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Verpuffungs-Gasturbine Die Erfindung betrifft eine Verpuffungs-Gasturbine
mit zwei oder mehr Brennkammern in symmetrischer Aulteilung zentral um die Hauptachse
angeordnet, mit je einer konzentrisch angeordneten rotierenden Steuerscheibe
mit Steuerschlitzen an der vorderen und an der hinteren Stirnfront der Brennkammern
zur gemeinsamen, in zeitlicher Aufeinanderfolge vor sich henden Steuerun- der Einlaß-
und Auslaßöffnungen ae tD der Brennkammern sowie mit einer erweiterten Schlitzlän-e
des Auslaßsteuerschlitzes zur zeitweilig C
-en Freigabe der Auslaßöffnungen
von zwei "leichzeiti" jeweils im Sinn des Steuervorganges benachbarten Brennkammern
und ferner mit einem an die Auslaßsteuerscheibe anschließenden ringförmigen Mischbehälter
in konzentrischer Anordnung zur Hauptachse.
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Bereits im Anfangsstadium der Gasturbinenentwicklung wurde das Verpuffungs-
oder Gleichraumverbrennungsverfahren zur Erzeugung von Verbrennungsgas angewendet.
So wurde z. B. bei einer der ersten Gasturbinenausführung, der sogenannten »Holzwarth-Gasturbine«,
eine mit Einlaß- und Auslaßventil versehene Brennkammer durch einen Kompressor mit
einem Gas-Luft-Gemisch aufgeladen und das Gemisch anschließend bei geschlossener
Brennkammer durch ein Zündorgan zur Verbrennung gebracht. Im Anschluß daran wurde
das Auslaßventil aeöffnet und das ausströmende Verbrennungsgas in einer Düse auf
den Außendruck entspannt, wobei die potentielle Energie des Verbrennungsgases in
kinetische Energie umgewandelt und auf das Turbinenlaufrad übertragen wurde. Ein
Teil der übertragenen Energie wurde dem.. Turbinenlaufrad zum Antrieb des Kompressors
und der Steuerorgane entnommen.
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Von diesem Grundprinzip ausgehend, sind im Verlaui- der Weiterentwicklung
der Verpuffungs-Gasturbine verschiedene Vorschläge zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit
und Wirtschaftlichkeit bekanntgeworden.
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So ist in der schweizerischen Patentschrift 290 096
eine
Verpuffungs-Gasturbine beschrieben, die mehrere zentral zur Achse angeordnete Brennkammern
aufweist, an deren vorderer und hinterer Stirnfront konzentrisch zur Achse
je eine rotierende Steuerscheibe angeordnet ist, um die Einlaßöffnung auf
der vorderen bzw. um die Auslaßöffnung auf der hinteren Stirnfront der einzelnen
Brennkammern in zeitlicher Aufeinanderfolge im Sinn der Drehrichtung gemeinsam zu
steuern. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß die Steuervorgänge in den einzelnen
Brennkammern, wie Füllung mit verdichteter Luft, Einspritzung des Brennstoffes,
Zündung des Gemisches und Ausströmung des Verbrennungsgases, zum zweckeritsprechenden
Zeitpunkt erfolgen. Im Anschluß an die Auslaßsteuerscheibe ist ferner ein ringförmiaer
Behälter konzentrisch zur Achse angeordnet, um die pulsierenden Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen
des Verbrennungsgases während des Ausströmvorganges auszugleichen und eine Vermischun-
des heißen Verbrennungsgases mit nach-C tn strömender Spülluft zu bewirken, bevor
das Mischgas dem Laufrad der Kompressorturbine zugeführt wird. Die Nutzleistung
wird dem Laufrad der Arbeitsturbine entnommen, das hinter der Kompressorturbine
angeordnet ist, mit dieser jedoch keine mechanische Verbindung aufweist.
