DE1476799A1 - Gasturbinenanlage mit Rotations-Luftvorwaermer,insbesondere fuer Flugzeuge - Google Patents

Description

PA TENTAN WÄL TE PATENTANWALT MÜLLER-BÖRNER PATENTANWALT DIPL.-ING. WEY BERLIN 33 (DAHLEM) ■ PO DB IELS KIA LLEE 68 8 MÜNCHEN 22 - WIDENMAYERSTRASSE 49 TELEFON 76 29 C7 - TELEGRAMME: PROPINDUS TELEFON 225585 - TELEGRAMME: PROPINDUS

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General Eleotrio Company Soheneotady, New York (USA)

Gasturbinenanlage mit Rotations-Luftvorwärmer, insbesondere für Flugzeuge

Die Erfindung betrifft Gasturbinenanlagen mit einem Rotations-Luftvorwärmer, insbesondere solche für die Verwendung in Flugzeugen, deren Luftvorwärmer sich duroh eine verbesserte Konstruktion auszeichnen, die eine hohe Maßhaltigkeit im Betrieb der Anlage gewährleisten.

Bs ist bereits vorgeschlagen worden, Gasturbinenanlagen mit Luftvorwärmern (Regeneratoren oder Rekuperatoren)* zu versehen, um die Wirtschaftlichkeit der Anlage zu erhöhen und insbesondere den Kraftstoffverbrauch herabzusetzen. Regeneratoren und Rekuperatoren werden dazu verwendet, Wärmeenergie zurückzugewinnen, indem heiße Abgase zum Vorwärmen der Luft verwendet werden, die der Brennkammer zugeführt wird. Vom thermo-

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dynamischen Gesichtspunkt stellt ein Regenerationskreislauf, bei dem die heißen Abgase und die relativ kühle Luft abwechselnd in einander entgegengesetzten Richtungen duroh ein Wärmetausohergitter geführt werden, eine sehr wirksame Maßnahme zur Herabsetzung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs dar. Xn einem Regenerator strömen sowohl die heißen Verbrennungsgase als auch die kühle Verbrennungsluft duroh dieselben Wärmetauscherkanäle, jedoch in jedem einzelnen Kanal zu verschiedenen Zeiten. Die Wärme, die in einem Wärmetauscherkanal während einer Zeitperiode den heißen Verbrennungsgas en entzogen worden ist, wird in einer anderen Zeitperiode an die kühle Verbrennungsluft übertragen. Im Unterschied zu Rekuperatoren, in denen die beiden Gasström· in getrennten Strömungskanälen geführt werden, müssen bei Regeneratoren wenigstens einige bewegliche Elemente vorhanden sein, um die abwechselnde Durchströmung zu ermöglichen.

Bs sind schon Rotations-Luftvorwärmer als Regeneratoren vorgeschlagen worden, in denen die Wärme t aus ehe ranordnun g um eine Achse relativ zu ortsfesten Kanälen gedreht wird, welche zum Zu- und Abführen der heißen und kalten Grase bei der Wärmetauscheranordnung dienen.

Steht aber die duroh die Wärmetauscheranordnung hindurchgeleitete Verbrennungsluft, da sie von einem Verdichter abgegeben wird, unter einem relativ viel höheren Druck als die

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Abgase, so treten bei Rotations-Luftvorwärmern, erfolgt keine gute Abdichtung» relativ hohe Druokluftverluete infolge der Undichtigkeit zwischen den gegeneinander rotierenden Elementen auf. Dabei entweioht die Druckluft entweder in den heißen Gasstrom oder ine Freie.

Venn derartige Druokluftverluete auftreten, wird dem System diejenige Energie entzogen« die buk Verdichten der verlorengehenden Luft aufgewendet worden ist. Bei beträchtlichen Druckluftverlueten kann daher die Erhöhung des Värmewivkungsgradee aufgrund der Anordnung eines Luftvorwärmers erheblioh veraiindert oder sogar ganz verloren werden. Durch beträohtliohe Druokluftverluete kann auoh die Oesamt-Ausgangβleistung der Gasturbinenanlage stark verringert werden. Es ist daher erwtinsoht, einen Rotations-Luftvorwärmer derart auszubilden, daß Druokluftverluete auf ein Minimum herabgesetzt sind.

Ss ist somit erforderlich, eine wirksame Dichtungseinrichtung vorzusehen. Eine besondere wirksame Diohtungseinrichtung für derartige Dreh-Regeneratoren ist Gegenstand der gleichzeitig hinterlegten Patentanmeldung der gleichen Anmelder in.

