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Gasturbinentriebwerk Die Erfindung bezieht sich auf- ein Gasturbinentriebwerk
mit einem Gaserzeuger, einer Nutzleistungsturbine, einem Untersetzungsgetriebe und
einem umlaufenden Regenerativwärrneaustauscher, dessen voneinander abgedichtete
Ringsektoren abwechselnd von den heißen Abgasen und von der verdichteten Verbrennungsluft
beaufschlagt sind.
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Zur Steigerung des Wirkungsgrades von Gasturbinen werden vielfach
Wärmeaustauscher verwendet. Durch diese wird ein Teil der Abgaswärme auf die frische,
verdichtete Verbrennungsluft übertragen. Bei Kleingasturbinen zum Antrieb von Kraftfahrzeugen
werden vor allem umlaufende Wärmeaustauscher verwendet, die nach dem bekannten Regenerativprinzip
arbeiten. Um hohe Wärmeaustauschgrade zu erreichen, ist man gezwungen, für den Wärmeaustauscher
räumlich große Abmessungen zu wählen. Dies wirkt sich vor allen Dingen hindernd
für den Einbau der Gasturbinen in kleineren Fahrzeugen, wie Kraftfahrzeugen, aus,
bei denen der Einbauraum beschränkt ist.
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Es sind Gasturbinentriebwerke für Kraftfahrzeuge bekannt, die an beiden
Triebwerkslängsseiten trommelförmige Wärmeaustauscher aufweisen, die um senkrecht
zur Triebwerkswelle gerichtete Achsen rotieren und von der Verbrennungsluft radial
von außen nach innen und von den heißen Abgasen radial von innen nach außen durchströmt
werden. Diese bekannte Wärmeaustauscheranordnung vergrößert die räumlichen Ausmaße
des Triebwerkes beträchtlich, so daß diese Triebwerksausführung für den Einbau in
kleineren Fahrzeugen, wie Personenkraftwagen, Schwierigkeiten mit sich bringt. Eine
Lärmreduzierung und eine Verminderung der Wärmeabstrahlung werden durch die beiden
seitlich angeordneten Wärmeaustauscher in keiner Weise erreicht.
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Eine andere bekannte Triebwerkskonzeption besteht darin, daß nach
dem Radialverdichter mehrere, auf dem Triebwerksumfang verteilte, kleinere Regenerativwärmeaustauscher
vorgesehen sind, die von der verdichteten Verbrennungsluft radial von innen nach
außen und von den heißen Abgasen ebenfalls radial von innen nach außen durchströmt
werden. Dieses Triebwerk weist den Nachteil auf, daß sich sein konstruktiver Aufbau
in bezug auf die Luft- und Brenngasführung durch die einzelnen Wärmeaustauscher
aufwendig gestaltet. Auch ist praktisch keine Senkung des Lärmpegels und keine Wärmedämmung
durch die kurze Länge der einzelnen Wärmeaustauscher gegeben.
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Ferner sind Heißluftturbinentriebwerke mit einem umlaufenden Regenerativwärmeaustauscher
bekannt, der neben dem Triebwerksmotor angeordnet ist und von der Verbrennungsluft
radial von außen nach innen und von den heißen Abgasen radial von innen nach außen
durchströmt wird. Durch seine spezielle Anordnung ist der Wärmeaustauscher nicht
in der Lage, wärmedämmend und lärmmindernd zu wirken.
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Weiter sind Gasturbinentriebwerke bekannt, die als Wärmeaustauscher
einen das Triebwerk im wesentlichen umschließenden Röhrenwärmeaustauscher aufweisen,
dessen Rohre sich konzentrisch zur Triebwerkslängsachse erstrecken. Dabei strömt
die Verbrennungsluft von vorn nach hinten durch die einzelnen Rohre, während die
heißen Abgase den Röhrenwärmeaustauscher radial von innen nach außen durchströmen.
Ganz abgesehen davon, daß ein Röhrenwärmeaustauscher von sich aus nur unwesentlich
in der Lage ist, schall- und wärmeisolierend zu wirken, werden bei diesem Triebwerk
die heißen Abgase fast über den gesamten Innenumfang des Triebwerksaußengehäuses
entlang geführt, so daß entweder ein hoher Wärmeverlust durch Abstrahlung in Kauf
genommen werden oder das Außengehäuse mit hohem Kostenaufwand isoliert werden muß.
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Schließlich sind für sich Regenerativwärmeaustauscher bekannt, bei
denen die zu erwärmende Luft an der einen Stirnseite des entsprechenden Sektors
des aus vielen einzelnen, konzentrisch zueinander angeordneten Trommeln bestehenden
Wärmeaustauschers in axialer Richtung einströmt, dann radial durch die einzelnen
Trommelabschnitte durchtritt und den Sektor wieder in axialer Richtung verläßt.
Der andere Sektor des Wärmeaustauschers wird in gleicher Weise, jedoch in entgegengesetzter
Richtung, von den heißen Gasen durchströmt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gasturbinentriebwerk
der eingangs genannten Gattung mit kompaktemAufbau und einer Schall- undWärmeisolierung
durch den Regenerativwärmeaustauscher, der sich zudem durch einen hohen Wärmeaustauschgrad
auszeichnet, zu schaffen.
