ein- Turbinenschaufelkanälen austretenden Gasstrom abtreten, welche durch hohle Turbinenschaufeln 56 be- gegeben.

veränderlicher Drehzahl ihrer Ausgangswelle liefern soll;

Fig. 6 ist ein senkrechter Axialschnitt durch eine als Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine ausgebildete Anlage;

Fig. 7 ist eine Ansicht der Fig. 6, von rechts gesehen.

Unter einleitender Bezugnahme auf die in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Energieanlage enthält diese

Nachdem vorstehend die allgemeine Ausbildung und die Stromwege beschrieben worden sind, wird nachstehend die Arbeitsweise im einzelnen beschrieben.

Die Nabe, welche aus den Teilen 6 und 7 besteht und den Hohlraum 62 einschließt, hat die Form eines Umdrehungskörpers catenoider Art. Kurz ausgedrückt, diese Ausführung ist von solcher Art, daß die dünneren Teile der Nabe, welche außerhalb des

in der Brennkammer vorhandene Wirbelungszustand im wesentlichen das vollständige Vermischen der Verbrennungsgase mit der Luft, so daß homogene Gase mit hoher Temperatur in die Turbinendüsen 5 eintreten.

Die Tatsache, daß der sich den Turbinendüsen nähernde Strom bereits eine beträchtliche kinetische Energie besitzt, bedeutet, daß eine beträchtliche Herabsetzung der Beschleunigung vorhanden ist, die

Raumes 62 liegen und ihn flankieren, im wesentlichen io in den Turbinendüsen stattfinden muß, und daß nur unter der Last ihres eigenen Materials und der praktisch jedwedes Drehen des Stromes in diesen sie tragenden Schaufel unter Spannung stehen, mit Düsen beseitigt ist. Die aus den Turbinendüsen ausdem Ergebnis, daß Biegungsbeanspruchungen prak- tretenden Gase treten in den Raum 40 ein, wo dei tisch beseitigt sind und eine maximale Ausnutzung Wirbelstrom zum Eintritt in die Turbinengaskanäle der Festigkeit des Nabenmaterials mit dem Ziel er- 15 in richtiger Weise aufrechterhalten wird, reicht wird, daß die Nabe verhältnismäßig leicht aus- Jede Turbinenschaufel besteht aus zwei getrenngebildet werden kann, insbesondere an denjenigen ten Hälften, die beide aus dünnem zugespitztem Blech Stellen, die einen maximalen Radius haben. Es im Gesenk hergestellt worden sind. Diese beiden können auf diese Weise sehr hohe Umfangsgeschwin- Hälften werden durch eine fortlaufende Schweißnaht digkeiten mit minimalen Beanspruchungen erhalten 20 längs der Eintrittskante zu einer einzigen Schaufel werden. vereinigt, und das zusammengesetzte Profil an der Der Kompresser ist ein solcher mit diagonalei Spitze schließt daher einen kleinen Hohlraum für den Strömung, der so bezeichnet ist, weil der durch seine Durchgang von innen strömender Kühlluft ein. Diese Laufschaufeln hindurchgehende Strom teilweise axial hohlen Schaufeln sind mit verbreiterten Fußteilen und teilweise radial verläuft. Im Gegensatz zu Korn- 25 versehen, welche in Schlitze, die in die Läufernabe pressoren mit axialer Strömung sind Kompressoren eingearbeitet sind, hineinpassen und mit ihnen hartmit diagonaler Strömung (und auch mit Zentrifugal- verlötet werden.

