DE1133184B

DE1133184B - Gasturbinentriebwerk mit koaxial angeordneten und gegenlaeufig rotierenden Laeufern eines Zentripetal-verdichters und einer Zentrifugalturbine und mit einer Brennkammer

Info

Publication number: DE1133184B
Application number: DEP23491A
Authority: DE
Inventors: Vladimir H Pavlecka
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1958-09-08
Filing date: 1959-09-08
Publication date: 1962-07-12
Also published as: GB935903A; US3052096A

Description

Gasturbinentriebwerk mit koaxial angeordneten und gegenläufig rotierenden Läufern eines Zentripetalverdichters und einer Zentrifugalturbine und mit einer Brennkammer Die Erfindung betrifft Gasturbinentriebwerke, bei denen Verdichter mit zentripetaler Strömung und Turbinen mit zentrifugaler Strömung verwendet werden und die sich entweder als Nutzdruckluft liefernde oder als heiße Gase liefernde Gasturbinentriebwerke benutzen lassen.
Der thermodynamische Wirkungsgrad von Gasturbinentriebwerken ist eine Funktion des Verdichtungsverhältnisses, und es ist bei einem Verdichtungsverhältnis von vernünftiger Höhe möglich, ein wirtschaftlich arbeitendes Gasturbinentriebwerk zu schaffen, bei dem keine Wärmeaustauscher verwendet werden müssen. Wenn der maximale Druck ausreichend hoch ist, ist überdies die Temperatur der verdichteten Luft höher als die Temperatur derAbgase oder gleich dieser Temperatur oder nähert sich zumindest dieser Temperatur, und unter diesen Bedingungen wäre es dann überhaupt nicht möglich, mit Wärmeaustauschern zu arbeiten.
Aus theoretischen Untersuchungen über Gasturbinenkreisprozesse hat sich ergeben, daß der Wirkungs-U a ad des Kreisprozesses dann, wenn bei einem Gas -turbinentriebwerk der Verdichter, die Turbine und die Brennkammer mit einem Wirkungsgrad von 1.00°/o arbeiten, lediglich eine Funktion des Verdichtungsverhältnisses und nicht der Temperatur ist. Ferner habenVersuchsarbeiten bestätigt, daß derZentripetalverdichter der dynamische Verdichter mit dem höchsten Wirkungsgrad ist. Diese Feststellung gilt auch für torusförmige Brennkammern.
Die Tatsache, daß Turbinen mit zentrifugaler Strömung einen höheren Wirkungsgrad haben als andere Turbinen, ist seit mindestens 40 Jahren bekannt. Infolgedessen können Gasturbinentriebwerke mit Zentripetalverdichtern, torusförmigen Brennkammern und Zentrifugalturbinen hohe Wirkungsgrade erreichen und sich auf diese Weise dem obenerwähnten Ideal annähern, gemäß dem der Wirkungsgrad eine Funktion des Verdichtungsverhältnisses ist.
Die Ausschaltung der Wärmeaustauscher führt zu einer Vereinfachung des gesamten Kreislaufs und der Wartung des Triebwerks sowie zu geringeren Kosten, ohne daß eine Einbuße an Qualität in Kauf genommen zu werden braucht. Vielmehr ist die Qualität von Triebwerken der hier behandelten Bauart höher als diejenige bekannter Triebwerke, bei denen Wärmeaustauscher benutzt werden.
Die vorliegende Erfindung geht also von Gasturbinentriebwerken aus, die konstruktiv völlig einheitliche, selbständige Aggregate bilden, bei denen der Verdichter, die Turbinen und der Verbrennungswärmeerzeuger zu einem einzigen einheitlichen Aggregat vereinigt sind, wobei keinerlei außenliegende Kanäle oder Leitungen vorhanden sind und wobei die Verwendung innenliegender Leitungen oder Kanäle auf ein absolutes Minimum herabgesetzt ist, da der Verdichter die Luft unmittelbar in die torusförmige Brennkammer fördert, ohne daß irgendwelche Diffusoren zwischen dem Verdichter und der Brennkammer angeordnet sind. Ferner brauchen auch keine Leitungen und Kanäle zwischen der Brennkammer und der Turbine vorhanden zu sein, da die Brennkammer ebenfalls unmittelbar in die Turbine mündet.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein solches Gasturbinentriebwerk zu schaffen, das sich durch Vereinfachung der geometrischen Verhältnisse, durch Herabsetzen des Leistungsgewichts und des erforderlichen Raumbedarfs sowie durch eine bessere Leistungscharakteristik und durch einen höheren Wirkungsgrad auszeichnet.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zwei Verdichterstufen wenigstens eines Läufers eine Verdichterstufe eines gegenläufig rotierenden Läufers umschließen. Durch die Ausbildung der Läufer des Gasturbinentriebwerks gemäß der Erfindung wird ein sehr einfacher und kompakter Aufbau erreicht. Dadurch werden gegenüber den bekannten Gasturbinentriebwerken eine merklich größere spezifische Leistung und geringere Abmessungen erzielt, was gerade bei mehrstufigen Gasturbinen dieser Art erhebliche Bedeutung hat. Die durch die neue Ausbildung bedingte Gestalt der Läufer ist zwar relativ kompliziert. Dies fällt aber bei der Herstellung nicht ins Gewicht, und zwar aus folgendem Grund: Wegen der gegenläufigen Drehbewegung der Läufer wird es möglich, hohe Verdichtungsverhältnisse mit einer minimalen Zahl von Stufen und bei relativ niedrigen Umfangsgeschwindigkeiten zu erzielen. Diese niedrigen Umfangsgeschwindigkeiten ermöglichen wiederum die Verwendung gebräuchlicher Werkstoffe, z. B. in Form von Preßstellen aus Metall an Stelle aus kostspieligen Legierungen, wobei das Triebwerk im letzteren Fall überdies zahlreiche maschinell bearbeitete Flächen aufweist. Die Preßteile können z. B. aus Stahl hergestellt werden, wodurch sich eine weitere Herabsetzung der Kosten der erfindungsgemäßen Gasturbinentriebwerke ergibt.
Durch die neue Ausbildung der Läufer und die gegenläufigen Drehbewegungen ergeben sich Gasturbinentriebwerke, die ein niedriges Leistungsgewicht und infolgedessen einen geringen Raumbedarf aufweisen. Darüber hinaus ist wegen der geringen Massenträgheit schnelles Beschleunigen und Abbremsen möglich, und diese Triebwerke erzeugen ferner kein störendes Drehmoment und keine Drehkräfte, wie sie bei Gasturbinentriebwerken auftreten, bei denen die Drehbewegungen nur in ein und derselben Richtung erfolgen. Gasturbinentriebwerke mit Drehbewegungen in nur einer Richtung wirken außerdem als sehr kräftige Kreisel, wodurch das Manövrieren mit beweglichen Gegenständen, denen diese Triebwerke zugeordnet sind, erschwert wird. Wenn man beispielsweise Strahltriebwerke in senkrecht startenden und landenden Flugzeugen verwendet, ergeben sich wegen der erwähnten Kreiselwirkung und des Drehmoments Schwierigkeiten beim Manövrieren und bei der Steuerung. Derartige Wirkungen treten bei mit gegenläufigen Drehbewegungen arbeitenden Triebwerken, die mehrere Läufer und eine ortsfeste Brennkammer umfassen, kaum auf. Wenn es erwünscht ist, kann man das störende Drehmoment durch Auswuchten der gegenläufigen Rotoren vollständig ausschalten. Die Vermeidung der Kreiselwirkung ist natürlich auch bei Flugzeugen und Hubschraubern üblicher Bauart erwünscht. Das gleiche gilt für Landfahrzeuge, z. B. für Kraftwagen.
Die torusförmige Brennkammer kann entweder ortsfest oder umlaufend ausgebildet sein; im Falle einer drehbaren umlaufenden Brennkammer kann sie einen Bestandteil des am weitesten innen liegenden Läufers bilden.