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In bezug auf die Einrichtung dieser Gasturbine ist folgendes zu bemerken:
Infolge-'des hohen Gasdruckes im Druckausgleichsbehälter, der bei einer mehrstufigen
Turbine erforderlich ist, muß ein verhältnismäßig hoher Kompressordruck aufgewendet
werden, um die Brennkammern mit Frischluft spülen und aufladen zu können. Zur Verdichtung
der Frischluft muß infolgedessen bei dieser Gasturbine zumindest ein zweistufiger
Radialkompressor vorgesehen werden. Im Druckausgleichsbehälter ist die Entstehung
eines homogenen, mit konstanter Geschwindigkeit ausströmenden Gas-Luft-Gemisches
nur dann gewährleistet, wenn die Strömungsenergie des einströmenden Verbrennungsgases
weitgehend vernichtet wird, so daß eine Vermischung mit der nachströmenden
Spül-
luft erfolgen kann. Die im Anschluß erforderliche, erneute Beschleunigung
des Gas-Luft-Gemisches, bevor dieses der Turbine zugeführt wird, ist mit einem erheblichen
Verlust an Druckgefälle verbunden.
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Ein weiterer Vorschlag zur Ausführung von Verpuffungs-Gasturbinen
ist durch die USA.-Patentschrift 2 982 242 bekanntgeworden. Der Aufbau dieser
Gasturbine weist im wesentlichen die gleichen charakteristischen Merkmale auf wie
die vorher beschriebene Gasturbine nach der schweizerischen Patentschrift.
Zu
erwähnen ist, daß bei dieser Gasturbine kein Druckausgleichsbehälter vorgesehen
ist und daß die ausströmenden Verbrennungsgase unmittelbar der Turbine zugeführt
werden. Als weitere Einrichtung ist eine Vorwärmung der Verbrennungsluft durch die
Abgase zu verzeichnen, die eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit bezwecken soll.
Als wesentliche Neuerung sind bei dieser Gasturbine erweiterte Schlitzlängen in
der Einlaß- und Auslaßsteuerscheibe vorgesehen, die eine gleichzeitige Steuerung
mehrerer Brennkammern sowie deren Spülung ermöglichen. Für die Spülung der
Brennkammern ist im Anschluß an den Auslaßsteuerschlitz ein zusätzlicher
Spül-
schlitz in der betreffenden Steuerscheibe angeordnet, der eine unmittelbare
Verbindung zwischen Auslaßöffnung der Brennkammer und Abgassammelrohr herstellt,
während gleichzeitig die Verbindung zur Turbine unterbrochen wird. Durch diese Anordnung
kann das Restgas in der Brennkammer auf den Außendruck entspannt werden,
so daß die Brennkammer bei einem verhältnismäßig niedrigen Kornpressordrück mit
Frischluft gespült und anschließend aufgeladen werden kann.
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Zu den besonderen Einrichtungen dieser Gasturbine ist folgendes zu
bemerken: Die unmittelbare
Zuführung der Verbrennungsgase zur Turbine ohne
Zwischenschaltung eines Druckausgleichsbehälters hat infolge der sehr unterschiedlichen
Strömungsgeschwindigkeiten während des Ausströmvorganges aus der Brennkammer eine
niedrige Wirtschaftlichkeit des Turbinenarbeitsprozesses zur Folge. Desgleichen
ist die Ausspülung der Restgase aus der Brennkammer und deren Ableitung in das Abgassammelrohr
mit einem erheblichen Energieverlust verbunden.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Verpuffuig-s-Gasturbine ist in
ihren charakteristischen Merkmalen in bezug auf die Anordnung der Brennkammern,
Steuerung der Brennkainmern durch zwei rotierende Steuerscheiben, Anordnung eines
Mischbehälters im Anschluß an die Auslaßsteuerscheibe und Anordnung von mechanisch
getrennten Turbinenlaufrädem nach gleichen Gesichtspunkten aufgebaut wie die beschriebene
Gasturbine in der schweizerischen Patentschrift. Desgleichen sind in der Einlaß-
und Auslaßsteuerscheibe erweiterte Schlitzlängen vorgesehen, um in ähnlicher Weise
wie bei der in der USA.-Patentschrift beschriebenen Gasturbine mehrere Brennkammern
gleichzeitig steuern zu können.
