DE1266056B - Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

F 02c

Deutsche KL: 46f-15

1266 056
G 37745 I a/46 f
14. Mai 1963
11. April 1968

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk, bei welchem die verdichtete Luft in entgegengesetzter Richtung zum Turbinendurchfluß einer die Brennkammer umgebenden Luftkammer zugeführt wird (Gegenstromprinzip) und bei welchem die Luft auf ihrem Wege zu dieser Kammer im Turbinenauslaß liegende Wärmetauscher durchströmt.

Die Konstruktion kompakter, leichter sowie billiger aber dennoch zuverlässig arbeitender Gasturbinentriebwerke der vorstehenden Gattung bietet Probleme hinsichtlich der Führung der Abgase durch das Triebwerk. Die Führung der Kanäle für die Kompressorluft und die Turbinenabgase und die Gestaltung dieser Kanäle ist insofern schwierig, als diese dem Gegenstromprinzip angepaßt werden müssen und dabei darauf zu achten ist, daß keine großen aerodynamischen Verluste durch Hindernisse, die sich den Abgasen bieten, oder durch die Richtungsumkehr der Abgase auftreten.

Bei den bekannten Triebwerken der eingangs ge- ao nannten Gattung ist es üblich, zur Lagerung und Halterung der verschiedenen Triebwerkteile Streben zu benutzen. Wegen des Gegenstromprinzips müssen sich diese Streben aber notgedrungen an einigen Stellen in der Bahn des Gasstromes befinden, so daß sie diesem ein Hindernis bieten.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Konstruktion zu schaffen, bei der möglichst wenige den Gasstrom behindernde Teile vorhanden sind und dennoch die für die verschiedenen Bauteile des Triebwerks nötige sichere Halterung gegeben ist. Eine starre Halterung ist insbesondere wegen der zu fordernden engen Toleranzen zwischen den feststehenden und den umlaufenden Bauteilen des Triebwerks nötig.

Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wärmetauscher als Rohrbündel-Kegelstumpf ausgebildet sind, dessen große Basis verdichterseitig liegt, wobei die genannten Rohre als hauptsächliches Tragelement von Brennkammer und Turbinenlagerung dienen.

Die erfindungsgemäße Konstruktion schafft eine hervorragend starre, weitgehend temperaturunabhängige Halterung für die hinter dem Verdichter befindlichen Triebwerkbauteile, die durch diese Halterung mit großer Genauigkeit gelagert werden, was für einen einwandfreien Lauf des Triebwerks von großer Bedeutung ist. Außerdem besteht ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Konstruktion darin, daß die den tragenden Rohrbündel-Kegelstumpf bildenden Rohre außerdem sowohl der Luftleitung als auch dem Wärmeaustausch zwischen den abströmen-Gasturbinentriebwerk

Anmelder:

General Electric Company,

Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Prinz, Dr. G. Hauser
und Dipl.-Ing. G. Leiser, Patentanwälte,
8000 München 60, Ernsbergerstr. 19

Als Erfinder benannt:

Peter Matthew HoIl,

Walnut Creek, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 17. Mai 1962 (195 487) - -

den heißen Gasen und der der Brennkammer zugeführten Kaltluft dienen, also eine dreifache Funktion erfüllen, was zu einer erheblichen konstruktiven Vereinfachung und Verringerung des baulichen Aufwandes gegenüber den bekannten Triebwerken führt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Rohre des Bündels versetzt zueinander angeordnet, aber entlang einer gemeinsamen Umfangslinie am Kompressorringraum angeschlossen sein. Dies ergibt eine weitere Erhöhung der Festigkeit der Halterung.

Ein besonders wirksamer Wärmeaustausch zwischen der der Brennkammer zugeführten Kaltluft und den abströmenden heißen Triebwerkabgasen kann gemäß einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung dadurch erzielt werden, daß die Rohre des Bündels mit Wärmeaustauschrippen ausgestattet werden, die, um den austretenden Gasstrom möglichst wenig zu behindern, parallel zu diesem ausgerichtet sind.