Die Erfindung ist an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 ist ein axialer Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Nutzdruckluft lieferndes Gasturbinentriebwerk mit zwei Läufern und einer umlaufenden Brennkammer: Fig. 2 zeigt in einem axialen Schnitt eine weitere Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Gasturbinentriebwerks mit umlaufender Brennkammer, bei dem der Verdichter nach der ersten Stufe einen feststehenden Leitschaufelkranz enthält; Fig. 3 zeigt in einem axialen Schnitt eine weitere Ausbildungsform mit einer feststehenden Brennkammer und zwei Läufern; Fig. 4 ist ein axialer Schnitt durch ein Gasturbinentriebwerk mit drei Läufern und einer umlaufenden Brennkammer; Fig. 5 ist ein Schnitt durch den oberen Teil eines Verdichters der aus der Fig. 4 ersichtlichen Art, bei dem aber der nach der ersten rotierenden Verdichterstufe angeordnete ortsfeste Leitschaufelkranz durch eine umlaufende Verdichterstufe ersetzt ist.
In der Fig. 1 erkennt man ein mit zwei Läufern ausgerüstetes Gasturbinentriebwerk mit einem axial und zentral angeordneten ortsfesten Luftkanal für verdichtete Luft. Die verdichtete Luft kann in einer eine Last aufnehmenden Turbine ausgenutzt oder in irgendeiner anderen Maschine verwendet werden, die mittels Druckluft oder verdichteter Gase betrieben werden kann.
Zu den Hauptbestandteilen des Gasturbinentriebwerks gehören ein Rahmen 10, ein erster Läufer 12, ein zweiter Läufer 13 und eine torusförmige Brennkammer 14, welch letztere einen Bestandteil des inneren Läufers 13 bildet. Der innere Läufer 13 ist so um die Brennkammer 14 herum angeordnet, daß sich die Verdichterstufen auf der einen Seite der Brennkammer 14 und die Turbinenstufen auf der anderen Seite befinden. Ferner umfaßt das Triebwerk einen ortsfesten Austrittskanal 15 für verdichtete Luft. Der Verdichter umfaßt seinerseits eine erste Verdichterstufe 16, eine zweite Verdichterstufe 17, eine dritte Verdichterstufe 18 und eine vierte Verdichterstufe 19; die erste Stufe ist die Eintrittsstufe, und die vierte Stufe ist die Austrittsstufe des Verdichters. Weiterhin umfaßt der Verdichter einen Stator, also einen orstfesten Eintrittsleitschaufelkranz 20 zum Einleiten des in die Verdichterhaube 21 eintretenden Luftstroms in die erste Verdichterstufe 16.
Die Turbine umfaßt eine erste Stufe 22, eine zweite Stufe 23, eine dritte Stufe 24 und eine vierte Stufe 25 sowie eine Diffusorstufe 26, welche die Abgase aus der letzten Turbinenstufe 25 aufnimmt und sie nach der Diffusion an die Turbinenhaube 27 abgibt. Die Turbinenhaube 27 läßt die Abgase in die Umgebungsluft austreten. Wegen der gegenläufigen Drehung der Rotoren 12 und 13 ist es selbst dann möglich, ein ausreichend hohes Verdichtungsverhältnis zu erzielen, wenn der Verdichter nur zwei gegenläufig rotierende Läufer 12 und 13 umfaßt, so daß sich die Verwendung eines Wärmeaustauschers erübrigt.
Der Eintrittsleitschaufelkranz kann entweder mit Unterschallgeschwindigkeit oder mit überschallgeschwindigkeit arbeiten, was sich jeweils danach richtet, ob die ersten zwei oder drei Stufen des Verdichters mit Über- oder Unterschallgeschwindigkeit arbeiten. Im allgemeinen ist es am zweckmäßigsten, daß der Eintrittsleitschaufelkranz 20 dann mit überschallgeschwindigkeit arbeitet, wenn auch die beiden ersten Verdichterstufen 16 und 17 mit Überschallgeschwindigkeit arbeiten.
Die Verdichterstufen 16 bis 19 können so ausgebildet sein, daß die Stufen 16 und 17 mit überschallgeschwindigkeit, Unterschallgeschwindigkeit oder im Übergangsbereich (transonic) arbeiten. Wenn ein Betrieb mit konstanter Drehzahl vorgesehen ist, ist es möglich, die Stufen 16 und 17 mit überschallgeschwindigkeit und die Stufen 18 und 19 mit Unterschallgeschwindigkeit arbeiten zu lassen. Da sich bei den im Übergangsbereich arbeitenden Verdichtern Machzahlen in der Größenordnung von 0,9 bis 1,25 erreichen lassen und da derartige Verdichter den Vorteil bieten, daß sie bezüglich der Änderungen der Winkelgeschwindigkeit der Läufer nicht zu kritisch sind, ist es vorteilhafter, die Stufen 1.6 und 17 mit für den Übergangsbereich bestimmten Tragflügelprofilen bekannter Art auszurüsten, während die dritte und die vierte Verdichterstufe, d. h. die Stufen 18 und 19, mit für Unterschallgeschwindigkeiten bestimmten Tragflügelprofilen ebenfalls bekannter Ausführung ausgerüstet werden.
Die Turbinenstufen 22 bis 25 sind in bekannter Weise als 50:50-Reaktions-Impulsturbinenstufen ausgebildet. Die Eintrittsstufe 22 der Turbine ist luftgekühlt; die durch den Pfeil 181 in der Fig. 1 angedeutete Druckluft strömt durch mehrere Öffnungen 71, die hohle Scheibe 64 und dann durch die hohlen Schaufeln 22 der Turbine. Dieser Luftstrom kühlt auch die Seitenwände 68 und 69 der hohlen Scheibe 64 und die Seitenwand 74 des Turbineneinlaßkanals 183.
Der Diffusor 26 hat die Aufgabe, es der letzten Turbinenstufe 25 zu ermöglichen, gegen einen Druck zu arbeiten, der niedriger ist als der in der Turbinenhaube 27 herrschende Druck, denn der Diffusor 26 ruft einen Druckabfall in dem Spalt zwischen der umlaufenden Turbinenstufe 25 und dem Statur 26 hervor.
Die Tragflügelprofile des Verdichters sind jeweils durch Hartlötung mit hohlen Ringen 28 bis 35 verbunden. Die äußeren hohlen Ringe 28 und 35 der ersten und der dritten Verdichterstufe sind durch eine geneigte hohle seitliche Läuferscheibe 36 miteinander verbunden, die eine geneigte äußere Stirn- oder Seitenwand 37 und eine ebenfalls geneigte innere Seitenwand 38 umfaßt. Die der Drehachse 94 am nächsten benachbarten inneren Abschnitte der Seitenwände 37 und 38 sind so miteinander verbunden, daß sie einen Sitz 39 für einen Rotor 42 eines Druckluftlagers bilden. Das Statororgan 43 dieses Druckluftlagers ist in einem Sitz 44 angeordnet, der in einem Rahmenteil 45 ausgebildet ist; letzterer ist mit dem Hauptrahmen 10 durch Schrauben 46 verbunden. Der Rahmenteil 45 ist außerdem mit einem Druckluftkanal 48 versehen, der die verdichtete Luft für das Druckluftlager in eine Kammer 49 innerhalb des Rahmenteils 45 eintreten läßt. Der Statur 43 des Druckluftlagers ist mit einem Dichtungsring 50 versehen und weist einen Luftkanal 51 auf, durch den die Druckluft zu zwei Druckluftlagem strömen kann. Bei dem einen Druckluftlager handelt es sich um das soeben beschriebene mit dem Rotor 42 und dem Statur 43, während das andere Lager den Statur 43 und einen Rotor 52 umfaßt, der mit einer hohlen seitlichen Scheibe 53 des zweiten Läufers 13 verbunden ist. Diese seitliche Läuferscheibe umfaßt eine Außenwand 54, eine Innenwand 55 und eine Welle 56, mittels deren die Hilfsgeräte des Triebwerks angetrieben werden. Die Turbinenseite des Triebwerks ähnelt in ihrer Ausbildung der Verdichterseite. Sie umfaßt hohle Ringe 60 bis 67, und der hohle Ring 64 ist zu einer hohlen seitlichen Läuferscheibe verbreitert, die Seitenwände 68 und 69 sowie einen Lagersitz 70 umfaßt. Die hohle seitliche Scheibe 64 und insbesondere der untere Abschnitt der Seitenwand 68 ist mit mehreren Durchtrittsöffnungen 71 versehen, durch die Druckluft in die seitliche Läuferscheibe 64 eintreten kann. Diese Druckluft durchströmt dann sämtliche hohle Schaufeln der ersten Turbinenstufe 22 und danach den hohlen Bauteil 63, aus dem sie über eine Öffnung 72 austritt, um sich dann wieder mit dem Strom der Gase zu vereinigen, die aus der Brennkammer 14 über mehrere Gaskanäle 73 austreten. Die durch die Öffnungen 71 strömende Druckluft dient zum Kühlen der Seitenwand 68, der ersten bzw. der Eintrittsstufe 22 der Turbine und auch der Seitenwände 74 und 68 der seitlichen Läuferscheibe 63.
