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Antriebseinrichtung für die Starterturbine eines Gasturbinen-Triebwerkes
Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für eine vorübergehend mit einem
Turbinentriebwerk kuppelbare Starterturbine. Es ist bekannt, eine solche Starterturbine
durch den Brennstofftreibsatz einer Startpatrone entstammende Explosionsgase zu
beaufschlagen, d. h. in Umlauf zu setzen.
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Die Verwendung solcher Treibsätze stößt jedoch auf Schwierigkeiten,
da die bei der Verbrennung eines solchen Treibsatzes erzeugten Gase unter hohem
Druck und hoher Temperatur stehen und daher in den Leitungen, im Gehäuse und in
den beweglichen Teilen der Turbine Korrosions- und/oder Erosionsschäden verursachen.
Von demDruckgas mitgeführte Feststoffe bilden überdies störende Ablagerungen in
den Leitungen und im Innern der Turbine. Die hohen Temperaturen und Drücke des Treibgases
können zur Folge haben, daß die Starterturbine gefährlich hohe Umlaufgeschwindigkeiten
erreicht. Aus diesen Gründen waren bisher besondere Sicherheitsvorkehrungen für
solche Turbinen erforderlich.
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Gemäß der Erfindung ist nun die erwähnte, mit dem Explosionsgas aus
einer Startpatrone betriebene Antriebseinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die
Explosionsgase in einen zur Starterturbine füh-
renden, sich divergierend
erweiternden und ein zusätzliches Arbeitsmittel (Luft, Wasser) ansaugenden Ejektor
durch eine Düse eintreten, die in der Strömungsrichtung der Explosionsgase zunächst
einen konvergierenden Abschnitt aufweist und mit einem sich daran anschließenden
divergierenden Abschnitt in den Ejektor einmündet. In der so ausgebildeten Antriebseinrichtunc,
werden die Geschwindigkeit und der Druck sowie die Temperatur des Gemisches aus
Explosionsgasen und dem sekundären Arbeitsmittel herabgesetzt, so daß dieses Gasgemisch,
ohne Schaden anzurichten, unbedenklich der Starterturbine zugeführt werden kann.
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Weitere Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung gehen aus der nachstehenden
Beschreibung dreier in der Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeispiele hervor.
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F i g. 1 zeigt in Seitenansicht und teilweise im Schnitt eine
Turbinenstartvorrichtung mit Brennstoffpatrone und Ejektor gemäß der Erfindung;
F i g. 2 zeigt einen Teil einer Abänderungsform des Ejektors im Schnitt;
F i g. 3 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform gleichfalls im Schnitt.
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Wie F i g. 1 erkennen läßt, befindet sich eine Gasturbine
10, die gestartet werden soll, in einem Gehäuse 11 und ist mit einer
als Druck-gasturbine ausgebildeten Startvorrichtung 12 ausgestattet. Diese mit Druckgas
betriebene Starterturbine kann einstufig ausgeführt sein, einen axialgerichteten
Durchfluß haben und mit einem Rotor 13 versehen sein, der von einer Welle
14 getragen wird; diese Welle ruht in Lagern 15 eines Gehäuses
16. Die Welle 14 weist ein Antriebsritzel auf, das über ein geeignetes übersetzungsgetriebe
17 mit der Gasturbine 10 zusammenwirkt. Das Getriebe 17 kann
beliebige Bauart aufweisen; bei der dargestellten Ausf ührungsforni findet ein Planetenradgetriebe
mit Zahnkranz Anwendung, das die Hauptturbine 10 unter Vermittlung einer
Klinke und eines Klinkenrades antreibt; diese Klinkenkupplung rückt das Getriebe
aus, wenn die Maschine zu laufen beginnt und eine vorbestimmte Geschwindigkeit erreicht.
Da dieses Getriebe an sich nicht Gegenstand der Erfindung ist, sind seine Einzelheiten
auf der Zeichnung nicht veranschaulicht.
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Um die Startvorrichtung 12 in Betrieb zu setzen, wird ein unter Druck
stehendes Gas dem Turbinenrad 13 zugeführt; dieses Antriebsmittel wird durch
einen Auslaß bzw. durch ein Auslaßrohr20 ab-eleitet. Die Turbine weist einerseits
Einlässe18 und andererseits Einlässe 21 auf. Der Einlaß 18 steht mit einer
geeigneten Druckquelle in Verbindung, beispielsweise einer anderen Gasturbine, die
etwa der Turbine10 entspricht; der Einlaß21 andererseits ist an seinem der Turbine
abgewandten Ende mittels eines Kupplungsgliedes22 mit einem Druckgaserzeuger
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verbunden. Wird der Einlaß 21 benutzt, so kann das Einlaßrohr 18 in geeigneter
Weise verschlossen werden. beispielsweise mit Hilfe eines (auf der Zeichnuna nicht
veranschaulichten) Klappenventils. Geg ,ebenenfalls kann der Einlaß21, sofern er
nicht benötigt wird, mittels einer Tür oder eines ,eeianeten Deckels 23 geschützt
werden.