strom) durch die Tatsache gekennzeichnet, daß ein Die Kühlluft, welche durch die Leitungen 64 in beträchtlicher Teil des gesamten Druckanstiegs das den Raum 62 eintritt und dann durch die Leitungen unmittelbare Ergebnis der Zentrifugalwirkung ist. Da 30 66 in das Innere der Turbinenschaufeln gelangt, wird dieser Teil des gesamten Druckanstiegs, der bis zu in diesen Leitungen erhitzt, und zufolge ihrer Ein-60% oder mehr des Gesamtdruckes betragen kann, wärtsströmung und Expansion an den Abgabekanten mit einem lOOVoigen Kompressionswirkungsgrad er- der Turbinenschaufeln wird ihre Wärme- und Druckreicht wird, könnte erwartet werden, daß Kompres- energie in künstliche Energie umgewandelt, welche soren mit diagonaler Strömung einen höheren Ge- 35 eine vollständige Wiedergewinnung der für die Kühlsamtwirkungsgrad als Kompressoren mit axialer Strö- · luft aufgewandten Kompressionsarbeit und eine teilmung haben wurden. Jedoch kann dieser Wirkungs- weise Wiedergewinnung der Wärme darstellt, die von grad nur durch richtige aerodynamische Ausbildung den Schaufeln während ihrer Abkühlwirkung abder durch die Laufschaufeln 4 begrenzten Kanäle er- sorbiert worden ist. Mit anderen Worten ausgedrückt, halten werden. Demgemäß sind die Kompressor- 40 der Arbeitskreislauf dieser Kühlluft umfaßt eineKomschaufelkanäle so ausgeführt, daß sie die Aufrecht- pression, ein Erhitzen (unter Kühlen der Schaufeln) erhaltung der radialen Stabilität des Stromes berück- und eine nachfolgende Expansion, um eine weitsichtigen, wie dies vorzugsweise durch Aufrecht- gehende Energierückgewinnung zu ermöglichen, erhaltung einer freien Drallströmung durch ihn hin- Der Luftstrom über den Umfang der Nabe durch durch erreicht wird. Die Sohaufelformen sind derart, 45 den Raum 38 hindurch dient nicht nur dazu, den daß jedem Luftteilchen unabhängig von der Strö- Umfang der Nabe zu kühlen, sondern auch dazu, die mungsfläche, längs welcher es wandert, eine gleiche Nabe und die Turbinenschaufeln an den Füßen dieser Energiemenge erteilt wird. Die Schaufelform ist Schaufeln zu kühlen, da diese Luft längs der Nabe weiterhin durch richtige aerodynamische Belastung strömt und dazu dient, die Turbinenantriebsgase von der Schaufeln und richtige Lastverteilung gekenn- 50 der Nabe zu isolieren. Diese Luft nimmt weiterhin zeichnet. an einem Kreislauf teil, welcher eine Kompression,

Der schaufellose Diffusor 16 bewirkt teilweise die Umwandlung von Energie in Druck, und diese Umwandlung erfolgt weiterhin in den Kanälen, die durch die Diffusorschaufeln 18 begrenzt sind. Jedoch wird 55 bei der vorliegenden Ausführung diese Umwandlung nur teilweise bewirkt, und die in die Verbrennungskammer eintretende Luft behält noch einen sehr hohen Anteil ihres Dralls.

Bezüglich der Brennkammer sei bemerkt, daß die 60 Diese Luft wird von den Leitschaufeln gerichtet und Einlasse 32 und 44 in die Räume hinter den dünnen tritt bei 36 aus; sie schafft einen zweiten Kühlstrom Metallwandteilen in solchen Stellungen angeordnet außerhalb des aus der Leitung 38 austretenden Luftsind, daß sie außerhalb des Bereichs der Flamme stromes und zwischen diesem und den Verbrennungsliegen und infolgedessen nur die verhältnismäßig gasen. Demgemäß dient sie weiterhin dazu, eine kühle Luft in diese Räume eintritt. Dort, wo diese 65 Kühlung der Füße der Turbinenschaufeln vorzu-Eintrittsstellen vorhanden sind, haben sich die Ver- nehmen. Bemerkt sei, daß diese Luft ebenfalls in brennungsprodukte noch nicht nach außen ver- einen Arbeitskreislauf von Kompression, Erhitzen breitet, Jenseits dieser Eintrittsstellen beeinflußt der und Expansion eingeschlossen ist, um eine Wieder

ein Erhitzen und eine Expansion umfaßt, um eine wesentliche Wiedergewinnung der bei ihrer Kompression verbrauchten Energie zu erreichen.

Die bei 32 in den engen Raum 34 eintretende Luft dient dazu, die dünne Blechwand 30 zu kühlen und die dickere Wandung zwischen der Brennkammer und dem Diffusor gegen die hohe Temperatur zu isolieren, die in der Brennkammer vorhanden ist.