Der erste oder äußere Läufer 12 umfaßt auch eine hohle seitliche Turbinenläuferscheibe 75 mit einem Druckluftlager-Sitzabschnitt 76 für einen Lagerrotor 77. Die Druckluftlagerrotoren 77 und 78 arbeiten mit den zugehörigen Staturen 79 und 80 zusammen, die mit Dichtungsringen 81 bzw. 82 und Luftkanälen 85 bzw. 86 versehen sind. Der Rahmen 10 ist mit einer Druckluftlagerplatte 87 ausgerüstet, die an dem Rahmen 10 mit Schrauben 88 befestigt ist. Diese Lagerplatte 87 enthält eine Druckluftkammer 89, an die sich Kanäle 90 und 91 anschließen, welche in die die ringförmigen Statorteile 79 und 80 aufnehmenden ringförmigen Kammern münden. Die Staturen 79 und 80 der Druckluftlager werden durch den Luftdruck gegen die Lagerrotoren 77 und 78 gedrückt, der auf diejenige Seitenwand der Staturen 79 und 80 ausgeübt wird, welche der Druckluftkammer 89 benachbart bzw. ihr zugewandt ist. Bei sämtlichen in der Fig. 1 gezeigten Lagern handelt es, sich um aerostatische Lager. Mehrere Öffnungen einschließlich der in der Fig. 1 mit 85 und 86 bezeichneten sind in gleichmäßigen Abständen längs des gesamten Umfangs der Sitzflächen für die Lagerstaturen verteilt und erstrecken sich durch die Statorkörper hindurch; diese Öffnungen leiten Druckluft zu dem normalerweise aufrechterhaltenen Luftspalt zwischen dem Statur und dem Läufer, wobei diese Druckluft entweder dem Verdichter oder einer außenliegenden Druckluftquelle entnommen wird. Die Druckluft hebt die Rotoren der Lager von den Staturen um einen sehr kleinen Betrag ab, von dem bekannt ist, daß seine Größe etwa 0,025 mm nicht überschreitet, so daß die umlaufende konkave Fläche des Lagerrotors auf einem dünnen Luftfilm schwimmt, der durch Luft gebildet wird, die über die erwähnten Öffnungen nach außen entweicht und durch die Zufuhr von Druckluft ständig erneuert wird. Die konkave Fläche des Rotors und die dazu passende konvexe Fläche des Stators haben eine Krümmung, deren Krümmungsmittelpunkt auf der Drehachse 94 liegt.
Vergleicht man die Druckluftlager auf der linken Seite der Läufer mit denjenigen auf der rechten Seite, so erkennt man,'daß die seitliche Stellung der linken Lager innerhalb des Rahmens 10 festliegt. Die Lager auf der rechten Seite, insbesondere die Staturen 79 und 80, können gleitende Bewegungen in axialer Richtung ausführen, bis sie entweder auf der rechten Seite an der Platte 87 oder auf der linken Seite an den hohlen Läuferscheiben 75 und 64 und insbesondere an den Lagerrotoren 77 bzw. 78 anliegen. Es sei bemerkt, daß die Staturen 79 und 80 niemals eine solche Stellung einnehmen können, daß eine Berührung zwischen den Lagerrotoren und den ringförmigen Statorteilen vorhanden ist, solange den Lagern Druckluft zugeführt wird. Ferner sei bemerkt, daß sämtliche Statoren der Druckluftlager in geeigneter Weise mit dem Rahmen 10 bzw. mit den Platten 45 und 87 verkeilt sind, um Drehbewegungen der Staturen um die Drehachse 94 zu verhindern. Die axiale Bewegung der Lager ist durch geeignete Anschläge begrenzt, z. B. durch die Anschläge 95 und 96, die zur Anlage an der Platte 87 kommen, sobald der Luftdruck in den Kanälen und in der Kammer 89 zu wirken aufhört. Sobald den Lagern Druckluft zugeführt wird, drücken die Lagerstaturen die rechte Seite, also die Turbinenseite des Läufers 12 nach oben, und ein Gleichgewichtszustand wird dann erreicht, wenn der Luftdruck und die Drehzahl der Läufer 12 und 13 die richtigen Werte erreichen.
Vor dem Abschluß der Beschreibung der Läufer 12 und 13 sei erwähnt, daß man jeden Läufer so betrachten kann, als ob er sich aus zwei Hälften zusammensetzte, von denen die eine den Verdichterabschnitt des Läufers und die andere den Turbinenabschnitt bildet. Diese beiden Abschnitte der Läufer sind durch Mittel miteinander verbunden, die die Ringe 97 und 98 und zwei konische Flächen 99 und 100 für den äußeren Läufer 12 und die Flächen 101 und 102 für den inneren Läufer 13 umfassen. Die Ringe 97 und 98 sind in die zu diesem Zweck in dem den größeren Durchmesser aufweisenden Abschnitt des betreffenden Läufers vorgesehene Sitze eingepreßt. Diese beiden Verbindungen dienen dazu, die beiden Hälften jedes Läufers miteinander zu verbinden.
Die Brennkammer umfaßt eine äußere Wand bzw. einen Mantel 110, der als torusförmiger Hohlkörper ausgebildet ist und der mit dem zweiten oder inneren Läufer 13 durch ein auf der Eintrittsseite der Brennkammer angeordnetes, zum Leiten der Strömung dienendes trichterförmiges Organ 111 und ferner mit dem ringförmigen Bauteil 112, der als Außenwand des inneren Läufers 13 dient, verbunden ist. Der Ring 112 wirkt auch als tragender Bauteil, der die Verdichter- und die Turbinenstufen miteinander verbindet. Ein ähnlicher Ring 113 verbindet die beiden Hälften des ersten Läufers 12 miteinander. Die weiteren Bauteile, welche die torusförmige Wand 110 der Brennkammer mit dem zweiten Läufer 13 verbinden, sind die Rippen 114, 115, 116 und 117, die sämtlich mit Öffnungen versehen sind, so daß Druckluft durch einen Luftkühlungskanal strömen kann, der sich zwischen der Wand 110 und dem Ring 112 usw. erstreckt.