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Bei der üblichen Bauart einer ein Druckgas erzeugenden Patrone weist
diese Patrone einen verengten Hals auf, der unmittelbar mit dem Einlaß21 unter Vermittlung
einer Kupplung22 verbunden werden kann. Die aus dem Brennstoff in der Patrone erzeugten
heißen Gase, deren Temperaturen häufig 1100'C
überschreiten, werden also unmittelbar
mit hoher Geschwindigkeit in die Einlaßleitung21 eingeführt und daraufhin dem Turbinenrad13
zugeleitet. Derart heiße Gase haben korrodierende und erodierende Wirkungen; gewöhnlich
enthalten sie auch Feststoffe, die die Tendenz haben, sich an den Flächen abzusetzen,
mit denen sie in Berührung gelangen. Die Folge davon ist, daß es bisher notwendig
war, die mit dem heißen, unter hohem Druck stehenden korrodierenden Gas in Berührung
kommenden Teile so auszubilden, daß sie die zerstörenden Wirkungen der Gase aushalten.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 weist der Druckgaserzeuger24
einen Behälter25 auf, in dem sich ein fester Antriebsbrennstoff befindet, der die
Brennstoffpatrone bildet. Der Behälter ist lösbar an einem Einlaßabschnitt26 einer
Strahlpumpe bzw. eines Ejektors27 befestigt und zwar mit Hilfe von an der Mündung
vorgesehenen Ansätzen; der Behälter wird mittels eines als Handgriff dienenden Klemmgliedes28
in seiner Stellung gesichert. Unmittelbar oberhalb der Einlaßöffnung 26 verengt
sich die Wandung des Ejektors 27 bei 30 kegelförmig und geht in eine
konvergierend und anschließend divergierend ausgebildete Düse31 über; diese Düse
ist mit einer verenaten Drosselöffnung32 ausgestattet, die in eine kegelförinig
bzw. divergierend ausgestaltete Auslaßmündung33 übergeht. Die im Innern kegelig
gestaltete Wandung30 wird außen von einer im Abstand an-eordneten Wandung34 umgeben,
die so ausgebildet ist, daß ein sich kegelig nach oben verjüngender und konvergierender
Ringkana135 entsteht. Dieser Kanal verbindet das untere weitere Ende des Ejektors
mit der umgebenden Atmosphäre und bildet eine ringförmige Sekundärdüse, durch die
Luft aus der Umgebung dem Ejektor zugeführt wird, wie nachstehend noch erläutert
werden wird. Sowohl die ringförmige Sekundärdüse35 als auch die Primärdüse33 münden
in eine Mischkammer36 des Ejektors; diese Mischkammer ihrerseits geht in eine sich
allmählich vergrößernde bzw. divergierende Diffusor-Hauptleitung37 über. Das obere
Mündungsende dieser erweiterten Diffusor-Hauptleitung ist mit einer Kupplung
38 versehen, die so ausgebildet ist, daß sie abdichtend in die Kupplung 22
paßt. Auf diese Weise wird der Diffusorabschnitt37 des Ejektors27 mit dem Einlaß
21 verbunden.
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Wie aus der Zeichnung zu erkennen ist, weist die Kupplung38 ein Mundstück40
auf, das dicht in ei-, nen Kupplungsteil22 paßt und eine Sperrfeder bzw. einen Riegel41
trägt. Auf dem Mundstück40 ist eine Hülse42 verschiebbar, die in ihre Schließstellung
mit Hilfe eines schwenkbaren Kniehebels 43 bewegt werden kann, so daß der Riegel
41 und damit der gesamte Ejektor in der Betriebsstellung sicher festgehalten wird.
Um den Druckgaserzeuger 24 für den Startvorgang leicht in Stellung bringen zu können,
ist ein Handgriff 44 am Ejektor an geeigneter Stelle oberhalb des Behälters
25 befestigt.
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Die Zündung des Brennstoffs in dem Behälter 25 kann durch eine beliebige
Zündvorrichtung, beispielsweise einen Glühdraht oder eine Zündkerze 45, erfolgen,
die an der Einlaßöffnung 26 vorgesehen ist und den elektrischen Strom über
eine Leitung 46 erhält, die zu einem Steckkontakt 47 führt, welcher am Gehäuse
11 sitzt und mit einer geeigneten Stromquelle in Verbindung steht. Sollte
es gewünscht werden, den Brennstoff im Behälter 24 an dessen Boden zu entzünden,
anstatt an der Seite, so kann die Leitung 46 bis zu dem Behälterboden geführt werden
und zwar durch den Handgriff 28 hindurch.
