DE1151985B - Gas turbine engine system with a power turbine, with the possibility of a short-term increase in output - Google Patents

Gas turbine engine system with a power turbine, with the possibility of a short-term increase in output

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Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinen-Triebwerksanlage mit einer Nutzleistungsturbine, mit der Möglichkeit kurzzeitiger Leistungssteigerung, bestehend aus der Kombination einerseits eines aus Vordichter, Brennkammer und Verdichterantriebsturbine bestehenden Gasturbinentriebwerks und andererseits einer dem Gasturbinentriebwerk nachgeschalteten und vor der Nutzleistungsturbine Hegenden zweiten Brennkammer, wobei dem Verdichter in einer Zwischenstufe entzogene und hinter der Verdichterantriebsturbine dem Brenngasstrom zugemischte Luft zusammen mit dem Brenngasstrom in Richtung der zweiten Brennkammer fließt. Solche Gasturbinen-Triebwerksanlagen werden insbesondere für Flugzeuge verwendet. Die Nutzleistungsturbine kann eine Luftschraube oder einen »Fan« antreiben. Diese Triebwerke können insbesondere dort mit Erfolg eingesetzt werden, wo kurzzeitig sehr hohe Zusatzleistungen gefordert werden, also etwa bei Senkrechtstart. The invention relates to a gas turbine engine system with a power turbine, with the possibility short-term increase in performance, consisting of the combination of a pre-sealer, Combustion chamber and compressor drive turbine existing gas turbine engine and on the other hand a second downstream of the gas turbine engine and upstream of the power turbine Combustion chamber, withdrawn from the compressor in an intermediate stage and behind the compressor drive turbine Air mixed with the fuel gas flow together with the fuel gas flow in the direction of the second combustion chamber flows. Such gas turbine engine systems are used in particular for aircraft used. The power turbine can drive a propeller or a "fan". These Engines can be used with particular success where very high additional performance is required for a short time are required, for example with a vertical take-off.

Das wesentliche Problem ist dabei das Leistungsproblem: Man weiß, daß nicht nur bei Kolbenmotoren, sondern auch bei Gasturbinen-Triebwerksanlagen der genannten Art die am Start vorhandene Kurz- oder Startleistung gewöhnlich nicht ausreicht, um mit normalen oder abgewandelten Luftschrauben — Fans — einen Schub zu erzeugen, der größer als das Fluggewicht ist. Eine kurzzeitige Leistungssteigerung von 100 % und mehr wäre hierzu erforderlich.The main problem is the performance problem: It is known that not only with piston engines, but also in the case of gas turbine engine systems of the type mentioned, the one available at the start Short or take-off power is usually insufficient for normal or modified propellers - Fans - to produce a thrust that is greater than the flight weight. A short-term increase in performance of 100% and more would be required for this.

Das zweite, fast ebenso wichtige Problem, nämlich das Schwenken des Schubstrahls in die vertikale Richtung beim Start und der anschließende Übergang in den Horizontalflug, ist bei Gasturbinen-Triebwerksanlagen der genannten Art bereits gelöst.The second, almost equally important problem, namely the pivoting of the thrust jet in the vertical Direction at take-off and the subsequent transition to level flight is for gas turbine engine systems of the type mentioned already solved.

Die Erfindung gibt für beide Probleme eine neue, gemeinsame Lösung. Sie geht davon aus, daß der thermodynamische Wirkungsgrad eines Heißgaserzeugers (z. B. einer Gasturbine, bestehend aus Verdichter, Brennkammer, Turbine, welche hinter der Turbine heiße gespannte Gase erzeugt) unverändert bleibt, wenn man — bei gleichem Druck in der Brennkammer und gleicher Brennstoffzugabe — einmal wenig Luft durchsetzt (wobei ein Gas hohen Druckes und hoher Temperatur entsteht) oder zum anderen viel Luft durchsetzt (wobei das Nutzgas niederen Druck und niedere Temperatur aufweist). Eine Einwellen-Gasturbine einfachsten Aufbaues (ohne Zusatzverdichter) hätte etwa bei 850° C Brennkammertemperatur eine Nutzgastemperatur von rund 650° C hinter der Turbine. Würde man durch einen Zusatzverdichter noch einmal die gleiche Luftmenge verarbeiten und hinter der Turbine zusetzen (mischen), Gasturbinen -TriebWerksanlageThe invention provides a new, common solution for both problems. She assumes that the thermodynamic efficiency of a hot gas generator (e.g. a gas turbine, consisting of a compressor, Combustion chamber, turbine, which generates hot, compressed gases behind the turbine) unchanged remains if you - with the same pressure in the combustion chamber and the same amount of fuel - once little air permeated (creating a gas of high pressure and high temperature) or for others a lot of air permeates (the useful gas has low pressure and low temperature). A single-shaft gas turbine of the simplest design (without additional compressor) would have a combustion chamber temperature of around 850 ° C a useful gas temperature of around 650 ° C behind the turbine. Would you go through a Additional compressor process the same amount of air again and add (mix) behind the turbine, Gas turbine engine plant

mit einer Nutzleistungsturbine,with a power turbine,

mit der Möglichkeit kurzzeitigerwith the possibility of short-term

Leistungssteigerungperformance increase

Anmelder:Applicant:

Dr.-Ing. Otto Lutz,
Braunschweig, Bienroder Weg 53Dr.-Ing. Otto Lutz,
Braunschweig, Bienroder Weg 53

Dr.-Ing. Otto Lutz, Braunschweig,
ist als Erfinder genannt wordenDr.-Ing. Otto Lutz, Braunschweig,
has been named as the inventor

so wäre die Temperatur des Nutzgases nur rund 350° C bei gleichem Wirkungsgrad des Prozesses. In diesem zweiten Fall kann man aber bei besonderen Anlässen — z. B. Starten oder Landen — das verhältnismäßig kalte Nutzgas zusätzlich aufheizen und damit kurzzeitig — bei allerdings höherem Brennstoffverbrauch — eine erheblich größere Nutzgasleistung (bis zu 100% mehr und höher) erzielen.the temperature of the useful gas would only be around 350 ° C with the same efficiency of the process. In this second case can be used on special occasions - e.g. B. Take-off or landing - proportionally Heat up cold useful gas additionally and thus for a short time - but with higher fuel consumption - achieve a considerably higher useful gas output (up to 100% more and higher).

Bei den dabei erforderlichen großen zusätzlichen Luftmengen ist eine solche Lösung mit üblichen Strahltriebwerken nicht möglich. Man kann hier nur einige Prozente der Verdichterleistung abzapfen und deshalb auch nur wenig Mehrleistung erreichen, wobei noch einmal darauf hinzuweisen ist, daß die zweite Aufheizung — im Gegensatz zu den Vorgängen in einem »After Burner« — temperaturbegrenzt ist, und zwar wegen der Temperaturempfmdlichkeit der nachgeschalteten Turbine.With the large additional amounts of air required, such a solution is common Jet engines not possible. You can only tap a few percent of the compressor capacity here and therefore only achieve a little extra performance, whereby it should be pointed out once again that the second heating - in contrast to the processes in an »after burner« - temperature-limited because of the temperature sensitivity of the downstream turbine.

Verwendet man aber nach der Erfindung ein Zweistrom-Gasturbinentriebwerk entsprechender Ausgestaltung, so kann diese neue thermodynamische Methode mit großem Vorteil Anwendung finden.However, if a twin-flow gas turbine engine is used according to the invention Appropriate design, this new thermodynamic method can be used to great advantage.

Treibt man mit einem so gestalteten Gaserzeuger über eine Nutzleistungsturbine eine Luftschraube oder einen Fan an, so kann bei geeigneter Auslegung der Luftschraube ein Startschub erzeugt werden, der über dem Abfluggewicht liegt; schwenkt man in bekannter Weise die Luftschraube, den Fan oder gegebenenfalls auch nur den Strahl, so kann das Flugzeug vertikal abheben und landen (VTOL=vertical take off and landing).If you drive a propeller with a gas generator designed in this way via a power turbine or a fan, with a suitable design of the propeller, a starting thrust can be generated is above the take-off weight; if you pivot the propeller, the fan or, if necessary, in a known manner even just the beam, so the aircraft can take off and land vertically (VTOL = vertical take off and landing).

309 648/77309 648/77

Die Figur zeigt eine beispielsweise Ausführung für eine Nutzleistungsturbine, die eine übliche Luftschraube antreibt. In dem Gaserzeuger 1 befindet sich ein Niederdruckverdichter 2, der über die innenliegende Welle 3 von der hinteren Turbinenstufe 9 (oder den hinteren Stufen) angetrieben wird. Die Hochdruckstufe 8 (bzw. -stufen) der Turbine treibt über die Hohlwelle 4 die Stufen des Hochdruckverdichters. Der Niederdruckverdichter 2 saugt mehr Luft an, als der Hochdruckverdichter verarbeitet (Zweistrom 5); der Luftüberschuß 6 umspült das Triebwerk, nimmt Kühlwärme auf und wird im Sammler 10 wieder zugemischt.The figure shows an example of an embodiment for a power turbine, which is a conventional propeller drives. In the gas generator 1 there is a low-pressure compressor 2, which is located on the inside Shaft 3 is driven by the rear turbine stage 9 (or the rear stages). the High pressure stage 8 (or stages) of the turbine drives the stages of the high pressure compressor via the hollow shaft 4. The low-pressure compressor 2 draws in more air than the high-pressure compressor processes (Dual stream 5); the excess air 6 washes around the engine, absorbs cooling heat and is in the Collector 10 mixed in again.