Achse angerodnet sind. Diese Rohre 88 geben ihrerseits die Luft in die Zwischenräume zwischen Schaufeln 90 ab, welche der Luft in der Drehrichtung des Läufers einen Drall erteilen und sie in die Brennkammer 98 abgeben. Ringförmige Führungsschaufeln 92 und 94 dienen dazu, die Luft in die Brennkammer drehend zu bewegen, und weiterhin dazu, einen Raum zu begrenzen, in welchen Brennstoff aus Brennstoffdüsen 96 abgegeben wird und welcher

gewinnung der bei ihrer Kompression verbrauchten Energie und wenigstens eine teilweise Wiedergewinnung der während ihrer Kühlwirkung absorbierten Wärme zu ermöglichen.

Die Luft hinter der Wand 42 und außerhalb der Wandung 48 ist in einen ähnlichen Kreislauf eingeschlossen und geht in die Verbrennungsgase über, die aus den Düsen ausströmen und dann durch die Turbinenbeschaufelung hindurchgehen.

Die Luft, welche die Wandungen der Brennkammer io Luft zur Verbrennung durch Öffnungen 93 und 95 in kühlt, und die Verwendung von Wärmewiderstands- den Schaufeln 92 und 94 aufnimmt. Aus der Brennfähigen Legierungen für die dünnen Wände 30, 42 kammer 98 strömt die Luft durch hohle Leitschaufeln und 48 dienen zum Schutz der die Brennkammer be- 100, ähnlich denen, wie sie beim obigen Ausführungsgrenzenden Teile des Gehäuses, um so die Schwierig- beispiel beschrieben wurden. Wie bei dem oben bekeiten auf ein Geringstmaß zu rezudieren, welche 15 schriebenen Ausführungsbeispiel ist im Abstand von sich sonst aus der intensiven Erhitzung des Gehäuses der Brennkammerwandung eine dünne Metallwand ergeben würden. Zusammenfassend ist zu bemerken, 102 angeordnet, welche einen Luftraum begrenzt, der daß der Gesamtweg der heißen Gase wirksam durch bei 104 Luft aufnimmt und sie bei 106 abgibt, wobei Kühlluft begrenzt ist, mit Ausnahme der Düsen und eine Ablenkung der Luft durch die Schaufeln 100 der Turbinenschaufeln selbst, die von innen gekühlt 20 erfolgt, die sich quer durch den Raum zwischen den werden. Demgemäß sind die Schwierigkeiten, welche beiden Wandungen erstrecken. Eine Blechwand 108, bisher bei Vorhandensein von hohen Temperaturen die den inneren Teil der Brennkammer auskleidet, auftraten, völlig beseitigt. ist von ihrer Begrenzungswandung im Abstand an-

Wie allgemein bekannt, steigt die Energieausgangs- geordnet und nimmt Luft bei 110 auf und gibt sie bei leistung einer Turbine schnell mit dem Absinken des 25 112 in die Hohlräume in den Leitschaufeln ab. Ein Druckes, gegen welchen Abgabe der Turbine erfolgt. Teil der Luft wird durch eine Öffnung 114 in eine Bei der vorliegenden Erfindung treten die Gase, ringförmige Kammer 116 geführt, aus welcher sie welche aus der Turbine abgegeben werden, in den durch eine Leitung 118 in einen Raum 120 hinter schaufellosen Diffusor 70 ein, in welchem die rest- einer Wand 122 wandert, welche eine äußere Beiiche kinetische Energie in Druck umgewandelt wird. 30 grenzung für die Gasleitungen durch die beiden Tur-Da der Diffusor mit der Außenluft in Verbindung binen hindurch bildet. Der Raum 120 gibt die Luft steht, muß der erhaltene Enddruck der Atmosphären- bei 124 in die Öffnungen in den Schaufeln 100 ab, druck sein, und das Ergebnis ist, daß im Betrieb im und aus diesen Öffnungen wird die Luft an den Bereich des Raumes 68 an der Abgabestelle aus der inneren Enden der Schaufeln abgegeben, um sich mit Turbine ein unter Atmosphärendruck liegender Druck 35 dem Arbeitsmittelstrom zu vermischen. Turbinenvorhanden ist, woraus sich eine wirksame Verringe- schaufeln 126, welche eine Hochdruckstufe bilden, rung des Druckes an der Abgabestelle der Turbine werden von dem rechten Teil 128 des Läufers geim Gegensatz zu dem Druck ergibt, der vorhanden tragen. Ein Hohlraum 130 in der Läufernabe nimmt sein würde, falls die Turbine direkt in die Atmosphäre bei 132 Luft aus den Kompresserschaufelkanälen abgeben würde. Der Wirkungsgrad des Arbeitskreis- 40 auf, und diese Luft wird durch Leitungen 134 in die laufes wird auf diese Weise erhöht. Hohlräume in den Turbinenschaufeln 126 abgegeben,