An den von dem Verdichter abgewendeten Enden sind die Rohre des Bündels mittels einer Anschlußwand an der Luftkammer angeschlossen. Die Neigung dieser Anschlußwand verläuft vorzugsweise in der entgegengesetzten Richtung wie die Neigung der Rohre des Bündels zur Triebwerkmittelachse hin.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

809 538/121

3 4

F i g. 1 das Triebwerk in Seitenansicht, wobei die laufen die Rohre in den beiden gegeneinander ver-

für die Erfindung wesentlichen Teile voll ausgezogen setzten Rohrkränzen zueinander parallel, treten aber

und die übrigen Teile strichpunktiert dargestellt sind, entlang derselben Umfangslinie in den Flansch 21 ein,

und was den Vorteil eines Auslasses von konstantem

F i g. 2 die voll ausgezogen dargestellten Teile aus 5 Querschnitt für den Ringraum 19 ergibt. Zur

Fig. 1 in größerem Maßstab. Schaffung der Halterung für die für den Betrachter

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Triebwerk der F i g. 1 rechts vom Rohrbündel-Kegelstumpf behandelt es sich um ein kleines Turbowellen-Trieb- findlichen Triebwerkteile ist eine kegelstumpfförmige werk, das sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Anschlußwand 23 auf irgendeine geeignete Weise an Lage betriebsfähig ist. Das Triebwerk weist ein Ge- io den rechts liegenden Rohrenden befestigt. Die Steitriebegehäuse 10 und einen Kompressorabschnitt 11 gung dieser Anschlußwand bezüglich der Triebwerkauf, aus dem die verdichtete Luft über einen Auslaß mittelachse verläuft in der entgegengesetzten Richzu einer für den Betrachter der F i g. 1 rechts befind- tung wie die Steigung des Rohrbündel-Kegelstumpfes, liehen Brennkammer 12 gelangt, die mit einer Kraft- Es ist offensichtlich, daß der Rohrbündel-Kegelstoffeinspritzvorrichtung 13 und einer in der Zeich- 15 stumpf und die kegelige Anschlußwand 23 ein sehr nung nicht dargestellten Zündvorrichtung ausgestattet starres Traggefüge für die dahinter befindlichen ist. Aus dem Verbrennungsraum 14 der Brenn- Triebwerkteile ergeben.

kammer 12 gelangen die in Richtung zum Korn- Das Außengehäuse 24 der Brennkammer 12 ist pressorabschnitt 11 zurückströmenden Abgase über über eine Verlängerung 36 an das außenliegeade eine Turbine 15, die sie durchströmen, zu einem Ab- 20 Ende der Anschlußwand 23 angeschlossen und wird gasauslaß 16, von wo sie ins Freie ausgestoßen oder von dieser getragen. Die aus dem Triebwerkhaupteiner Verbrauchsstelle zur weiteren Verwendung zu- rahmen 18 austretende Luft wird somit durch die geführt werden. Aus dem Getriebegehäuse 10 ragt Rohre und den von dem Brennkammeraußengehäuse eine Abtriebswelle 17 vor. 24 umschlossenen Ringkanal 25 zu der Verbren-

Der in der Zeichnung mit ausgezogenen Linien ag nungseinrichtung geleitet.

dargestellte Triebwerkteil wird von einem Trieb- Zur Halterung der weiter innen befindlichen Triebwerkrahmen 18 getragen, der bei dem dargestellten werkteile mit kleinem Laufspiel, z. B. des Turbinen-Triebwerk als Kompressorrahmen bezeichnet werden außenmantels und der Turbinendüse, ist an dem kann und den Triebwerkhauptrahmen bildet. innenliegenden Ende der kegeligen Anschlußwand 23

Auf der für den Betrachter der F i g. 1 rechts vom 30 über ein Zwischenglied 26 eine die Außenwand des

Triebwerkhauptrahmen 18 befindlichen Seite müssen Turbinenabgaskanals bildende Diffusorwand 27 an-

die Triebwerkteile unverrückbar gehalten werden, gebracht, die sich auf der Innenseite des Rohrbüodel-

und es müssen gleichzeitig dort die Kanäle für die Kegelstumpfes befindet und von der Anschlußwand

Luft- und Gasführung geschaffen werden, die aus getragen ist, die auch den Turbinenaußenmantel 28

dem Kompressor bzw. aus der Turbine austreten. 35 trägt. Der Turbinenaußenmantel 28 und die Diffusor-

Die Luft gelangt aus dem Kompressor in den in wand 27 fluchten in Achsrichtung des Triebwerks,

F i g. 1 links befindlichen Teil des Rahmens 18 und so daß ein Kanal mit glatter Außenwand für die die

gelangt von dort in einen Ringraum 19, der sich im Turbine 15 durchströmenden Abgase geschaffen wird,

wesentlichen entlang des Umfanges des Rahmens er- Die Innenwand 30 der Brennkammer und die Düse

streckt. Aus diesem Ringraum 19 wird die Luft in 40 31 der Turbine sind über eine gleitbare Verbindung

Achsrichtung des Triebwerks ausgestoßen. 29 an das innere Ende der Anschlußwand 23 an-