Nach der Verdichtung im Hochdruckverdichter gelangt der Luftstrom 5 in die Brennkammer 7, wo Brennstoff zugeführt wird; anschließend erfolgt die Arbeitsabgabe in den Turbinen 8 und 9.After compression in the high-pressure compressor, the air stream 5 reaches the combustion chamber 7, where Fuel is supplied; then the work is done in the turbines 8 and 9.

Naturgemäß kann der beschriebene Prozeß auch mit einem Einwellen-Zweistromtriebwerk mit vergrößertem und geteiltem Verdichter durchgeführt werden.Naturally, the process described can also be used with a single-shaft turbofan engine with an enlarged and split compressor.

Das erzeugte Nutzgas gelangt aus dem Sammler 10 in die zusätzliche Brennkammer 11, die im normalen Betrieb nur durchströmt wird. Vor dem Antriebsgehäuse der Luftschraube 15 sitzt ein drehbarer Flansch 12, der eine Schwenkung des Antriebsgehäuses einschließlich der Luftschraube 15 gestattet.The useful gas generated passes from the collector 10 into the additional combustion chamber 11, which in the normal Operation is only flowed through. In front of the drive housing of the propeller 15 there is a rotatable one Flange 12, which allows the drive housing including the propeller 15 to pivot.

Das Nutzgas treibt die Nutzleistungsturbine 13, die ihrerseits über ein mehrstufiges Getriebe 14 die Luftschraube 15 antreibt. In besonderen Fällen wird es möglich sein, die Turbinencharakteristik so auf die Luftschraubencharakteristik abzustimmen, daß die Luftschraubenblätter nicht um ihre Achse verstellt zu werden brauchen. Hierbei darf daran erinnert werden, daß die Luftschraube bei unveränderlicher Steigung versucht, am Start (Fortschrittsgrad Null) der Luft eine wesentlich größere Zusatzgeschwindigkeit zu verleihen als im Flug. Dies bedingt ein erheblich größeres Moment als im Flug und damit eine größere Leistung, falls man die Drehzahl nicht drosseln will. Bei geringer Drehzahlerhöhung am Start ist es möglich, die Luftschraubenleistung hierdurch um 100% zu steigern, also die von einer Turbine vorliegender Erfindung gegebene Zusatzleistung zu verarbeiten.The useful gas drives the useful power turbine 13, which in turn drives the propeller via a multi-stage gear 14 15 drives. In special cases it will be possible to adapt the turbine characteristics to the Adjust propeller characteristics so that the propeller blades are not misaligned about their axis will need. It should be remembered that the propeller with a constant slope tries to give the air a much higher additional speed at the start (degree of progress zero) lend than in flight. This requires a considerably larger moment than in flight and therefore a larger one Power, if you don't want to throttle the speed. With a slight increase in engine speed at the start, it is possible to increase the propeller performance by 100%, i.e. that of a turbine Invention given additional service to process.

Es ist bereits darauf hingewiesen worden, daß statt einer Luftschraube 15 auch ein Fan angetrieben werden kann, der entweder mit der Turbine 13 geschwenkt oder dessen Schubstrahl in der gewünschten Schubrichtung abgelenkt wird. Es ist selbstverständlich auch möglich, den hinter der Nutzgasturbine 13 austretenden Strahl (der wegen seiner geringen Temperatur noch einen hohen Luftüberschuß hat) weiter mit Brennstoff aufzuheizen, also dort einen üblichen After Burner anzubringen.It has already been pointed out that instead of a propeller 15, a fan is also driven can be swiveled either with the turbine 13 or its thrust jet in the desired Direction of thrust is deflected. It is of course also possible to use the one behind the utility gas turbine 13 exiting jet (which still has a high excess of air due to its low temperature) continue to heat up with fuel, so attach a standard after burner there.