Die Brennkammer hat außerdem eine Trennfuge (seam) 118, welche die Brennkammer gemäß Fig. 1 in einen rechten Abschnitt, der mit der Turbinenseite des zweiten Läufers 13 verbunden ist, und in einen linken Abschnitt unterteilt, der mit der Verdichter-Seite des zweiten Läufers 13 verbunden ist. Wenn die Brennkammer zusammengebaut wird, werden die beiden Hälften so gelegt, daß sie längs der Trennfuge 118 zusammenpassen. Die rechte Seite der Brennkammer umfaßt ferner die Auslaßkanäle 120 und 121 mit einer gemeinsamen Wand 122 und mit einer Außenwand 123; weiterhin umfaßt die rechte Seite der Brennkammer einen Abschnitt 124 des torusförmigen Hohlkörpers. Der dem Verdichter zugeordnete Abschnitt der Brennkammer umfaßt außerdem mehrere Kanäle 126, die in gleichmäßigen Abständen über den gesamten Umfang der Brennkammer verteilt sind, um von dem Verdichter gelieferte Druckluft unmittelbar in den zentralen Abschnitt der Brennkammer zu leiten, wie es durch die Pfeile 127, 128, 129 und 130 angedeutet ist. Alle Kanäle 126 gehen von einem einzigen zentral angeordneten Trichter 126 a aus, über den ein Teil der verdichteten Luft in die Kanäle 126 eintreten kann. Bei dem Trichter 126a handelt es sich um einen die Strömung beschleunigenden Trichter, dessen Wände 111 und 177 als Strömungsbeschleunigungsflächen wirken. Ferner umfaßt der Trichter einen zentral angeordneten, zum Leiten der Strömung dienenden halbkreisförmigen Ring 131, der einen Teil der brennenden Gase, die den Kanal 126 passieren und ihn dann verlassen, in den zentralen Abschnitt der Brennkammer hinein umlenkt, wie es durch den Pfeil 127 angedeutet ist. Der Zuführungstrichter 126a ist ferner mit mehreren Öffnungen 132 versehen, so daß ein Teil der Druckluft in den Kanal 133 in der durch den Pfeil 134 angedeuteten Weise eintritt und dann über die Öffnungen 136, 137 und 138 in den Verbindungsrippen 114, 112 und 116 zu dem Kanal 135 gelangt. Dieser Druckluftstrom ist in der Fig. 1 durch Pfeile 139 und 140 angedeutet. Der soeben beschriebene Druckluftstrom dient zum Kühlen der Wand 110 der Brennkammer.
Der zentrale Kanal 126, durch den Druckluft von dem Verdichter zu dem zentralen Teil der Brennkammer geleitet wird, umfaßt außerdem einen seitlichen Kanal 141, der es einem Teil der heißen Gase ermöglicht, innerhalb der Brennkammer zu zirkulieren; dieser Gasstrom ist durch den Pfeil 142 angedeutet; er tritt in den Kanal 126 ein und vermischt sich, wie durch den Pfeil 130 angedeutet, mit der in den Kanal 126 einströmenden Druckluft. Dementsprechend bezeichnet der Pfeil 129 einen beschleunigten Strom in Form eines Gemisches aus Luft, Brennstoff, brennendem Brennstoff und heißen Gasen, der den Kanal 126 in Richtung der Pfeile 127 und 128 verläßt.
Ein Teil der den Verdichter verlassenden Luft wird über einen ortsfesten Kanal 145, der mit mehreren Leitschaufeln 146 versehen ist, zu einer geeigneten Maschine, z. B. einer eine Last antreibenden Turbine, geleitet. Die Leitschaufeln 146 sind so geformt, daß sie einen Luftsstrom erzeugen, dessen Strömungsrichtung dem Pfeil 147 entspricht. Bei diesem Teil der verdichteten Luft handelt es sich um den Teil, der äußere Arbeit leistet, und zwar entweder in der bereits erwähnten Lastturbine oder in einer anderen Vorrichtung, der Druckluft zugeführt werden muß, um sie zu betreiben. Da der zentrale feststehende Bauteil, d. h. der Kanal 145 ein hohler geschlitzter, an den Enden offener Zylinder ist, strömt ein weiterer Teil der aus dem Verdichter austretenden Luft in Richtung der Pfeile 148, 149, 150, 151, 152, 153, 154 und 155. Die Pfeile 153, 154 und 155 lassen erkennen, welche Strömung sich in mehreren Schlitzen, von denen in der Fig. 1 die Schlitze 160, 161 und 162 dargestellt sind, ausbildet; diese Schlitze sind in gleichmäßigen Abständen über den gesamten Umfang des Kanals 163 verteilt. Sie bilden die Öffnungen bzw. die Einlaßenden von dem Kanal 165 ähnelnden Kanälen. Aus diesem Grund sind diese Öffnungen in gleichmäßigen Abständen über den gesamten Umfang des Kanals 163 verteilt. Dieser Kanal 163 umfaßt demnach einen Turbinenabzweigkanal164 und mehrere Brennkammerabzweigkanäle 165. Die längs der Achse, d. h. zentral angeordneten Kanäle 163 und 164 leiten verdichtete Luft unmittelbar von dem Verdichter zu der Turbine, wie es durch die Pfeile 148 und 152 angedeutet ist; dieser Teil der verdichteten Luft strömt somit um die von dem torusförmigen Mantel 110 begrenze B_ennkammer herum, und dieser Teil der verdichteten Druckluft trifft auf die Innenwand 68 der hohlen seitlichen Läuferscheibe 64, wodurch diese gekühlt und durch eine aus Druckluft gebildete Grenzschicht geschützt wird, die die Wand 68 wenigstens teilweise gegen die heißen Gase schützt, die von der torusförmigen Brennkammer aus in Richtung des Pfeils 166 in die Turbine einströmen. Das gleiche gilt auch für die Druckluft, die den hohlen Ring 63 der Turbine in Richtung des Pfeiles 140 durchströmt. Dieser Teil der verdichteten Luft bildet in ähnlicher Weise eine Grenzschicht aus verhältnismäßig kühler verdichteter Luft für die zweite Wand 74 des radial verlaufenden Zentrifugalströmungskanals, der durch die Seitenwände 68 und 74 sowie teilweise auch durch einen ortsfesten Bauteil 167 begrenzt wird, der mit einer zum Leiten der Strömung dienenden gekrümmten bzw. konischen Fläche 168 versehen ist, um den Luftstrom entsprechend dem Pfeil 152 so umzulenken, daß er in den radial verlaufenden Eintrittskanal der Turbine einströmt.
Ein Teil der verdichteten Luft strömt in den hohl ausgebildeten ortsfesten Bauteil 167 in Richtung des Pfeils 151 ein, um die Druckluftlager, den zu ihnen führenden Kanal 48 und die dazwischenliegenden Kammern 49 und 89 mit Druckluft zu versorgen, wenn die zu diesem Zweck verwendete Druckluft dem Verdichter entnommen wird. Wie bereits erwähnt, kann man zu diesem Zweck aber auch eine außenliegende Druckluftquelle benutzen.
Es ist ersichtlich, daß der Teil der verdichteten Luft, der in die eigentliche Brennkammer 14 gelangt, hauptsächlich durch die mit den Pfeilen 130 und 150 bezeichneten Ströme gebildet wird.
Bei weitem der größte Teil der heißen Gase, die in dem sich in der torusförmigen Brennkammer ausbildenden Wirbel erzeugt werden, verläßt die Brennkammer 14 in Richtung des Pfeils 166 über den Kanal 73, der auf seiner Ausgangsseite durch die Wände 122 und 123 sowie durch eine zusätzliche Wand 170 begrenzt wird; dieser Gasstrom ist durch den in der Fig. 1 gestrichelt eingezeichneten Pfeil 171 wiedergegeben. Die Austrittskanäle 73 sind längs des Umfangs der Brennkammer in gleichmäßigen Abständen verteilt und wechseln sich mit den Luftkanälen 165 und 126 ab. Man kann die Seitenwände der Kanäle 126 und 165 als gemeinsame Wände betrachten, welche die Kanäle 73 für die heißen Gase von den Luftkanälen 126 und 165 trennen.
Die in die Luftkanäle 126 und 165 längs der Pfeile 130, 129, 128, 127 und 150 eintretende Luft gelangt in die Brennkammer, wo die Verbrennung zuerst im mittleren Teil der torusförmigen Kammer und in einem gewissen Ausmaß auch in den zentralen Kanälen 126 stattfindet.