Die auf der rechten Seite des Triebwerkhaupt- geschlossen. Die Brennkammer wird ausschließlich rahmens 18 befindlichen Triebwerkteile werden von von der Anschlußwand 23 getragen und enthält den einem Bündel von Rohren 20 getragen, die an ihren Luftkanal 25 sowie den Abgaskanal 32, die zueindem Triebwerkhauptrahmen 18 zugewendeten Enden 45 ander koaxial liegen. Die Innenwand des die Abgase mittels irgendeiner passenden Befestigungsvorrich- hinter der Turbine führenden Kanals bildet eine tung direkt an dem Rahmen befestigt oder an einen Diffusorwand 33, die an den Triebwerkhauptrahmen Befestigungsflansch 21 hart angelötet sein können, angeschlossen ist. Die Diffusorwände 27 und 33 der mittels Bolzen 22 an dem Rahmen 18 an- geben dem Turbinenabgaskanal 34 einen gekrümmgebracht ist. 50 ten Verlauf. Die Krümmung ist so gewählt, daß der

Die Rohre 20 des Rohrbündels sind symmetrisch Kanal einer Kurve von im wesentlichen 180° folgt, um die Triebwerklängsachse herum angeordnet und so daß praktisch eine Richtungsumkehr des Gaszur Bildung eines Rohrbündel-Kegelstumpfes mit ver- stromes erzielt wird. Hinter dieser Kurve werden die dichterseitig liegender großer Basis von ihren an dem Turbinenabgase zur Wiedergewinnung der in ihnen Triebwerkhauptrahmen 18 befestigten Enden weg zur 55 enthaltenen Wärme für die Verbrennung über die Triebwerkmittelachse hin abgewinkelt. Die Steigung Rohre 20 geleitet und treten dann hinter diesen durch des Rohrkegelstumpfes ist zwar nicht kritisch, doch den Auslaß 16 aus. .-:■■■ ist es zur Schaffung der nötigen Steifigkeit wesent- In dem Triebwerkabgaskanal 4 wird durch den lieh, daß die Rohre abgewinkelt sind. Es empfiehlt zunehmenden Durchmesser dieses Kanals hinter der sich, die Rohre in Form von gegeneinander versetzten 60 Turbine die Geschwindigkeit der Abgase herabgesetzt. Rohrkränzen anzuordnen. Bei dem in der Zeichnung Der Auslaß 16 befindet sich in einem Kollektor dargestellten Ausführungsbeispiel sind die einander 35, der an seinem einen Ende an dem Triebwerkbenachbarten Rohre jeweils im Zickzack gegenein- hauptrahmen und an seinem anderen Ende an einer ander versetzt. Die versetzte Anordnung führt zu Verlängerung 36 befestigt ist, die an der kegeligen einem kastenartigen Gefüge, dessen Steifigkeit größer 6g Anschlußwand 23 angebracht ist. Die Verlängerung ist als die einer einzigen Reihe von in Umfangsrich- 36 weist an ihrem für den Betrachter der F i g. 1 tung fluchtenden Rohren. rechts befindlichen Ende einen Flansch 37 auf, an

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ver- den das Brennkammeraußengehäuse 24 angeschlos-

sen ist. Der Kollektor 35 kann mit mehreren Öffnungen 38 zur Schaffung mehrerer Abgasauslässe 16 ausgestattet sein. Er bildet, obzwar er von dem Triebwerkhauptrahmen 18 und der Verlängerung 36 getragen ist, selbst keinen tragenden Bauteil, sondern hängt lediglich an dem Triebwerkhauptrahmen und der Verlängerung, um die Abgase zu sammeln. Die durch den Rohrbündel-Kegelstumpf geschaffene starre Halterung läßt wegen der Steifheit und Festigkeit, die bei Anwendung versetzter Rohrkränze be- ίο sonders gut ist, enge Toleranzen zwischen dem Turbinenaußenmantel und dem Turbinenlaufrad sowie zwischen diesem und der Turbinendüse zu. Die Turbinendüse 31 wird mit den mit ihr fest in Verbindung stehenden Triebwerkteilen durch den Gasdruck in der Achsrichtung des Triebwerks an die für den Betrachter der F i g. 1 und 2 links davon befindlichen Triebwerkteile angedrückt und an diesen in Anlage gehalten, wobei die Gleitverbindung 29 lediglich dazu dient, für die Ausrichtung der Brennkammerwand 30 und der Turbinendüse 1 in radialer Richtung zu sorgen. Die Verbrennungseinrichtung 12 bis 14 einschließlich des Außengehäuses 24 und der Innenwand 30 sowie die feststehenden Teile der Turbine einschließlich des Turbinenaußenmantels 28 und der Turbinendüse 31 sowie die äußere Diffusorwand 27 werden somit alle von der ihnen gemeinsamen, aus dem Rohrbündel-Kegelstumpf bestehenden Halterung getragen, wobei das gesamte Gefüge mechanisch stabil und auf einfache Weise herstellbar ist. Darüber hinaus ist dieses Gefüge auch in thermischer Hinsicht stabil, weil die Rohre 20 verhältnismäßig kühl bleiben, da die Kompressorluft durch sie hindurchgeht. Die über die Außenseite der Rohre hinwegstreichenden Turbinenabgase führen zu einer mittleren Temperatur der Rohre, die verhältnismäßig niedrig liegt. Die konzentrischen Kanäle 25 und 32 sind ebenfalls genau festgelegt, da ihre Begrenzungswände an ein und derselben kegeligen Anschlußwand 23 angebracht sind.