kurzzeitige Höchstleistungen von einem Zusatzbetrag von 100% und mehr gefordert werden, mit Erfolg anwenden. Insbesondere gilt dies für Wärmetauscher-Triebwerke, wie sie heute zum Antrieb von Personen- und Lastkraftwagen in Betracht gezogen werden.short-term maximum performance of an additional amount of 100% and more are required, with success use. This applies in particular to heat exchanger engines, as they are used today to drive people and trucks may be considered.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:PATENT CLAIMS: 1. Gasturbinen-Triebwerksanlage mit einer Nutzleistungsturbine, mit der Möglichkeit kurz-1.Gas turbine engine system with a power turbine, with the option of short-term o zeitiger Leistungssteigerung, bestehend aus der Kombination einerseits eines aus Vordichter, Brennkammer und Verdichterantriebsturbine bestehenden Gasturbinentriebwerks und andererseits einer dem Gasturbinentriebwerk nachgeschalteten und vor der Nutzleistungsturbine liegenden zweiten Brennkammer, wobei dem Verdichter in einer Zwischenstufe entzogene und hinter der Verdichterantriebsturbine dem Brenngasstrom zugeanischte Luft zusammen mit dem Brenngasstrom in Richtung der zweiten Brennkammer fließt, da durch gekennzeichnet, daß das Gasturbinentriebwerk ein Zweistrom-Gasturbinentriebwerk ist, dessen nicht durch die Brennkammer (7) des Gasturbinentriebwerks (1) gehender Luftstrom (6) sich zu dem durch die Brennkammer (7) gehenden Luftstrom (5) mengenmäßig ungefähr wie die gewünschte anteilige Leistungssteigerung verhält, und daß beide Luftströme (5 und 6) bei gleichem Druck hinter der Verdichterantriebsturbine (8, 9) gemischt ihren Sammler (10) ohne wesentliche Mischungsverluste verlassen.o A timely increase in output, consisting of the combination of a gas turbine engine consisting of a pre-compressor, combustion chamber and compressor drive turbine on the one hand and a second combustion chamber downstream of the gas turbine engine and located in front of the power turbine, with air extracted from the compressor in an intermediate stage and added to the fuel gas flow behind the compressor drive turbine on the other hand Combustion gas stream flows in the direction of the second combustion chamber, characterized in that the gas turbine engine is a twin-flow gas turbine engine, the air stream (6) of which does not pass through the combustion chamber (7) of the gas turbine engine (1) becomes the air stream passing through the combustion chamber (7) (5) behaves in terms of quantity approximately as the desired proportional increase in output, and that both air flows (5 and 6) leave their collector (10) mixed at the same pressure downstream of the compressor drive turbine (8, 9) without significant mixing losses en. 2. Gasturbinen-Triebwerksanlage nach Anspruch 1 und bei der die Nutzleistungsturbine (13) eine Luftschraube (15) antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Charakteristik der Nutzleistungsturbine (13) so auf die Charakteristik der Luftschraube (15) abgestimmt ist, daß für diese keine Blattverstellung erforderlich ist.2. Gas turbine power plant according to claim 1 and in which the power turbine (13) drives a propeller (15), characterized in that the characteristics of the power turbine (13) is matched to the characteristics of the propeller (15) that none Blade adjustment is required. 3. Gasturbinen-Triebwerksanlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Luftschraube (15) antreibende Nutzleistungsturbine (13) einschließlich Getriebe (14) und Luftschraube (15) schwenkbar angeordnet ist.3. Gas turbine power plant according to claims 1 and 2, characterized in that the power turbine (13) driving the propeller (15) including gear (14) and the propeller (15) is pivotably arranged. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 736 818; deutsche Auslegeschrift Nr. 1067 311; schweizerische Patentschrift Nr. 263 472; französische Patentschriften Nr. 995 131, 682;Documents considered: German Patent No. 736 818; German Auslegeschrift No. 1067 311; Swiss Patent No. 263 472; French Patent Nos. 995 131, 682; britische Patentschrift Nr. 787 726; Zeitschrift »Flugwelt«, Oktoberheft 1959, S. 409; Zeitschrift »Flight« vom 28. November 1946,British Patent No. 787,726; "Flugwelt" magazine, October issue 1959, p. 409; "Flight" magazine from November 28, 1946, Das angegebene Antriebsprinzip ist nicht auf den 55 S. 598, und vom 1. Februar 1957, S. 155; Antrieb von normalen oder abgewandelten Luft- Zeitschrift »The Marine Engineer and NavelThe stated drive principle is not on the 55 p. 598, and from February 1, 1957, p. 155; Propulsion from normal or modified aerial magazine »The Marine Engineer and Navel schrauben beschränkt. Man wird es überall dort, wo Architect«, September 1959, S. 355.screws limited. You will find it wherever Architect ", September 1959, p. 355. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings © 309 648/77 7.63© 309 648/77 7.63
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