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Von diesem Stand der Technik ausgehend, ist die der Erfindung zugrunde
liegende Verpuffungs-Gasturbine gemäß der Erfindung mit besonderen Einrichtungen
ausgestattet, die den eigentlichen Erfindungsgegenstand darstellen und mit deren
Hilfe die nachteiligen Eigenschaften der beiden vorher erwähnten Gasturbinen beseitigt
werden können. Die vorgesehenen besonderen Einrichtungen geben die Mög-
lichkeit,
bei einfachem Aufbau und entsprechend niedrigem Kostenaufwand Gasturbinentriebwerke
herzustellen, die auch in kleinen Leistungsbereichen in der Lage sind, eine hohe
Wirtschaftlichkeit zu entwickeln. Auf Grund der vorteilhaften Eigenschaften ist
diese Verpuffungs-Gasturbine in besonderer Weise zum Antrieb von Kraftfahrzeugen
geeignet und für diesen Verwendungszweck vorgesehen.
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Die Arbeitsweise dieser Gasturbine ist wie folgt: Die für den Arbeitsprozeß
erforderliche Frischluft wird durch den einstufigen Radialkompressor 1 aus
der umgebenden Atmosphäre angesaugt und auf einen möglichst hohen Enddruck verdichtet.
Der Antrieb des Kompressors erfolgt direkt über die Antriebswelle 2 durch die Kompressorturbine
3. Um die angesaugte Luftmenge dem jeweiligen Leistungsbedarf anpassen zu
können, sind im Ansaugkrümmer 4 des Kompressors verstellbare Leitschaufeln
5 vorgesehen. Ein Teil der verdichteten Luft wird dem Diffusor
6 über das Zuleitungsrohr 7 entnommen und der Brennkammer
8 unmittelbar zugeführt. Die entnommene Luft dient zum Spülen und Laden der
Brennkammer. Die übrige verdichtete Luft, die zum Verdünnen der Verbrennungsgase
erforderlich ist, wird durch den Ausblasstutzen 9 des Diffusors abgeführt
und kann zur Vorwärmung einem Abgaswärmetauscher zugeleitet werden, bevor die Vermischung
mit Verbrennungsgas erfolgt. Der Brennstoff wird durch die Einspritzdüse
10 in bestimmten Zeitintervallen in die Brennkammer eingespritzt und durch
den Glühzünder 11 zur Verbrennung gebracht. Die Einströmung der Frischluft
in die Brennkanuner sowie die Ausströmung der Verbrennungsgase wird durch eine besondere
Steuereinrichtung gesteuert. Zu diesem Zweck ist auf der vorderen Stirnseite der
Brennkammer die Einlaßsteuerscheibe 12 angeordnet, die mit dem Einlaßsteuerschlitz
13 die Einlaßöffnung 14 der Brennkammer steuert. In analoger Weise ist am
entgegengesetzten Ende der Brennkammer die Auslaßsteuerscheibe 15 angeordnet,
die mit dem Auslaßsteuerschlitz 16 die Auslaßöffnung 17 der Brennkammer
steuert. Eine konzentrisch zur Achse gelagerte Steuertrommel 18 dient als
Verbindungsglied zwischen den beiden Steuerscheiben. Das Antriebsvorgelege
19 überträgt die Drehbewegung der Kornpressorantriebswelle auf die Steuertrommel
bzw. auf die Steuerscheiben. Das Untersetzungsverhältnis des Antriebsvorgeleges
wird so gewählt, daß bei den gegebenen Druck und Querschnittsverhältnissen vor und
hinter der Brennkammer ausreichende Zeitquerschnitte vorhanden sind, um einen einwandfreien
Ab-
lauf der einzelnen Steuerfunktionen einschließlich des Verbrennungsvorganges
zu gewährleisten. Der Ablauf der einzelnen Steuerfunktionen geht in der Weise vor
sich, daß zunächst während des Verbrennungsvorganges die Auslaß- und Einlaßöffnung
der Brennkammer durch die betreffende Steuerscheibe geschlossen ist. Anschließend
wird die Auslaßöffnung durch den Auslaßsteuerschlitz geöffnet, und das Verbrennungsgas
kann aus der Brennkammer ausströmen.