Das Gasturbinentriebwerk gemäß der Erfindung
ist gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: a) Der trommelförmige
Wärmeaustauscher ist in an sich bekannter Weise in Längsachse des Triebwerkes angeordnet
und umgibt dieses vollständig oder zum größten Teil, b) Lenkung des Luft- und Gasstromes
durch den Wärmeaustauscher in an sich bekannter Weise so, daß die verdichtete Luft
auf der vorderen Stirnseite des Wärmeaustauschersektors einströmt, diesen von außen
nach innen durchströmt und auf der hinteren Stirnseite wieder verläßt, während die
noch heißen Abgase auf der hinteren Stirnseite des Wärmeaustauschersektors einströmen,
diesen von innen nach außen durchströmen und auf seiner vorderen Stirnseite wieder
verlassen, . .
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c) exzentrische Anordnung des Wärmeaustauschers in bezug auf die Triebwerkswelle,
d) Einbau der Brennkammer in an sich bekannter Weise innerhalb des hinteren Endes
des von der verdichteten Verbrennungsluft durchströmten Wärmeaustauschersektors
mit einem zunächst nach vorn verlaufenden Teil der Brenngasführung e) ein anschließend
über einen radial nach innen gerichteten Halbkrümmer nach hinten verlaufende Teil
der Brenngasführung, die in an sich bekannter Weise in die Verdichterantriebsturbine
_ mündet, und f) Anordnung des Untersetzungsgetriebes in Höhe bzw. neben der Brennkammer
innerhalb des Wärmeaustauschers.
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In der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt,
ist ein Gasturbinentriebwerk ge= maß der Erfindung im Längsschnitt veranschaulicht.
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Ein Verdichter 11 saugt Verbrennungsluft L an und verdichtet sie.
Die verdichtete Luft L' wird dem Wärmeaustauscher W über den Verdichteraustritt
12 zugeleitet und tritt an der vorderen Stirnfläche 23 in axialer Richtung = im
Augenblick betrachtet - in den Sektor 13 des Wärmeaustauschers W ein, dessen Matrix
geneigt angeordnet ist. Nach Durchströmen des Wärmeaustauschersektors 13 gelangt
die aufge= heizte verdichtete Verbrennungsluft L" durch den Wärmeaustauscherluftaustritt
bzw. Brennkammereintritt 14 in die Brennkammer 15. Dort wird ihr durch
Brennstoffeinspritzung und Zündung Wärme zugeführt. Die heißen Brenngase B (Arbeitsmittel)
gelangen dann durch eine Brenngasführung 16, die zunächst in axialer Richtung nach
vorn und dann über einen Halbkrümmer in axialer Richtung nach hinten verläuft, in
eine Verdichterantriebsturbine 17 und anschließend in eine Arbeitsturbine 18, in
denen sie entspannt werden. Die Arbeitsturbine 18 treibt ein Untersetzungsgetriebe
24 an, von dem eine Abtriebswelle 26 wegführt. Die entspannten heißen Abgase B'
strömen durch die Abgasführung 19 und den Wärmeaustauschereintritt 20 an
der hinteren Stirnfläche 25 in axialer Richtung in den Wärmeaustauschersektor
21 ein, wo sie Wärme abgeben. Die nunmehr kühleren Abgase B" strömen schließlich
durch den Abgasaustritt 22 ins Freie.
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Die rotierenden Wärmeaustauschersektoren 13 und 21 werden in üblicher
Weise während des Betriebes ständig nacheinander von der Verdichterluft L' und dann
von den Abgasen B' durchströmt und durchlaufen bekanntlich eine gehäusefeste Dichtung,
die den Luftraum und den Abgasraum des Wärmeaustauschers voneinander trennt.
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Die Längsachse A des Wärmeaustauschers W ist in bezug
auf die Längsachse C des Triebwerkes bzw. auf die Triebwerkswelle exzentrisch angeordnet.
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Die Vorteile der Erfindung sind folgende: Wie aus der Zeichnung zu
ersehen ist, befindet sich der größte Teil der Strömungskanäle und der Einrichtungen,
die von den heißen Brenngasen beaufschlagt werden, innerhalb des Wärmeaustauschers
W, so daß die Verluste infolge Wärmeabstrahlung verringert werden. Die Einschließung
des Triebwerkes durch den Wärmeaustauscher W bringt außerdem eine Senkung des Lärmpegels
mit sich. Da der Strömungsweg zwischen der Brennkammer 15 und dem Wärmeaustauscher
W verhältnismäßig lang ist, besteht die Gewähr, daß kein ünverbrannter Brennstoff
in den Wärmeaustauscher W gelangt und dort Anlaß zur Entstehung von Bränden gibt.
Durch die große, zur Verfügung stehende Stirnfläche der Matrix des Wärmeaustauschers
W treten beim Durchströmen derselben kleine Geschwindigkeiten und .damit kleine
Druckverluste auf, so daß die durch den längeren Strömungsweg zwischen der Brennkammer
15 und dem Wärmeaustauschex W (21) auftretenden Druckverluste wieder aufgehoben
werden. Die radiale Versetzung zwischen der Längsachse C des Triebwerkes und der
Längsachse A des Wärmeaustauschers W erlaubt eine raumsparende (kompakte) -Unterbringung
der Brennkammer 15 - die außerdem von außen (hinten) gut zugänglich eingebaut
ist -, der Brenngasführung 16,
der beiden Turbinen 17 und
18, der Abgasführung 19.
und außerdem noch zusätzlich des Untersetzungsgetriebes
24 innerhalb des Wärmeaustauschers W.