Der Brennstoff wird der Brennkammer über mehrere Düsen 174 zugeführt, die in gleichmäßigen Abständen über den gesamten Umfang eines ringförmigen Brennstoffkanals 175 am inneren Ende des zentralen ortsfesten Kanals 146 verteilt sind. Der Brennstoff wird diesem ringförmigen Brennstoffkanal 175 über eine Brennstoffleitung 176 zugeführt, die an eine Quelle für einen unter Druck stehenden Brennstoff angeschlossen ist. Die Strömungsrichtung des versprühten Brennstoffs ist in der Fig. 1 durch die Linie 178 angedeutet. Der feinzerstäubte Brennstoff wird in den Kanal 126 eingeleitet, wo eine teilweise Verbrennung des Brennstoffs stattfindet. Eine vollständigere und endgültige Verbrennung sowie eine vollständige Oxydation des Brennstoffs spielt sich im zentralen Abschnitt des torustörmigen Gehäuses 1=:. ab. Die verbrannten Gase dehnen sich dann aus, und sie diffundieren in Richtung auf die äußere Brennkammerwand 115, woraufhin sie die Brennkammer über die Kanäle 73 für die heißen Gase verlassen.
Die Zündanlage umfaßt ein isoliertes Zündkabel 180, das mit einem Ring 180a verbunden ist. Dieser Ring ist gegenüber dem zentralen ortsfesten Kanal 146 isoliert; der Kanal bildet zwei Seitenflächen 182 und 182a, so daß zwei parallele Luftspalte zwischen dem zentral angeordneten Ring 180 a und den Seitenflächen 182 und 182a vorhanden sind. Dem Zündkabel 180 wird eine niederfrequente Spannung zugeführt, der eine hochfrequente Spannung überlagert ist. Die niedrige Frequenz ist genügend hoch, um praktisch eine im wesentlichen kontinuierliche Zündung des in den Kanal 126 eintretenden Gemisches zu bewirken.
Die Verdichter- und Turbinenläufer werden mit Labyrinthdichtungen versehen, die jedoch in den Figuren wegen des verwendeten kleinen Maßtstabs nicht gezeigt sind. Dichtungen dieser Art sind als solche bekannt, so daß sich eine nähere Erläuterung erübrigen dürfte.
Die Arbeitsweise des Triebwerks ist für den Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung bereits ersichtlich. Nachstehend wird jedoch noch eine kurze Zusammenfassung gegeben.
Die der Atmosphäre entnommene Luft strömt in die Verdichterhaube 21 ein und passiert dann den Eintrittsleitschaufelkranz 20 und die vier Verdichterstufen in Richtung des Pfeiles 185. Die verdichtete Luft wird dann in zwei Hauptströme unterteilt. Der eine Hauptstrom ist durch den Pfeil 147 bezeichnet, und hierbei handelt es sich um die Druckluft, die einer Nutzleistungs-Luftturbine oder einer anderen Maschine zugeführt wird, für deren Betrieb Druckluft benötigt wird, während die übrige Druckluft in mehrere Teilströme unterteilt wird, wie es durch die Pfeile 130, 148 und 134 angedeutet ist. Der Luftstrom 130 und ein Teil 150 des Luftstroms 148 treten in den torusförmigen Körper 14 der Brennkammer ein, wo die Hauptverbrennung des über die Düsen 174 zugeführten Brennstoffs 178 erfolgt. Die erhitzten Gase verlassen dann die torusförmige Brennkammer über die Kanäle 73 längs des Pfeils 166. Der durch die Wände 74 und 68 begrenzte, radial nach außen verlaufende Turbineneinlaßkanal nimmt die erhitzten Gase 166 sowie die Druckluftströme 152 und 140 auf, und die Druckluft wird mit dem Gas gemischt, um schließlich die vier Turbinenstufen 22 bis 25 zu passieren und über den Turbinenstator 26 zu dem Abgaskanal 27 zu gelangen. Für den Betrieb der vier Druckluftlager, die die beiden Läufer des Gasturbinentriebwerks unterstützen, wird Druckluft entweder einer außenliegenden Druckluftquelle oder der durch den Verdichter erzeugten Druckluft entnommen.
Bevor die Beschreibung der Fig. 1 zu Ende geführt wird, sei bemerkt, daß die beiden Läufer bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig.1 nicht durch Zahnräder miteinander verbunden sind, sondern mit voneinander unabhängigen Drehzahlen umlaufen können. Diese beiden Drehzahlen sind jedoch derart, daß die Umfangsgeschwindigkeiten am äußeren Rand der beiden Läufer innerhalb des gesamten Drehzahlbereichs des Triebwerks bzw. innerhalb des Belastungsbereichs im wesentlichen gleich sind. Dies wird dadurch erreicht, daß die Turbinenstufen so bemessen werden, daß sie genau diejenige Leistung liefern, die benötigt wird, um den Leistungsbedarf der Verdichterstufen und die in dem Verdichter, der Brennkammer und der Turbine auftretenden Verluste zu decken.
Das in der Fig. 1 gezeigte Gasturbinentriebwerk mit einem Nutzdruckluft liefernden Verdichter kann sehr leicht in ein Gasturbinentriebwerk, das heiße verdichtete Gase liefert, verwandelt werden, wenn man den zentralen ortsfesten Druckluftabführungskanal15 verschließt und den gesamten Druckluftstrom der Brennkammer und der Turbine zuführt. Dies Abänderung ist in der Fig. 1 durch strichpunktierte Linien 157 und 156- angedeutet, welche die Begrenzungen des ortsfesten Kanals 15 angeben, mittels deren der gesamte Druckluftstrom der Brennkammer 14 und der Eintrittsstufe 22 der Turbine zugeführt wird. Bei dieser Abänderung wird das Triebwerk zu einem Gasturbinentriebwerk, das heiße verdichtete Gase liefert, die äußere Arbeit leisten können.
Die Fig.2 zeigt eine weitere Ausbildungsform eines Nutzdruckluft liefernden Gasturbinentriebwerks mit zwei gegenläufigen Läufern und einem ortsfesten Leitschaufelkranz zwischen der ersten und der zweiten Verdichtungsstufe. Die Brennkammer läuft zusammen mit dem inneren Läufer um, und sie ist ebenso wie in der Fig.1 torunförmig ausgebildet. Wegen der Ähnlichkeit der beiden Ausführungsbeispiele nach den Fig. 1 und 2 braucht nur eine kurze Beschreibung, des Drucklufterzeugers nach der Fig. 2 gegeben zu werden.
Der äußere Rahmen 210 umfaßt eine Haube 211 für den Verdichter, einen Verdichter-Eintrittsleitschaufelkranz 212, eine Abgashaube 214, einen Turbinen-Austrittsleitschaufelkranz 215 und einen weiteren Leitschaufelkranz 221, der- zwischen den umlaufenden Verdichterstufen 220 und 222 des ersten, also des äußeren Läufers 230 angeordnet ist. Ferner umfaßt der Verdichter zusätzliche Verdichterstufen 223, 224 und 225. Die Verdichterstufen 220, 222 und 224 gehören zu dem ersten, äußeren Läufer 23Q, während die Verdichtertufen223 und 225 dem zweiten, inneren Läufer 231 zugeordnet sind. Die Turbine umfaßt die Stufen 240, 241, 242 und 243. Die Turbinenstufen 240 und 242 gehören zu dem inneren Läufer 231, während die Turbinenstufen 241 und :i;43 dem äußeren Läufer 230 zugeordnet sind. Die am weitesten innen liegende Turbinenstufe 240, d. h. die Turbineneintrittsstufe, ist eine luftgekühlte Stufe, bei der Druckluft durch die hohlen Turbinenschaufeln hindurchströmt, wie es durch die Pfeile 276 und 276a angedeutet ist. Der äußere Läufer 230 wird durch Druckluftlager 244 und 245 abgestützt, die unmittelbar an dem Läufer 230 angreifen. Das Lager 245 greift an einem Ring 246 an, während das Lager 244 mit einem Ring 247 zusammenarbeitet. Aus diesem Grund hat der äußere Läufer 230 des Drucklufterzeugers keine seitlichen Läuferscheiben. Dies wird durch die Tatsache ermöglicht, daß jetzt Druckluftlager zur Verfügung stehen, die sich mit ?,ihen Umfangsgeschwindigkeiten von z. B. etwa 600 m (2000 feet) in der Sekunde betreiben lassen. Der innere Läufer 231 wird durch Druckluftlager 250 und 251 abgestützt, die an den hohlen seitlichen Läuferscheiben 252 und 253 des inneren Läufers angreifen. Die seitliche Läuferscheibe 252 geht in eine drehbare, hohle, sich nach außen erstreckende Welle 255 über, die dazu dient, die verdichtete Luft in Richtung der Pfeile 256 und 257 zu einer Maschine zu leiten, für deren Betrieb Druckluft benötigt wird.