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Nach Beendigung des Ausströrnvorganges wird die Einlaßöffnung durch
den Einlaßsteuerschlitz freigegeben, und verdichtete Luft 'strömt in die Brennkammer
ein, um das zurückgebliebene Restgas auszuspülen. Infolge des herrschenden Gegendruckes
hinter der Brennkammer sind jedoch besondere Maß--nahmen erforderlich, damit eine
Spülung zustande kommt. Auf diese Maßnahmen wird später hingewiesen. Im Anschluß
an den Spülvorgang wird die Auslaßöffnung durch die Auslaßsteuerscheibe geschlossen
und die Brennkamm er mit verdichteter Frischluft aufgeladen. Anschließend
wird die Einlaßöffnung durch die Einlaßsteuerscheibe geschlossen und Brennstoff
in die Brennkarnrn er eingespritzt, der durch den Glüh-
zünder zur Verbrennung
gebracht wird. Während des Ablaufes der erwähnten Steuerfunktionen haben die beiden
Steuerscheiben eine volle Umdrehung ausgeführt. Die beschriebene Steuereinrichtung
gibt die Möglichkeit, eine Anzahl von Brennkarnmern, die
zentral
um die Achse angeordnet sind, durch eine Einlaß- und eine Auslaßsteuerscheibe gemeinsamzu
steuern. Im B i 1 d 2 und 3 z. B. ist die Einlaß- bzw. Auslaßsteuerscheibe
für drei zentral zur Achse angeordnete Brennkammern dargestellt. Mit Rücksicht auf
die verhältnismäßig großen Steuerwinkel ist sowohl der Einlaß-, als auch der Auslaßsteuerschlitz
durch mehrere Verbindungsstege unterbrochen, um eine Verwerfung der Steuerscheibe
unter der Einwirkung von Wärme zu verhindern. Die Länge des Einlaß- und des Auslaßsteuerschlitzes
bzw. der Steuerwinkel ist so gewählt, daß sowohl auf der Einlaßseite als auch auf
der Auslaßseite ein Steuervorgang in zwei jeweils benachbarten Brennkammern gleichzeitig
stattfinden kann. So ist es z. B. bei Anordnung von drei Brennkammern möglich,
die obere Brennkammer zu spülen, während gleichzeitig in der linken Brennkammer
die Aufladung mit Frischluft und in der rechten Brennkammer die Ausströmung von
Verbrennungsgas erfolgt.
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Der Auslaßsteuerschlitz weist eine unterschiedliche Schlitzbreite
auf mit einem verhältnismäßig schmalen Verlauf im Bereich der kritischen Ausströmung-
und einem allmählichen Übergang auf normale Schlitzbreite im unterkritischen Ausströmbereich.
Durch diese Maßnahme wird die Zeitdauer des Ausströmvorganges aus einer Brennkammer
so weit in die Länge gezogen, daß unmittelbar im Anschluß daran die Ausströmung
aus der folgenden Brennkammer einsetzen kann. Damit wird erreicht, daß mit Rücksicht
auf die veränderlichen Druck- und Temperaturverhältnisse in der Brennkammer während
des Ausströmvorganges zü jedem Zeitpunkt eine Gasmenge mit angenähert konstanter
innerer Energie in den Mischbehälter einstrÖmt.
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Das beschriebene Steuerverfahren für eine Anordnung von drei Brennkammern
kann sinngemäß auch auf eine größere Anzahl von Brennkammem übertragen werden. Als
Mindestanzahl sind für die Anwendung dieses Steuerverfahrens zwei Brennkammern in
diametraler Anordnung erforderlich. Für Triebwerke, die zum Antrieb von Kraftfahrzeugen
vorgesehen sind und nur verhältnismäßig kleine Leistungen aufweisen müssen, sind
lediglich zwei bzw. drei Brennkammern erforderlich.
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Nach Beendigung des Verbrennungsvorganges wird die Auslaßöffnung freigegeben,
und das Verbrennungsgas kann nun aus der Brennkammer durch den Auslaßkanal 20 in
den ringfönnigen Mischbehälter 21 einströmen, der hinter der Auslaßsteuerscheibe
in konzentrischer Anordnung anschließt.