Die Wärmewiedergewinnung kann durch Rippen 39 an den Rohren 20 des Rohrbündel-Kegelstumpfes verbessert werden. Zur Verkleinerung der aerodynamischen Verluste sind die Rippen 39 in Richtung des Abgasstromes ausgerichtet. Diese Rippen schaffen zusammen mit der versetzten Rohranordnung einen gewundenen Strömungsweg und eine große Wärmeaustauscherfläche für den Wärmeaustausch zwischen den Turbinenabgasen und der einströmenden Kompressorluft.

Die Rohre 20 erfüllen eine mehrfache Funktion. Sie dienen erstens der Halterung von Triebwerkteilen, zweitens der Leitung der Kompressorluft und drittens dem Wärmeaustausch zwischen dieser und den heißen Turbinenabgasen. Vorzugsweise werden zylindrische Rohre benutzt, doch kommen natürlich auch andere Rohrquerschnittformen in Frage. Es können auch die Oberflächenbeschaffenheit der Rohre sowie die Anzahl und Anordnung der Rohrreihen von anderer Art als in der Zeichnung dargestellt sein. In jedem Fall sind in dem Triebwerkausgang bis auf die Rohre, die zu jeder Wärmeaustauschvorrichtung gehören, keine weiteren Streben vorhanden, weil deren Funktion von den Rohren übernommen worden ist. Durch die koaxiale Anordnung der Strömungskanäle ergibt sich eine wesentlich kleinere Triebwerklänge als bei den Triebwerken, die nicht nach dem Gegenstromprinzip aufgebaut sind, und der maximale Durchmesser des Abgaskanals fällt nicht größer aus als der Durchmesser des Kompressorrahmens. Wegen des Kühlbleibens der Rohre sind die thermisch bedingten Bewegungen der heißen Triebwerkteile in Bezug aufeinander nur gering, was auch für die in den Teilen möglicherweise auftretenden Spannungen gilt. Dies ermöglicht enge Toleranzen und somit ein nur geringes Spiel zwischen den feststehenden und den umlaufenden Turbinenteilen, wodurch die Turbinenleistung verbessert wird.

Alle vorgenannten Teile werden von dem Rohrbündel-Kegelstumpf in frei tragender Anordnung gehalten.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Gasturbinentriebwerk, bei welchem die verdichtete Luft in entgegengesetzter Richtung zum Turbinendurchfluß einer die Brennkammer umgebenden Luftkammer zugeführt wird (Gegenstromprinzip) und bei welchem die Luft auf ihrem Wege zu dieser Kammer im Turbinenauslaß liegende Wärmetauscher durchströmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher als Rohrbündel-Kegelstumpf ausgebildet sind, dessen große Basis verdichterseitig liegt, wobei die genannten Rohre (20) als hauptsächliches Tragelement von Brennkammer und Turbinenlagerung dienen.

2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (20) des Bündels versetzt zueinander angeordnet sind, aber entlang einer gemeinsamen Umfangslinie am Kompressorringraum (19) angeschlossen sind.

3. Triebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (20) mit Wärmeaustauscherrippen (39) ausgestattet sind, die parallel zu der über sie hinweggehenden Abgasströmung ausgerichtet sind.

4. Triebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung der Anschlußwand (23) des Rohrbündels an der Luftkammer (25) in der entgegengesetzten Richtung verläuft, wie die Neigung der Rohre (20) zur Triebwerkmittelachse hin.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 710 959;
USA.-Patentschrift Nr. 2 553 867;
»Oil Engine and Gas Turbine«, Febr. 1957, S. 392.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 538/121 4. 68 © Bundesdruckerei Berlin