Die insoweit beschriebene Energieanlage ist für welche ihrerseits die Luft an ihren Abgabekanten abein Arbeiten der Abgangswelle mit im wesentlichen geben.

konstanter Drehzahl geeignet, da für einen richtigen Aus vorstehenden Darlegungen ist ersichtlich, daß

Betrieb der Turbokompressor mit annähernd kon- 45 die soweit beschriebene Ausführung mit Ausnahme stanter Drehzahl arbeiten soll. Die Anlage ist daher des Wärmeaustauschers derjenigen gemäß Fig. 1 zum Antreiben von Generatoren, Pumpen, Kompres- weitgehend ähnlich ist, und entsprechende Betrachsoren od. dgl. anwendbar. Für Anwendungszwecke, tungen treffen auf die entsprechenden Teile zu und bei denen die Abgangsdrehzahl sich innerhalb weiter brauchen im einzelnen nicht beschrieben zu werden; Grenzen verändert, beispielsweise beim Antrieb von 50 es ist die gleiche Ausführung der Antriebs- und Tur-Lokomotiven oder Straßenfahrzeugen, muß die binenbeschaufelung, der Läufernabe und der Kühleinrichtungen vorgesehen. Selbstverständlich tritt ein Druckverlust durch die Wärmeaustauschrohre auf.

Der Hochdruckturbinen-Kompressorläufer ist mit
55 einem Lager 136 versehen und hat ein rechtes Lager
138 innerhalb der Nabe 140 eines Niederdruckturbinenläufers, der in einem Lager 141 und vermittels seiner Welle in Lagern 142 und 143 gelagert
ist. Die Niederdruckturbine ist mit einer Beschau-

der vorher beschriebenen Ausführungsform wird die 60 feiung 144 versehen, die für richtige Drallströmung Luft von dem Kompressor an einen schaufellosen in Übereinstimmung mit den gleichen Grundsätzen Diffusor 80 abgegeben, auf welchen ein mit Schaufeln wie die Hochdruckbeschaufelung ausgeführt ist. Die versehener Diffusor 82 folgt, der die Luft in einen Niederdruckturbine gibt ihre Gase in einen Ring-Ringraum 84 abgibt und der in vorliegendem Fall raum 146 ab, der mit einem schaufellosen Diffusor dazu dient, den Drall der Luft beträchtlich zu ver- 65 148 in Verbindung steht, der den restlichen Drall der ringern. Schaufeln 86 nehmen die Luft auf und lenken Gase in Druck umwandelt und die Gase in einen Geihre Strömung in radialer Richtung nach außen in häuseraum 150 abgibt, der die Wärmeaustauschrohre Wärmeaustauschrohre 88, welche ringförmig um die 88 umgibt und aus dem die Abgabe in ein Auslaß-

leistungsliefernde Turbine unabhängig von der Turbine sein, welche den Kompressor antreibt. Eine Ausführungsform der Erfindung, welche sich für diesen Zweck eignet, ist in Fig. 5 dargestellt.