Ferner ist das Triebwerk mit einem ortsfesten, auf der Triebwerksachse zentral angeordneten Bauteil 258 versehen, das dazu dient, Brennstoff mehreren Düsen 259 zuzuführen, die in gleichmäßigen Abständen über den gesamten Umfang eines hohlen Rings 260 verteilt sind. Dieser Ring 260 ist mit dem Bauteil 258 durch eine hohle Speiche 261 oder durch mehrere hohle Speichen 261 verbunden, deren Querschnittsform als Tragflügelprofil ausgebildet ist. Ferner ist der- Ring 260.. mit einem isolierten Zündring 262 ausgerüstet, der an ein Zündkabel 263 angeschlossen ist. Innerhalb des hohlen Rings 260 ist ein Brennstoffkanal 264 ausgebildet, der mit einer äußeren Brennstoffleitung 265 verbunden ist, von der aus der Brennstoff dem Kanal 264 und den Düsen 259 zugeführt wird. Der torunförmige Hauptkörper 266 der Brennkammer ist mit mehreren hohlen, zum Vermischen von Luft und Brennstoff dienenden Kanälen 267 versehen, die in schneckenförmigen zentralen .Abschnitten 268 enden. Die Kanäle 267 haben jeweils mehrere Öffnungen 269, durch welche die zugeführte Druckluft in die Kanäle 267 eintreten kann. Die Kanäle 267 sind ähnlich den Speichen eines Rades in gleichmäßigen Abständen innerhalb des torunförmigen Brennkammerkörpers 266 um den zentralen feststehenden Luftkanal 260 herum verteilt und jeweils in den Luftzuführungskanälen 270 angeordnet, die ebenfalls in gleichmäßigen Abständen über den Umfang der Einlaßseite der Brennkammer 266 verteilt sind. Die Luftzuführungskanäle 270 wechseln sich mit den Gasaustrittskanälen 272 des torunförmigen Brennkammerkörpers ab. Die .Gasaustrittskanäle 272 werden durch die unteren Wände 273, die oberen Wände 274 und die Seitenwände 275 begrenzt. Der aus den Düsen 259 austretende Brennstoff wird auch in die Kanäle 267 eingespritzt, und dieser Brennstoff wird gezündet, wobei er teilweise in dem betreffenden Kanal 267 verbrennt. Da in diesem Kanal Sauerstoffmangel herrscht, findet nicht die gesamte Verbrennung in dem Kanal 267 statt, sondern die Hauptverbrennung spielt sich ab, nachdem die Gase den Kanal 267 verlassen haben und über den schneckenförmigen zentralen Teil 268 in den mittleren Abschnitt der Brennkammer eingetreten sind.
Die Arbeitsweise des Triebwerks dürfte aus der vorstehendenBeschreibung sowie aus dervorangegangenen- Beschreibung des ähnlichen Triebwerks nach der Fig. 1 hervorgehen. Es sei lediglich bemerkt, daß die äußere Welle 255 dazu dient, über Zahnräder 277 und 278 die bei Triebwerken dieser Art im allgemeinen erforderlichen Hilfsgeräte anzutreiben. Diese als solche bekannten Hilfsgeräte umfassen im-allgemeinen elektrische Stromerzeuger, Brennstoffpumpen USW.
Der Nutzdrucklufterzeuger nach der Fig. 2 kann sehr leicht in -ein heiße Gase lieferndes Gasturbinentriebwerk verwandelt werden; wenn man den gesamten Luftstrom in die Brennkammer 266 und in die Eintrittsstufe 240 der Turbine einleitet. Diese Abänderung wird dadurch bewirkt, daß man den Kanal 256 in der durch die strichpunktierte Linie 280 angedeuteten Weise verschließt.
Die Fig. 3 zeigt ebenfalls in einem axialen Längsschnitt ein entweder Nutzdruckluft oder heiße Gase lieferndes Gasturbinentriebwerk mit zwei mehrstufigen gegenläufigen Läufern und mit einer feststehenden Brennkammer, in der sich zwei einander benachbarteWirbel ausbilden können. DieAnordnung nach der Fig. 3 bedarf nur einer kurzen Beschreibung, da sie sich nicht wesentlich von den beiden Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 2 unterscheidet.
Es sind vier umlaufende Turbinenstufen vorhanden, d. h. ebenso viele wie bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 2. Die Turbinenstufen sind in der Fig. 3 mit 301 bis 304 bezeichnet. Ferner umfaßt die Turbine einen luftgekühlten Eintrittsleitschaufelkranz 300 und einen Austrittsleitschaufelkranz 305.
Der Verdichter umfaßt in der Reihenfolge der zentripetalen Strömung einen Eintrittsleitschaufelkranz 306, die erste rotierende Verdichterstufe 307, einen zweiten Leitschaufelkranz 308, die rotierenden Verdichterstufen 309 bis 312 und einen Austrittsleitschaufelkranz 313. Der erste, also der äußere Läufer 314, umfaßt somit die erste Verdichterstufe 307, die zweite Verdichterstufe 309, die vierte Verdichterstufe 311 sowie die zweite Turbinenstufe 302 und die vierte Turbinenstufe 304. Der zweite, also innere Läufer 315 umfaßt die dritte rotierende Verdichterstufe 310, die fünfte rotierende Verdichterstufe 312 sowie die erste Turbinenstufe 301 und die dritte Turbinenstufe 303.
Die Brennkammer umfaßt eine erste Wirbelkammer 316 und eine zweite Wirbelkammer 317. Die verdichtete Luft wird zusammen mit dem Brennstoff in die erste Wirbelkammer 316 eingeleitet, und sowohl nach der Verbrennung als auch im Verlauf der Verbrennung diffundieren heiße Gase in den zweiten Wirbel 317 hinein, woraufhin die Gase den zweiten Wirbel auf ihrem Wege zum Eintrittsleitschaufelteil 300 der Turbine verlassen. Die Brennkammer ist mit zwei Sätzen von radial angeordneten Schaufeln 318 und 319 versehen, um zu bewirken, daß die Strömung innerhalb der Wirbel in radialen Ebenen erfolgt. Außerdem ist die Brennkammer mit gebogenen kreisrunden Wandteilen 320 und 321 ausgerüstet, die ebenfalls den Gasstrom in die betreffenden Wirbel 316 und 317 einleiten.
Die ortsfeste Brennkammer 325 kann aber auch als Bestandteil des inneren Läufers 315 ausgebildet werden, so daß sie ebenso wie bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1, 2 und 4 umläuft; entsprechend können die umlaufenden Brennkammern der Gasturbinentriebwerke nach den Fig. 1, 2 und 4 entsprechend der Fig. 3 auch ortsfest ausgebildet werden.