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Zur Inbetriebnahme wird die Druckgaserzeugungsanlage, die mit einem
geeigneten festen, im Behälter 25 vorgesehenen Brennstoff gefällt ist, mittels
des Handgriffs 44 angehoben und die Kupplung 22 wird in die Hülse 42 eingeschoben.
Dadurch wird das Mundstück 40 in dichten Eingriff mit der Kupplung 22 gebracht und
der Riegel 41 schnappt in seine Riegelstellung. Wenn anschließend der Hebel 43 angehoben
wird, so hat dies zur Folge, daß die Hülse 42 nach oben in die Riegelstellung gleitet.
Die Leitung 46 wird dann mit dem Steckkontakt 47 verbunden, so daß der Brennstoff
im Behälter 25 entzündet wird, sobald der Strom der Zündkerze 45 zufließt.
Als Brennstoff ßndet ein festes Treibmittel Anwendung, das nach dem Zünden ein Gas
bildet, welches im Einlaßende 26 des Ejektors einen Druck und einen Temperaturanstieg
erzeugt. Durch den Druck wird das Gas durch die Düse 31 hindurchgetrieben,
in der die Gasgeschwindigkeit zunimmt, während das Gas in die Mischkammer
36 gelangt. Durch diese Wirkung des unter Druck stehenden Gases und durch
die Bauart des ringförmigen Kanals 35 wird in dem oberen Abschnitt dieses
Kanals eine Zone geringeren Druckes erzeugt; dadurch wird Luft aus der Umgebung
in die Mischkammer 36 eingesaugt, so daß sie sich mit dem aus dem Behälter
25 austretenden Verbrennungsgas mischt.
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Es leuchtet ein, daß die durch den Ringkana135 hindurchtretende Luft
den unteren Abschnitt des Ejektors rings um die Düse31 und in der Nachbarschaft
der kegelförmigen Wandung30 kühlen kann. Außerdem kann sich diese Luft mit dem heißen
Gas in der Mischkammer mischen. Dadurch wird das Volumen des Gases vergrößert und
gleichzeitig die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit des Gases in der Mischkammer
36 herabgesetzt. Das so gemischte Gas bewegt sich dann nach oben durch den
Diffusorabschnitt 37, in dem seine Geschwindigkeit und seine Temperatur weiter
absinken, bevor das Gas in die Einlaßleitung 21 und von dort zum Turbinenrad
13 gelangt. Der Diffusor ist außerdem so gestaltet, daß der statische Druck
des Gases erhöht wird. Durch geeignete Foringebung der Ringdüse35, der Mischkammer36
und des Diffusorabhschnittes 37 können der Druck und die Temperatur der zum
Drehen der Turbine benutzten Gase so eingerichtet werden, daß eine Erosion und Wärmebe-*
schädigung des Einlasses und der Turbinenteile auf ein Mindestmaß reduziert bzw.
überhaupt beseitigt sind. Tatsächlich kann der Gaserzeuger bzw. die Kombination
von Patrone und Ejektor, so ausgebildet und angeordnet sein, daß ein Startdruck
des Arbeitsmittels
entsteht, der die gleichen Eigenschaften besitzt,
wie die einer anderen Turbine entnommenen Arbeitsmittel; daher braucht die Bauart
der Anlaßturbine nur geringfügig, wenn überhaupt, geändert zu werden.
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Gegebenenfalls kann das Gasvolumen in :dem Ejektor weiterhin vergrößert
und die Temperatur des Gases weiterhin herabgesetzt werden durch Injektion von Wasser
bzw. Wasserdampf in den Strom des Arbeitsmittels, und zwar unmittelbar oberhalb
der Düse 31; dies ist in F i g. 2 veranschaulicht. An dieser Stelle
liegt der statische Druck im Ejektor unterhalb des Druckes der umgebenden Atmosphäre,
eine in der Injektorwandung vorgesehene und in den Ejektor einmündende Leitung48
wird also der Wirkung eines solchen verringerten Druckes ausgesetzt sein. Im vorliegenden
Falle ist die Leitung 48 an eine auf der Zeichnung nicht veranschaulichte Wasserquelle
angeschlossen; das Wasser wird aus dieser Quelle nach oben angesaugt und in die
Strömung des heißen Arbeitsmittels eingeführt. Der in dem Diffusor 37 des
Ejektors nach oben gerichtete Strom des Arbeitsmittels besteht also aus Gas, das
der Brennstoffpatrone entstammt, aus Luft, die durch die Leitung 35 aus der
Umgebung angesaugt worden ist und aus Wasser, das durch die Leitung 48 zugeführt
wird. Der Kanal 35 oder die Leitung 48 bzw. beide Teile bilden also eine
Einrichtung, mit deren Hilfe es möglich ist, das Gasvolumen in der Mischkammer des
Ejektors zu vergrößern.