In dieser Figur ist das Gehäuse mit einem Lufteinlaß 74 versehen, durch den Luft zu der Kompressorbesehauf elung 74 strömt, die von dem linken Teil 78 eines primären Läufers getragen wird. Wie bei

ίο

sammelgehäuse 152 stattfindet, welches die Gase durch einen Auslaß 154 in die Atmosphäre abgibt. Die Welle des Läufers 140 gibt ihre Nutzenergie übei ein bei 156 und 158 angedeutetes, innerhalb eines Getriebegehäuses 160 angeordnetes Reduktionsgetriebe ab, das von üblicher Ausführung sein kann. Mit Ausnahme der Aufrechterhaltung der Drallbewegung der Luft durch die Brennkammer hindurch und in die Turbinendüsen hinein sind die Vorteile

der komprimierten Luft auf einem Minimum und ergibt eine außerordentlich große Einfachheit und Zusammengedrängtheit der gesamten Energieanlage.

Bekanntlich können die meisten Merkmale der 5 Ausführung von Gasturbinen-Energieanlagen, welche feststehende Brennkammern besitzen, auch auf Abgasturbolader für eine Kolbenbrennkraftmaschine, entweder einer Dieselmaschine oder einer Maschine mit Funkenzündung, angewendet werden. Die Fig. 6

der Hochdruckstufe und der Kompressorausführung io und 7 zeigen einen solchen Auflader,

ähnlich denjenigen der oben beschriebenen Ausfüh- Luft tritt in das Gehäuse bei 162 ein, und nachdem

rungsform. Die Gase werden aus der ersten Tür- sie an lagertragenden Verstrebungen vorbeigeströmt

binenstufe direkt an die Beschaufelung der Nieder- ist, tritt sie bei 164 in die Kompressorbeschaufelung

druckturbinenstufe abgegeben, und da der Drallstrom ein, die von dem linken Teil 166 einer Nabe von

in beiden Stufen stattfindet, kann die Überführung 15 catenoider Ausbildung gemäß vorstehender Beschrei-

der Gase aus der einen Stufe zur anderen mit einem bung getragen wird. In diesem Fall empfängt ein

Minimum an Verlusten ausgeführt werden, da es schaufelloser Diffusor 168 die Luft aus dem Kom-

nicht notwendig ist, die Gase irgendwie erneut zu pressor und führt sie zu einer Schnecke 170, aus wel-

richten. Weiterhin ist, wenn die die Leistungsturbine eher die Luft durch einen Auslaß 172 (Fig. 7) an die

bildende Niederdruckturbine mit Nenn-Drehzahl 20 Maschine abgegeben wird. Die Maschine kann von

läuft, die relative Drehzahl der beiden Turbinen ein beliebiger zweckentsprechender Ausführung sein, die

Minimum, und dementsprechend sind zu diesem Zeit- mit Ladeluft arbeitet.

punkt die Verluste ein Minimum. Wie bei der vorher Die Abgase aus der Maschine treten in eine ringbeschriebenen Ausführungsform gestattet die Ver- förmige Gaskammer 176 ein. Die Gase werden aus wendung des Diffusors 148, daß die Niederdruckstufe 25 der Kammer 176 an Düsen 178 abgegeben, welche ihre Gase mit einem unter dem Atmosphärendruck den Gasen eine Drallbewegung erteilen und sie in die liegenden Druck abgibt. Kanäle zwischen den Turbinenschaufeln 180 abgeben,

Obgleich die Verwendung des Wärmeaustauschers die ihrerseits die Gase durch eine Ausgangsleitung

das Beseitigen des Dralls aus der komprimierten 184 abgeben. Der Läufer ist vermittels einer Welle

Luft erfordert, gleichen die Vorteile der Nutzbar- 30 186 fliegend angeordnet, welche in Lagern angeord-

machung des Wärmeaustauschers diesen Nachteil net ist, die allgemein mit 188 und 190 bezeichnet sind,

weitgehend aus, und demgemäß ist es erwünscht, den Zwecks Kühlung der Nabe wird ein Teil der kompri-

Wärmeaustauscher vorzusehen. Tatsächlich könnte, mierten Luft bei 192 über den Umfang der Nabe

was einleuchtend ist, auch bei der in Fig. 1 darge- strömen gelassen, um eine Schicht von Kühlluft zu

stellten Ausführungsform ein Wärmeaustausch in 35 schaffen, welche durch die unteren Teile der Tur-

gleicher Weise vorgesehen werden, obgleich ein binenschaufelkanäle hindurchgeht. Die Gaskammer