Auch bei dem Triebwerk nach Fig. 3 kann es sich entweder um ein Nutzdruckluft erzeugendes oder um ein heiße Gase erzeugendes Gasturbinentriebwerk handeln, was sich jeweils nach der Form des feststehenden Kanals 326 richtet. Wenn dieser Kanal gemäß Fig. 3 nach der rechten Seite offen ist, arbeitet das Triebwerk als Nutzdrucklufterzeuger; wenn der Kanal in der durch die strichpunktierte Linie 327 angedeuteten Weise verschlossen ist, arbeitet die Vorrichtung als heiße Gase lieferndes Triebwerk. Das Triebwerk nach der Fig. 3 wird im Vergleich zu demjenigen nach der Fig. 1 ein erheblich höheres Verdichtungsverhältnis aufweisen, und zwar wegen der größeren Zahl von Verdichtungsstufen, d. h. von fünf umlaufenden Stufen, einem Eintrittsleitschaufelkranz und zwei weiteren Leitschaufelkränzen, während bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 nur vier umlaufende Stufen und ein Eintrittsleitschaufelkranz vorhanden sind.
Die Leistung der Triebwerke nach den Fig. 2 und 3 ist ungefähr gleich groß. Vom Standpunkt der benötigten Zahl von Verdichtungsstufen betrachtet, folgt hieraus, daß es vorzuziehen ist, statt einer feststehenden Brennkammer eine umlaufende Brennkammer vorzusehen. Bei dem Triebwerk mit ortsfester Brennkammer hat aber der zweite Läufer ein geringeres Gewicht, und die beiden Läufer sind einander stärker angeglichen als bei den Ausführungen nach den Fig. 1, 2 und 4.
Die Fig. 4 zeigt einen Drucklufterzeuger mit einem Eintrittsleitschaufelkranz mit drei Läufern 410, 411 und 412 sowie mit einem weiteren feststehenden Leitschaufelkranz. Die Brennkammer 414 ist ebenso ausgebildet wie bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1. Sie ist mit dem dritten Läufer verbunden und bildet einen Bestandteil desselben. Bei diesem Triebwerk ist die Brennkammer somit umlaufend. Wie bereits erwähnt, kann man die Brennkammer entsprechend der Fig. 3 aber auch als ortsfeste Brennkammer ausbilden. In allen übrigen Beziehungen ähnelt das Triebwerk nach Fig. 4 den in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Triebwerken, so daß sich eine eingehende Beschreibung erübrigt. Der Verdichter umfaßt folgende Stufen: einen ortsfesten Eintrittsleitschaufelkranz 420, die erste umlaufende Verdichterstufe 421, einen Leitschaufelkranz 422 und fünf weitere umlaufende Verdichterstufen 423 bis 427. Die Verdichterstufen 421 und 423 gehören zu dem ersten Läufer 410; die Verdichterstufen 424 und 426 gehören zu dem zweiten Läufer 411, und die Verdichterstufen 425 und 427 sind dem dritten, am weitesten innen angeordneten Läufer 412 angeordnet. Die Turbine umfaßt fünf umlaufende Stufen 430 bis 434 und einen Austrittsleitschaufelkranz 435. Der dritte Läufer 412 weist eine luftgekühlte Turbinenstufe 430 auf. Der zweite Läufer 411 weist zwei Turbinenstufen 431 und 433 auf, und mit dem äußersten Läufer 410 sind die Turbinenstufen 432 und 434 verbunden. Die seitlichen Läuferscheiben 436 bis 441 sind als hohle Scheiben ausgebildet, und jede dieser Scheiben umfaßt zwei Wandteile, deren Form aus der Fig. 4 hervorgeht. Ferner ist das Triebwerk mit einem ortsfesten Kanal 444 versehen, über den die verdichtete Luft in Richtung des Pfeils 445 abgegeben wird.
Dieses Triebwerk läßt sich in ein heiße Gase lieferndes Triebwerk verwandeln, wenn man den Kanal 444 in der durch die strichpunktierte Linie 446 angedeuteten Weise verschließt.
Das Triebwerk nach der Fig.4 umfaßt demnach drei Läufer, sechs umlaufende Verdichterstufen und fünf umlaufende Turbinenstufen. Infolgedessen wird dieses Triebwerk eine höhere Leistung und ein höheres Verdichtungsverhältnis aufweisen als die an Hand der Fig. 1 bis 3 beschriebenen Triebwerke.
Die Fig. 5 veranschaulicht eine Abwandlung des Verdichters nach der Fig. 4: In der Fig. 4 enthält der Verdichter den Leitschaufelkranz 422. In der Fig. 5 ist dieser ortsfeste Leitschaufelkranz in eine einen Bestandteil des zweiten Läufers 511 bildende umlaufende Verdichterstufe 522 umgewandelt worden. Der Leitschaufelkranz 422 ist somit weggefallen, und der Verdichter ist zu einem Verdichter mit sieben umlaufenden Stufen geworden.
Sämtliche hier beschriebenen Triebwerke umfassen mindestens zwei oder mehr gegenläufige Läufer, die so belastet oder so bemessen sind, daß ihre Umfangsgeschwindigkeiten an der äußersten Verdichterstufe jedes Läufers gleich groß sind. Beispielsweise sind die Umfangsgeschwindigkeiten der Verdichterstufen 421, 424 und 425 im Konstruktionspunkt und auch innerhalb des gesamten Betriebsbereiches des Triebwerks gleich groß. Eine derartige Verteilung der Last auf die Turbinenstufen 430 bis 434 und auch der entsprechenden Belastung der Verdichterstufen 421 bis 427 ermöglicht es, die erwähnten gleichen Geschwindigkeiten zu erzielen, und dies führt wiederum zu einem hohen Verdichtungsverhältnis innerhalb des gesamten Verdichters, da hohe Umfangsgeschwindigkeiten selbst bei den am weitesten innen liegenden Stufen des Verdichters, z. B. den Stufen 425, 426 und 427, zur Verfügung stehen. Infolgedessen werden in der in den innersten Stufen des Verdichters verdichteten Luft große Beträge an kinetischer und potentieller Energie erzeugt, was zu einer entsprechenden Erhöhung des Gesamtverdichtungsverhältnisses führt.
Bei einer Betrachtung der aus der Fig. 4 sowie aus den Fig. 1 bis 3 ersichtlichen geometrischen Verhältnisse geht ohne weiteres hervor, daß die Zahl der bei den Triebwerken verwendeten Läufer auf eine beliebige gewünschte Zahl erhöht werden kann, die auf jeden Fall höher sein kann als die in der Fig.4 vorhandenen drei Läufer. Wenn die Machzahl in der Größenordnung von 1,20 bis 1,25 liegt, ist ein Verdichtungsverhältnis von brauchbarer Höhe, z. B. von l0:1 oder 15:1 erreichbar, wenn drei Läufer verwendet werden. Ein derartiges Verdichtungsverhältnis ist für die gebräuchlichen Anwendungszwecke der erfindungsgemäßen Triebwerke ausreichend hoch, und aus diesem Grund wurden in den Ausführungsbeispielen keine Triebwerke mit einer noch größeren Zahl von Läufern dargestellt.
Die erfindungsgemäßen Triebwerke weisen bei weitem die günstigsten spezifischen Gewichte und den günstigsten spezifischen Raumbedarf auf, wenn man diese Werte mit den entsprechenden Werten von bekannten Triebwerken vergleicht. Beispielsweise liegt das spezifische Gewicht der erfindungsgemäßen Triebwerke in der Größenordnung von 0,06 kg je Kilogramm Schubkraft, und der spezifische Raumbedarf beträgt etwa 250 cm3 je Kilogramm Schubkraft (seven cubic inches per pound) bei einem Strahltriebwerk mit einer Gesamtschubkraft von etwa 6850 kg (15,000 pounds). Die entsprechenden Werte für das beste bis jetzt bekannte, mit axialer Strömung arbeitende Triebwerk (De Havilland Gyron) lauten wie folgt: spezifisches Gewicht 0,25 kg je Kilogramm Sehubkraft; spezifischer Raumbedarf etwa 700 cm3 je Kilogramm Schubkraft (twenty cubic inches per pound) bei einem Triebwerk mit einer Gesamtschubkraft von etwa 6850 kg (15,000 pounds).