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In F i g. 3 ist eine Abänderungsform der Einrichtuna nach der
Erfinduna veranschaulicht; bei ihr weist der Generator 50 zur Erzeugung des
unter Druck stehenden Arbeitsmittels eine untere Kammer 51 auf, die zur Aufnahme
einer Brennstoffpatrone bzw. eines Brennstoffbehälters dient. Unmittelbar oberhalb
der Patrone 52 liegt eine zylindrische Kammer 53, die mit dem Behälter
52 zusammenwirkt. Diese zylindrische Kammer weist einen im Durchmesser verringerten
Abschnitt 54 an ihrem oberen Ende auf, der mit einer der Düse 31 entsprechenden
verengten Düse 55 in Verbindung steht. Die Kammer 51 umgibt den zylindrischen
Behälter 53, so daß ein ringförmiger Kühlbehälter entsteht, in dem durch
eine Leitung 56 ein Kühlmittel z. B. Wasser oder Wasserdampf, eingeleitet
werden kann. Das Wasser kann, geregelt durch ein Ventil, der Leitung 56 aus
einer nicht dargestellten Quelle zugeführt werden, die zweckmäßig unter Druck steht,
so daß das Wasser in die untere Kammer 51 gedrückt wird. Die Düse
55 mündet in eine Mischkammer 57, die etwa der Mischkammer
36 entspricht, jedoch mit einer nach unten gerichteten Hülse 58 ausgestattet
ist, welche die Düse 55 umgibt, so daß eine ringförmige Sekundärdüse bzw.
ein Kanal 60 entsteht, der hinsichtlich seiner Wirkungsweise etwa derz Sekundärdüse
35 bei der Ausführungsforrn nach F i g. 1 entspricht.
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Wenn also Brennstoff im Behälter 52 entzündet wird und das
erzeugte Gas in den zylindrischen Behälter 53 gelangt, so wird die Temperatur
des Behälters und des darin befindlichen Gases durch die Kühlflüssigkeit herabgesetzt,
die durch Leitung 56
zuströmt. Diese Kühlflüssigkeit sammelt sich in der Kammer
51 an; wenn das Gas aus der Patrone durch die Düse 55 in die Mischkammer
57 tritt, wird die Kühlflüssigkeit durch die Sekundärdüse 60 angesaugt,
so daß sie sich mit den aus der Patrone stammenden Gasen in der Mischkammer
57 mischt. Gegebenenfalls kann über der Austrittsöffnung der Düse
55 eine ringförmige Abdeckung 61 vorgesehen sein, die die Sekundärdüse
60 abschließt. Diese rinaförmige Schutzdichtung besteht zweckmäßig aus wärmeemp-C
C
findlichem bzw. auf bestimmte Temperaturen ansprechendem Material, das zerbricht
bzw. schmilzt, wenn eine bestimmte Temperatur und ein vorbestimmter Druck erreicht
werden. Auf diese Weise kann die Kühlflüssigkeit in der Kammer 51 so lange
gehalten werden, bis die vorbestimmte Temperatur und der vorbestimmte Druck erreicht
sind; dann wird das Kühlmittel in die Mischkammer 57 gesaugt. Oberhalb der
Mischkammer 57 ist die Bauart des Ejektors nach F i g. 3 die gleiche
wie bei der Ausführungsform nach F i g. 1; die gemischten Arbeitsmittel gelangen
also in den Diffusorabschnitt, wo die Geschwindigkeit weiter herabgesetzt und der
statische Druck erhöht wird; schließlich gelangen die Arbeitsmittel in den Turbineneinlaß.
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Bei allen dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen weist
der Ejektor eine Mischkammer und eine Diffusorkammer auf; diese beiden oberhalb
der Düse 31 bzw. 55 liegenden Kammern bzw. Abschnitte des Ejektors sind lang
genug, um die Erosionswirkung des aus der Patrone austretenden Gases her-abzusetzen
oder überhaupt zu beseitigen. überdies ist die Länge und Bauart des Ejektors derart,
daß die Gase bei ihrem Austritt aus dem Ejektor und auf ihrem weiteren Weo, zum
Turbineneinlaß etwa die gleichen Energieeigenschaften haben, wie die zum Starten
sonst verwendeten Gase bzw. Arbeitsmittel, die einer anderen Turbine oder einer
sonst üblichen Quelle entnommen werden. Daher ist es nicht erforderlich, die Turbine
umzubauen, um sie für die Verwendung einer Patronen-Startvorrichtung a
C
Ce ignet zu machen.