Wärmeaustausch vermieden werden muß, wenn die 176 ist, wie dies bei 196 und 198 angedeutet ist, mit

Einheit kleine Abmessungen behalten soll, und Fig. 1 einem Mantel versehen, der aus der Kühlwasseranlage

zeigt eine Anlage von kleinster Größe. der Maschine Kühlwasser aufnimmt. Die Leitschau-

Die Niederdruckleistungsturbine kann bei einer be- 40 fein 178 sind auf Zapfen 194 angeordnet, so daß sie liebigen Drehzahl zwischen Null und einem Maxi- eingestellt werden können, um die Turbine an vermum, arbeiten, während die den Kompressor antrei- schiedene Maschinen anpassen zu können, bende Turbine ihr Arbeiten mit voller Drehzahl fort- Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, setzen kann, wodurch dem Kompressor ermöglicht daß dieser Abgasturbolader viele der Merkmale der wird, unter Strömungsbedingungen und Druckverhält- 45 oben beschriebenen Kraftanlagen und Einzelheiten nissen zu arbeiten, bei welchen eine Spitzenleistung ihres Ausbaus aufweisen; beispielsweise kann die Kom- und ein bester thermischer Wirkungsgrad erhalten pressor- und Turbinenbeschaufelung die gleiche sein, werden können. Falls die Erfindung zum Antrieb wie sie oben beschrieben wurde. Infolge der Tatsache, eines Schiffes, einer Lokomotive oder eines Straßen- daß die Gastemperaturen viel niedriger als die bei fahrzeuges angewendet wird, dreht sich die Leistungs- 5° den vorher beschriebenen Anlagen sind, ist es jedoch turbine nicht, wenn das Fahrzeug bzw. das Schiff unnötig, Vorkehrungen zum Kühlen der Wandungen stillsteht, während der Kompressor und seine An- vorzusehen, und die Turbinenschaufeln können, statt triebsturbine mit voller Drehzahl laufen können, und hohl zu sein, voll ausgebildet sein, da sie nur solchen daraus ergibt sich in der Leistungsturbine die Ent- Temperaturen unterworfen werden, wie sie für übliche wicklung eines Drehmoments, welches etwa das Zwei- 55 wärmewiderstandsfähige Legierungen zulässig sind, bis Dreifache ihres Vollastdrehmoments sein kann. Die verschiedenen Düsen 204, 206, 208 und 210 Sobald sich das Fahrzeug bzw. Schiff eimal in Bewe- sind mit Zylindergruppen verbunden, die nicht gleichgung befindet und normal arbeitet, dreht sich sowohl zeitig auspuffen. Beispielsweise können bei einer Achtdie Kompressorantriebsturbine als auch die Leistungs- zylindermaschine vier Düsen, wie dargestellt, verwenturbine in der gleichen Richtung, und es ist nur ein 60 det werden, wodurch eine Störung des Arbeitern verkleiner oder kein Drehzahlunterschied zwischen den mieden wird. Diese Düsen nehmen die Druckwellen

beiden vorhanden. Bemerkt sei, daß die Niederdruckturbine keine besondere Kühlung erfordert, da die Temperatur der Gase auf Grund des Durchganges durch die Hochdruckstufe beträchtlich vermindert 65 worden ist.

Die ringförmige Anordnung des Wärmeaustauschers um die Turbinenachse hält den Strömungsweg

des Maschinenauspuffes auf und dehnen die Auspuffgase aus und geben sie mit hoher Geschwindigkeit in die Kammer 176 ab.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Diagonalgasturbinen-Energieanlage mit einem Gehäuse, das einen Läufer einschließt, der