Bei der oben angegebenen Herabsetzung des Leistungsgewichtes und des Raumbedarfs wird es möglich, die Strahltriebwerke gemäß der Erfindung innerhalb von Tragflügelkonstruktionen so anzuordnen, daß die Drehachse des Triebwerks im wesentlichen senkrecht verläuft. Bei einer solchen Anordnung der Triebwerke im Flugzeug wird der Luftwiderstand um etwa 25 0/a herabgesetzt. Hierbei handelt es sich um den Prozentsatz des Luftwiderstandes, der durch mit axialer Strömung arbeitende Strahltriebwerke hervorgerufen wird, die in an den Tragflügeln aufgehängten Triebwerkgondeln angeordnet sind, also der Triebwerksanordnung, die bei den gegenwärtig gebräuchlichen Düsenflugzeugen in den meisten Fällen angewendet wird. Durch die Herabsetzung des Luftwiderstandes ergibt sich eine sehr erhebliche Verringerung des Gesamtgewichts des Flugzeugs, d. h. eines Faktors, der bei jedem Flugzeug, und zwar sowohl bei Militärflugzeugen als auch bei Zivilflugzeugen, eine ausschlaggebende Rolle spielt.
Die Ausbildung der hier beschriebenen Gasturbinentriebwerke als Nebenstromtriebwerke, bei denen ein zusätzlicher Nebenstromverdichter vorhanden ist, der die ihn durchströmende verdichtete Luft unmittelbar in das Strahlrohr einleitet, bietet einen weiteren Vorteil. Es ist nänflich bekannt, daß der Vortriebswirkungsgrad von Düsenflugzeugen dann ein Maximum ist, wenn der Strom der heißen Gase zu dem Strom der verdichteten Luft, die einem Nebenstromverdichter entnommen wird, im Verhältnis von 1:1 steht. Hieraus erklärt sich auch die zunehmende Verwendung solcher Nebenstromtriebwerke.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Gasturbinentriebwerk mit koaxial angeordneten und gegenläufig rotierenden Läufern eines Zentripetalverdichters und einer Zentrifugalturbine und mit einer Brennkammer, wobei von den Läufern wenigstens einer wenigstens zwei Verdichterstufen und die anderen Läufer wenigstens eine Verdichterstufe des mehrstufigen Zentripetalverdichters aufweisen und wobei von den Läufern jeder wenigstens eine Stufe der mehrstufigen Zentrifugalturbine aufweist, wobei ferner die Anordnung in der Weise getroffen ist, daß die Luft durch sämtliche Verdichterstufen nach innen zu der zwischen der Ebene der Verdichterstufen und der Ebene der Turbinenstufen gelegenen Brennkammer strömt, und daß die Brenngase durch sämtliche Turbinenstufen nach außen abströmen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Verdichterstufen wenigstens eines Läufers eine Verdichterstufe eines gegenläufig rotierenden Läufers umschließen.
2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Verdichterstufe von jedem Läufer von zwei Verdichterstufen eines gegenläufig rotierenden Läufers umschlossen ist (Fig. 1, 2, 3 und 5).
3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1 oder 2, bei dem wenigstens einer der Läufer wenigstens zwei Turbinenstufen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Turbinenstufen wenigstens eines Läufers eine Turbinenstufe eines gegenläufig rotierenden Läufers umschließen.
4. Gasturbinentriebwerk nach den Ansprüchen 1 bis 3, bei dem jeder Läufer ein die Verdichterstufe(n) und die Turbinenstufe(n) verbindendes hohles Läufergehäuse sowie gegen Lager abgestützte Endstützen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Läufer wenigstens zwei Verdichterschaufelkränze und mindestens einen Turbinenschaufelkranz aufweist und daß sowohl der äußerste Verdichterschaufelkranz (16) des äußeren Läufers (12) als auch der innerste Verdichterschaufelkranz (19) des inneren Läufers (13) mit ihren Stirnflächen an dem zugehörigen hohlen Läufergehäuse und an einer der Endstützen des betreffenden Läufers befestigt sind, während von dem innersten Verdichterschaufelkranz (18) des äußeren Läufers (12) und von dem äußersten Verdichterschaufelkranz (17) des inneren Läufers (13) jeweils einer mit einer Stirnfläche am zugehörigen hohlen Läufergehäuse und der andere mit der entgegengesetzten Stirnfläche an einer Endstütze abgestützt ist (Fig. 1).
5. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der innerste Verdichterschaufelkranz (18, 311, 523) des äußeren Läufers (12, 314, 510) mit seiner Endstütze und der äußerste Verdichterschaufelkranz (17, 310, 525) des inneren Läufers mit seinem hohlen Läufergehäuse verbunden sind (Fig. 1, 3 und 5).
6. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der innerste Verdichterschaufelkranz (224) des äußeren Läufers (230) mit seinem hohlen Läufergehäuse und der äußerste Verdichterschaufelkranz (223) des inneren Läufers (231) mit seiner Endstütze verbunden sind (Fig. 2).
7. Gasturbinentriebwerk nach den Ansprüchen 1 bis 6, bei dem die Brennkammer zwischen den Läufern der Turbine und den Läufern des Verdichters angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer ortsfest in Form eines torusförmigen Körpers ausgebildet ist, der eine ortsfeste, zum Richten der Strömung dienende Eintrittsstufe aufweist, die auf die letzte Verdichterstufe folgt und mit ihr strömungsdynamisch gekuppelt ist, und daß auf der Austrittsseite der Brennkammer eine ortsfeste Austrittsstufe vorhanden ist, um den Gasstrom zu beschleunigen und zu richten und an die erste Turbinenstufe abzugeben (Fig. 3). B.
Gasturbinentriebwerk nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufen des Verdichters in Richtung des zentripetalen Luftstromes so angeordnet sind, daß auf einen Eintrittsleitschaufelkranz (306) die äußerste rotierende Verdichterstufe (307) folgt, der sich ein feststehender Leitschaufelkranz (308) anschließt, der die zweite rotierende Verdichterstufe (309) und weitere (dritte, vierte und fünfte) rotierende Verdichterstufen (310, 311, 312) folgen, wobei die erste, die zweite und die vierte Verdichterstufe (307, 309, 311) mit dem äußeren Läufer (314) mechanisch verbunden sind, während die dritte und die fünfte Verdichterstufe (310, 312) mit dem innerenLäufer(315) mechanisch verbunden sind (Fig. 3).
9. Gasturbinentriebwerk nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß drei Läufer vorhanden sind, deren Verdichterstufen in Richtung der zentripetalen Strömung so angeordnet sind, daß auf einen Eintrittsleitschaufelkranz (420) sechs rotierende Verdichterstufen (421 und und 423 bis 427) folgen, und wobei ein ortsfester Leitschaufelkranz (422) zwischen der ersten und der zweiten rotierenden Verdichterstufe (421, 423) angeordnet ist, die zu dem äußeren Läufer (410) gehören, und daß der mittlere Läufer (411) die dritte und die fünfte Verdichterstufe (424, 426) und der innere Läufer (412) die vierte und die sechste Verdichterstufe (425, 427) umfassen (Fig. 4).
10. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß drei Läufer vorhanden sind, von denen der äußere Läufer (510) mindestens zwei Verdichterstufen (521, 523) und zwei Turbinenstufen aufweist, während der mittlere Läufer (511) mindestens drei Verdichterstufen (522, 524, 526) und zwei Turbinenstufen umfaßt und der innere Läufer mindestens zwei Verdichterstufen und eine Turbinenstufe aufweist (Fig. 5).
11. Gasturbinentriebwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, 9, 10, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Läufer mit der umlaufend ausgebildeten Brennkammer eine Baueinheit bildet (Fig. 1, 2 und 4). In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2 712 895, 2 804 747; britische Zeitschrift »Journal of the Royal Aeronautical Society«, April 1958, Bd. 62, Heft 568, S. 257 bis 267, Aufsatz »Pyestock's Contribution to Propulsion« von Hayne C o n s t an t.