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Im B i 1 d 4 ist eine Seitenansicht des Mischbehälters mit
den einzelnen Verbrennungsgaseinmündungen 22 dargestellt. Die Anordnung ist so vorgesehen,
daß die einzelnen Auslaßkanäle bei gleichem Umlaufsinn in tangentialer Richtung
am Umfang des Mischbehälters einmünden. Die einzelnen Verbrennungsgaseinmündungen
sind an ihrer Innenseite durch Ablenker 23 abgeschirmt, die unmittelbar vor
der Einmündung am Umfang des Mischbehälters angeordnet 0 C, sind. Die Ablenker
23 haben als eigentliche Funktion eine kleine Ablenkuna, aus der Umfangsrichtung
ins Innere des Mischbehälters zu bewirken. Die in den Mischbehälter einströmenden
Gasstrahlen (Verbrennungsgas) können infolge der hohen Temperatur nicht unmittelbar
der Turbine zugeleitet werden. Aus diesem Grund ist vorher eine Verinischung mit
einer bestimmten Menge Zusatzluft erforderlich, um die zulässige Gemischtemperatur
zu erhalten. Die für den Mischvorgang benötigte Zusatzluft wird dem Ausblasestutzen
des Diffusors entnommen und über das Zuleitungsrohr 24 dem Mischbehälter
zugeführt. In der Darstellung im B i 1 d 4 z. B. ist das Zuleitungsrohr unterhalb
bzw. vor der linken Verbrennungsgaseinmündung angebracht und so gerichtet, daß der
Luftstrahl im Sinn der Strömungsri#Iitung der Gasstrahlen in den Mischbehälter einströmt.
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Die besonderen Einrichtungen im Mischbehälter sind erforderlich, um
bei dem unzureichenden Druckgefälle zwischen Diffusor und Mischbehälter die Einströmung
der Zusatzluft in den Mischbehälter sowie um die Ausspülung der zurückgebliebenen
Restgaso aus den Brennkaminern zu ermöglichen. Infolge des hohen Gegendruckes im
Mischbehälter, der bei mehrstufigen Turbinen vorhanden sein muß, ist der verhältnismäßig
niedrige Ladedruck des einstufigen Radialkompressors nicht ausreichend, um eine
entsprechende Einströmung der Zusatzluft in den Mischbehälter zu bewirken. Dieser
Nachteil wird mit Hilfe der beim Verpuffungsverfahren im Verbrennungsgas zur Verfügung
stehenden potentiellen Energie durch deren Umwandlung in kinetische Energie beseitigt.
Dies geschieht auf folgende Weise: Die mit großer Geschwindigkeit vor sich gehende
Einströmung des Verbrennungsgases - in den Mischbehälter ist mit einer starken
Sogwirkung verbunden, die einen entsprechenden Unterdruck im Bereich vor den einzelnen
Verbrennungsgaseinmilndungen auslöst, so daß die Zusatzluft auch bei Vorschaltung
eines Wärmetauschers in den Mischbehälter einströmen kann. In gleicher Weise wie
die einzelnen Verbrennungsgas strahlen ist auch der eingeströmte Zusatzluftstrahl
gezwungen, zunächst eine kreisende Bewegung ent lang des Umfanges auszuführen, wird
dabei durch die Verbrennungsgasstrahlen beschleunigt und vermischt sich schließlich
mit diesen. Die Anordnung des Ablenkers verursacht eine kleine Ablenkung des kreisenden
Verbrennungsgas-Luft-Strahles ins Innere des Mischbehälters, die mit einer Senkung
des statischen Druckes infolge der Querschnittsverengung verbunden ist. Damit in
Verbindung wird durch die auftretende Sogwirkung des Verbrennungsgas-Luft-Strahles
am Ende des Ablenkers ein entsprechender Unterdruck im Bereich der Verbrennungsgaseinmündung
hervorgerufen, so daß das Restgas aus den einzelnen Brennkammern mit Frischluft
ausgespült und dem Arbeitsprozeß in der Turbine zugeführt werden kann.
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Um eine gleichmäßige Spülung der einzelnen Brennkammem sowie um eine
gleichmäßige Einströmung der Zusatzluft in den Mischbehälter zu erreichen, muß durch
die einzelnen Verbrennungsgaseinmündungen in stetiger Aufeinanderfolge zu jedem
Zeitpunkt eine bestimmte Verbrennungsgasmenge von angenähert konstanter innerer
Energie in den Mischbehälter einströmen. Unter dieser Voraussetzung entsteht im
Mischbehälter ein homogenes Verbrennungsgas-Luft-Gemisch, wenn bestimmte Maßnahmen
in bezug auf die Art der Verbrennungsgaseinströmung in Abhängigkeit von der Brennkammeranzahl
vorgesehen werden.
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So wird z. B. bei Anordnung von drei Brennkammern ein homogenes Gas-Luft-Gemisch
erhalten, wenn die Steuerung der einzelnen Brennkammern im entgegengesetzten Drehsinn
zur Strömungsrichtung im Mischbehälter erfolgt.