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   einerseits Diagonal-Kompressorschaufeln mit zentrifugaler Durchströmung und andererseits Diagonal-Turbinenschaufeln mit zentripetaler Durchströmung trägt, mit einer den Läufer umgebenden ringförmigen Brennkammer, in welche aus der ; Kompressorbeschaufelung kommende Luft und in dieser Luft zu verbrennender Brennstoff eingeführt werden und welche einen dünnen Metallwandteil aufweist, der flammrohrartig größere Bereiche der Innenfläche der Brennkammer mit Abstand über- ic deckt und mit dieser Fläche einen Luftdurchgang begrenzt, der mit dem Teil der Brennkammer in Verbindung steht, der aus der Kompressorbeschaufelung verhältnismäßig kühle Luft empfängt, und ferner mit Turbinendüsen, welche die Gase aus der Brennkammer stoßfrei aufnehmen und sie zum Antrieb des Läufers in die Turbinenbeschaufelung richten, wobei die Düsen von hohlen Leitschaufeln begrenzt sind, deren Innenräume mit dem genannten Luftdurchgang in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenräume der Leitschaufehl (28, 100) die aus dem Luftdurchgang (44, 42; 110, 108) aufgenommene Luft in an sich bekannter Weise über die offenen Leitschaufelhinterkanten unmittelbar in Richtung des durch die Düsen hindurchgehenden Stromes der Antriebsgase in diesen Strom austreten lassen.
2. 2. Energieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise ein weiterer zweiter dünner Metallwandteil (30, 102) einen Bereich der Innenfläche der Brennkammer (20, 98) mit Abstand überdeckt und einen zweiten Luftdurchgang schafft, dessen Eingang (32,104) mit dem Teil der Brennkammer in Verbindung steht, der aus der Kompressorbeschaufelung verhältnismäßig kühle Luft empfängt, daß jedoch dieser Luftdurchgang die durch ihn hindurchströmende kühle Luft nach Richtungsbeeinflussung durch die Leitschaufeln (28, 100) so abgibt, daß sie erst mit den Gasen vermischt wird, die aus den durch die hohlen Leitschaufeln (28, 100) begrenzten Düsen austreten.
3. 3. Energieanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer drittel dünner Metallwandteil (48, 122) eine in der Nähe der Turbinenlauf- und -leitschaufeln liegende Innenfläche des Gehäuses mit Abstand überdeckt und mit dieser Fläche einen Luftdurchgang begrenzt und daß Mittel (50, 51, 52; 114,116, 118) vorgesehen sind, die einen Teil der aus der Kompressorbeschaufelung empfangenen verhältnismäßig kühlen Luft durch den von dem genannten dritten dünnen Metallwandteil (48, 122) gebildeten Luftdurchgang strömen lassen, um das Ge-ί häuse zu kühlen.
4. 4. Energieanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem dritten Metallwandteil (48, 122) gebildete Luftdurchgang die durch ihn hindurchströmende kühle Luft in das Innere der die Turbinendüsen begrenzenden hohlen Leitschaufeln (28, 100) abgibt.
5. 5, Energieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Läufer getragenen Turbinenschaufeln (56, 126) in an sich bekannter Weise hohl ausgebildet sind und daß an sich bekannte Mittel (66,134) vorgesehen sind, die von der Kompressorseite des Läufers Luft abzweigen und sie in das Innere der hohlen Turbinenschaufeln (56, 126) führen, um diese zu kühlen.
6. Energieanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer in an sich bekannter Weise hohl ausgebildet ist und die von der Kompressorseite abgezweigte Luft in den Hohlraum (62, 130) des Läufers und von da in die hohlen Turbinenschaufeln (56, 126) strömt.
7. 7. Energieanlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Teile der hohlen Turbinenschaufeln (56, 126) die Luft aus deren Innenräumen in an sich bekannter Weise so abgeben, daß sie mit den zwischen den Turbinenschaufeln hindurchgehenden Antriebsgasen vermischt wird.

   In Betracht gezogene Druckschriften.

   Deutsche Patentschriften Nr. 696 062, 644 829, 599, 137706;

   deutsche Patentanmeldung S 8781 a/46 f (bekanntgemacht am 1. 3.1951);

   schweizerische Patentschriften Nr. 239 435, 232, 220 012;

   französische Patentschriften Nr. 1050 722, 1021265;

   britische Patentschriften Nr. 699 865, 680 581, 659 151, 587 150, 586 913, 586 912;

   USA.-Patentschriften Nr. 2640 319, 2 613 501, 682, 2563 270, 2473 356, 2407531, 1959703, 1926225;

   »The Engineer«, Bd. 197 (1954), Nr. 5129, S. 709;

   »Product Engineering« vom April 1954, S. 150 bis 154.

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   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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