Bei Anordnung von
zwei Brennkammern führt diese Maßnahme zu keinem Erfolg. In diesem Fall ist es zweckmäßig,
die Auslaßkanäle20 der beiden Brennkammem durch ein gemeinsames überleitungsrohr
25 zu verbinden, das anschließend in der beschriebenen Art in den Mischbehälter
einmündet, wie es im B i 1 d 5 dargestellt ist.
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Nach einer Umkreisung des Mischbehälterumfanges ist aus den einzelnen
Strahlen ein einheitlicher Gemischstrahl entstanden, der nunmehr der Turbine zugeleitet
werden kann. Zu diesem Zweck wird der Gemischstrahl- aus seiner bisherigen Strömungsrichtung
entlang des Umfanges durch den Ablenkbogen 26, der unmittelbar vor der Einmündung
des Zuleitungsrohres 24 angebracht ist, auf die Innenbahn 27 des Mischbehälters
abgelenkt und gezwungen, entlang dieser seine kreisende Bewegung fortzusetzen.
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Im weiteren Verlauf muß der Gemischstrahl in geeigneter Form den einzelnen
Düsen 28 im Düsenleitring 29 zugeführt werden. Aus diesem Grund sind in symmetrischer
Aufteilung entlang der Innenseite des Mischbehälters Verteilemasen 30 angeordnet,
deren Nasenschneiden- der Strömungsrichtung des Gemischstrahles entgeggengerichtet
sind. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß der Gemischstrahl in gleiche Teilstrahlen
zerlegg wird und diese zu den Düsenzuleitungskanälen 31 abgelenkt werden.
Gleichzeitig wird den einzelnen Teilstrahlen durch die Düsenzuleitungskanäle die
entsprechende Anströmrichtung für den Eintritt in die Düsen erteilt (B i
1 d 6).
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Mit Rücksicht auf die hohen Gastemperaturen müssen alle Bauteile,
die Verbrennungsgas oder Mischgas führen, gekühlt werden. Aus diesem Grund ist für
die betreffenden Wandungen der Brennkammem, des Mischbehälters und des Düsenleitringes
sowie für die )Äfandungen des Turbinengehäuses und des Zwischenleitringes
32 eine Luftkühlung vorgesehen. Die erforderliche Luftmengge für die Kühleinrichtung
wird, dem Diffusor entnommen
und über den Zuführungsstutzen 33 dem
Brennkammerkühlmantel 34 zugeführt. Auf der Auslaßseite der Brennkammer wird die
KühRuft in den Mischbehälterkühlmantel 35 überaeleitet. Der Kühlmantel des
Mischbehälters ist so eingerichtet, daß die Kühlluft entlang des Umfanges und entlang
der linken Seitenwand strömen kann, um anschließend die Wandungen der Düsenzuleitungskanäle
zu umströmen. Im weiteren Verlauf strömt die Kühlluft entlang der Innenwand
36 des Mischbehälters zum Düsenleitring, strömt durch die Düsenkühlkanäle
37
hindurch und erreicht schließlich die rechte Seitenwand des Mischbehälters.
An dieser Seitenwand sind besondere Einrichtungen vorgesehen, um die Kühlluft nach
Zurücklegung des vorgeschriebenen Kühlweges dem Gasgemisch im Mischbehälter zuführen
zu können. Dies geschieht mit Hilfe einer oder mehrerer Sogtaschen 38, die
in symmetrischer Aufteilung an der Seitenwand angebracht sind (B i 1 d 4
und 7).
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Die Oberfläche der Sogtaschen ist halbkegelförmig ausgebildet, deren
Spitze der Strömungsrichtung des Gas-Luft-Strahles entgegengerichtet ist und deren
Basisrand sich ins Innere des Mischbehälters erstreckt, so daß die Oberfläche der
Sogtasche die Funktion eines Ablenkers ausführen kann. Die offene Basisfläche gibt
einen Verbindungsweg zwischen Kühlmantel und Innenraum des Mischbehälters frei.
Die besondere Formgebung der Sogtasche hat zur Folge, daß der Gemischstrahl aus
seiner Strömungsrichtung # entlang der Seitenwand ein wenig nach innen abgelenkt
wird, wobei durch die Querschnittsverengung eine entsprechende Abnahme des statisehen
Druckes eintritt, so daß in Verbindung mit der auftretenden Sogwirkung des Gemischstrahles
am Ende der Sogtasche ein Unterdruck entsteht, der die Einströmung der KühRuft ins
Innere des Mischbehälters ermöglicht. Auf diese Weise kann die von der Kühlluft
aufgenommene Wärmemenge dem Arbeitsprozeß in der Turbine zugeführt werden. Die Anordnung
der Sogtaschen kann auch an der linken Seitenwand des Mischbehälters erfolgen bei
entsprechender Umkehrung der Umströmung des Mischbehälters durch die Kühltuft.
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in gleicher Weise kann auch die über den Anschlußstutzen39 in den
Gehäusekühlmante140 einströmende KühRuft nach Zurücklegung des vorg ge schriebenen
Kühlweges entlang der Gehäusewand und entlang den Wandungen des Zwischenleitringes
über einen entsprechenden Verbindungskanal zu den Sogtaschen des Mischbehälters
geleitet werden.
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Das zum Antrieb von Kraftfahrzeugen vorgesehene Triebwerk ist mit
einer zweistufigen Turbine ausgestattet, deren Laufräder in bekannter Weise von
einander mechanisch getrennt sind. Diese Anordnung ist mit Rücksicht auf eine vorteilhafte
Drehmomentcharakteristik des Triebwerkes erforderlich. Die erste Turbine
3, als Kompressorturbine bezeichnet, dient lediglich zum Antrieb des Kompressors
und der Hilfsgeräte. Der unmittelbare Antrieb der Hilfsgeräte erfolgt durch die
Steuertrommel mit Hilfe des Kegeltriebes 41. Die zweite Turbine 42, als Arbeitsturbine
bezeichnet, ist zur Erzeugung von iZutzleistung vorgesehen. Das Drehmoment der Arbeitsturbine
wird miftels der Turbinenwelle 43 über das Reduziervorgelege 44 auf die Abtriebswelle
45 übertragen. Mit Rücksicht auf die verhältnismäßig kleinen Leistungen, die zum
Antrieb von Kraftfahrzeugen benötigt werden, ist für beide Turbinenlaufräder lediglich
eine Partialbeaufschlagung durch eine Anzahl von Düsen im Düsenleitring bzw. durch
die gleiche Anzahl von Umlenkdüsen 46 im Zwischenleitring vorgesehen. Die aus den
einzelnen Düsen des Düsenleitringes ausströmenden Gasstrahlen geben einen Teil ihrer
kinetischen Energie an die Schaufeln 47 der Kompressorturbine ab, werden in den
Umlenkdüsen entsprechend umgelenkt und übertragen anschließend den Hauptanteil der
kinetischen Energie auf die Schaufeln 48 der Arbeitsturbine. Im weiteren Verlauf
strömt das Abgas in den Sammelring 49 und verläßt das Triebwerk durch den Abgasstutzen
50.
Anschließend kann das Abgas durch einen Wärmetauscher geleitet werden,
um einen Teil seines Wärmeinhaltes an die Zusatzluft zu übertragen, und strömt schließlich
in die umgebende Atmosphäre aus.
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Die besonderen baulichen Einrichtungen beeinflussen den Arbeitsprozeß
des beschriebenen Triebwerkes in folgender Weise: Die Verbrennun- des Kraftstoffes
in der aeschlossenen Brennkammer hat einen hohen Druckanstieg zur Folge. Beim Ausströmvorgang
in den Mischbehälter expandiert das Verbrennungsgas auf den Druck im Mischbehälter,
der etwas niedriger ist als der Ausblasedruck des Kompressors. Infolge der großen
Druckdifferenz sinkt die Temperatur der Verbrennungsgase während der Expansion auf
einen entsprechend niedrigen Wert ab, so daß im Mischbehälter nur eine verhältnismäßig
kleine Menge Zusatzluft
beigemengt werden muß, um die maximal zulässige
Gemischtemperatur zu erhalten. Gleichzeitig erfolgt beim Ausströmvorgang in Abhängigkeit
von der Druckdifferenz eine teilweise Umwandlung der inneren Energie der Verbrennungsgase
in kinetische, Energie. Bei einem entsprechend hohen Verbrennungsdruck ist der Anteil
an kinetischer Energie der Verbrennungsgase ausreichend, um die mit kleiner Geschwindigkeit
zuströmende Zusatzluft im Mischbehälter auf eine so hohe Endgeschwindigkeit zu beschleunigen,
so daß eine Expansion in den Leitdüsen der Kompressorturbine nicht erforderlich
ist. Das vorhandene statische Druckgefälle zwischen Mischbehälter und Abgassammelrohr
steht infolgedessen -im wesentlichen der Arbeitsturbine zur Verfügung. Um diesen
Einfluß zu fördern, muß unter den gegebenen Verhältnissen ein möglichst hoher Verbrennungsdruck
angestrebt werden. In dieser Hinsicht würde sich eine Vorwärmung der Verbrennungsluft
im Wärmetauscher nachteilig auswirken. Im Vergleich zu einer Gasturbine mit Verbrennungssystem
bei konstantem Druck wäre zur Erreichung des gleichen Effektes eine zweite Radialkompressorstufe
erforderlich. Der Gesamtwirkungsgrad des Triebwerkes würde jedoch durch diese Anordnung
beträchtlich herabgesetzt werden.
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Der Verbrennungsvorgang in der geschlossenen Brennkammer ist von der
Art des Brennstoffes unabhängig. Es können deshalb auch minderwertige Brennstoffe
verwendet werden, Die Auslaßsteuerung in der beschriebenen Art ermöglicht eine gleichmäßige
und ständige Zufuhr von Verbrennungsgas zum Mischbehälter. Die dadurch erzielte
gleichmäßige Strömung des homogenen Gasgemisches hat einen ruhigen Lauf des Triebwerkes
zur Folge.
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Die Wirtschaftlichkeit des Arbeitsprozesses von Turbinentriebwerken
wird durch die Temperatur des Gasgernisches sehr wesentlich beeinflußt. Mit Rücksicht
auf die nachhaltigen Auswirkungen auf die Materialfestigkeit der Turbinenschaufeln
sind jedoch der Gasgemischtemperatur bestimmte obere Grenzen gesetzt. Eine wesentliche
Erhöhung der üblichen Gasgemischtemperaturen zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit
ist nur dann durchführbar, wenn gleichzeitig eine wirkungsvolle Kühlung der Turbinenschaufeln
vorgenommen werden kann. In dieser Hinsicht gestattet das beschriebene Triebwerk
mit Partialbeaufschlagung der Turbinenlaufräder in einfacher Weise die Durchführung
einer sehr wirkungsvollen Kühlung der Turbinenschaufeln durch Anblasen mittels eines
Kühlluftstrahles. Aus diesem Grund kann eine beträchtliche Erhöhung der Gasgemischtemperatur
über die üblichen Grenzen hinaus zugelassen werden, ohne dadurch die Lebensdauer
der Turbinenschaufeln zu beeinträchtigen. Die erwähnte Kühlmethode erfordert lediglich
die Anordnung einer entsprechenden Kühlluftdüse im Düsenleitring sowie im Zwischenleitring.
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Der Brennstoffverbrauch bei Turbinentriebwerken kann durch Anwendung
eines Wärmetauschers zwecks Rückgewinn der Abgaswärme wesentlich herabgesetzt werden.
Für einen weitgehenden Rückgewinn der Abgaswärme ist jedoch ein Wärmetauscher mit
großen räumlichen Abmessungen erforderlich. Ein Fahrzeugturbinentriebwerk kann infol-edessen
mit Rücksicht auf die beschränkten Raumverhältnisse im Kraftfahrzeug nur mit einem
verhältnismäßig kleinen Wärmetauscher ausgestattet werden, der lediglich einen Teilrückgewinn
der Ab-
gaswärme ermöglicht. In dieser Hinsicht eignet sich die beschriebene
Gasturbine in besonderer Weise als Fahr'zeugtriebwerk, weil diese lediglich eine
Vorwännung der Zusatzluft benötigt, um ün Zusammenhang mit den vorteilhaften Auswirkungen
des Verpuffungsverfahrens eine sehr hohe Wirtschaftlichkeit des Arbeitsprozesses
zu erreichen.
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Auf Grund der vorteilhaften Drehmomentcharakteristik ist ein mehrstufiges
Schaltgetriebe in Verbindung mit dieser Gasturbine nicht erforderlich.