Aber selbst wenn Rotationa-Luftvorwärmer bekannter Konstruktion mit zwar wirksamen Diohtungseinrichtungen versehen sind, eo können die Druckluftverluste dennoch beträchtlich sein,

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weil die Konstruktion des Luftvorwärmers diese bedingen. Zum Verständnis der Ursachen dieser Druckluftverluste ist es notwendig, die Bedingungen zu betrachten, unter denen sich die verschiedenen Elemente des in Betraoht kommenden Luftvorwärmers während des Betriebes befinden. Venn die rotierenden Elemente die voneinander getrennten Gasströme durchwandern, werden sie zunächst von den Abgasen erhitzt, die beispielsweise eine Temperatur in der Größenordnung von 540 - 820°C aufweisen, und danach wieder abgekühlt, während sie ihrerseits die Druckluft erhitzen, die dann eine Temperatur von beispielsweise etwa 150 - 37O°C hat. Da der ' rotierende Teil eines derartigen Luftvorwärmers beispielsweise mit einer Drehzahl bis zu 100 U/min umläuft, sind die einzelnen Elemente des Rotors einem ständigen Wechsel der heißen und kalten Gase ausgesetzt, so daß sie sieh unter dem Einfluß der Temperaturveränderungen immerfor* ausdehnen und zusammenziehen oder sich wenigstens auszudehnen und zusammenzuziehen trachten. Bei den ortsfesten Teilen eines Dreh-Regenerators liegen die Verhältnisse jedoch vollständig anders. Die verschiedenen ortsfesten Elemente können sich zwar auf sehr verschiedenen Temperaturen befinden, doch ist ein jedes Element des Stators im Betrieb einer ziem«· lieh gleichbleibenden Temperatur ausgesetzt. Schließlich ist zu beachten, daß alle Elemente eines Dreh-Regenerators beim Zusammenbau gewöhnlich die gleiche Temperatur haben, die jedoch weit unter den normalen Betriebstemperaturen liegt, beispielsweise auf einer Temperatur von ca. 18°C. Infolge-

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dessen können selbst sehr genau und dioht anliegende Diohtungseinrichtungen in den übHohen Dreh-R·generator eij nioht vollkommen befriedigen, weil die verschiedenen Elemente im Betrieb sehr unterschiedliche und zudem sich periodisch ändernde Temperaturen annehmen. Daher fin·· det im Betrieb eine Dehnung mancher Elemente und ein Zusammenziehen anderer Elemente statt, während wieder andere Elemente keine Veränderung erfahren, so daß dadurch die dichte Anlage der Dichtungen fast immer beeinträchtigt ist.

luft Daher treten oft übermäßig hohe DruokVerluste auf, woduroh

der Wärmewirkungsgrad weit unter dem gewünschten Wert liegt.

Man kann nun die Druckluftverluste herabsetzen, indem man die Wärmedehnung und —schrumpfung verhindert und dadurch die dichte Anlage der Dichtungen gewährleistet. Xn der Praxis sind jedoch mit dieser Maßnahme große Nachteile verbunden. Zunächst werden dadurch die Elemente des Luftvorwärmers starken Wärmespannungen ausgesetzt, so daß im Lauf der Zeit diese Spannungen, Beschädigungen oder sogar den Bruch von bestimmten Elementen zur Folge haben, was einen Ausfall des Luftvorwärmers bzw. der Turbinenanlage zur Folge haben kann. Beispielsweise können wiederholte und periodisch variierende Spannungen in dem rotierenden

Teil eines Rotations-Luftvorwärmers relativ schnell zur Ermüdung des Materials der verschiedenen Elemente und zu

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Rißbildungen oder schwerer wiegenden Schaden führen. Selbst kleine Riese können häufig schon die Ursache τοη beträohtliohen Druokluftverlusten sein. Ferner bedingten Maßnahmen zur Verhinderung der Dehnung bzw. Schrumpfung duroh Verstärkung der Elemente eine beträchtliche Gewichtserhöhung. Insbesondere in Triebwerken für Flugzeuge und für andere Anwendungszweoke, bei denen das Gewicht niedrig gehalten werden muß, ist eine derartige Gewichtserhöhung unerwünscht.

der Beispielsweise kann bei einem Flugzeugtriebwerk/zusätzliche Energieaufwand, der angesichts des erhöhten Gewichts für den Vortrieb erforderlich ist, die Herabsetzung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs mehr als wettmaohen; d.h., daß der Gesamt -Kraft et of fmehrverbrauoh wegen des beträchtlich erhöhten Gewichts höher ist als die Ersparnis an Kraftstoff als Folge der Vorwärmung der Verbrennungsluft duroh die Abgase ·

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, für Gasturbinenanlagen einen verbesserten Rotations-Luftvorwärmer zu schaffen, der einen sehr hohen Wirkungsgrad gewährleistet und sich duroh hohe Maßhaltigkeit im Betrieb der Anlage auszeichnet, um dadurch optimale Abdichtung»Verhältnisse zu gewährleisten.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird daher vorgeschlagen, die Rotations-Luftvorwärmer für Druckluft, die bei Gasturbinenanlagen, insbesondere solchen für Flugzeuge u.dgl., Anwendung finden sollen, in der Weise auszubilden, daß die Trag-

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•!•■•ntβ sowohl d·· ortsfesten ale audi des rotierenden T₀IIs eines Dreh-Regenratore für eine Gasturbinenanlage ait Strttmungskanälen versehen sind, die miteinander in Verbindung stehen und wenigstens einen Teil des Verteilers zum Zuführen von relativ kühler, von dem Verdichter abgegebener Luft BU den Värmetauaoherkanälen des Regenerators bilden. Infolgedessen werden die Tragelemente der ortsfesten Trag» konstruktion und des starren Läufers von der Druckluft durohströmt und infolgedessen auf einer im wesentlichen gleichbleibenden Temperatur gehalten, so daß ohne Anwendung von stark dimensionierten Elementen und unter Vermeidung von Spannungen infolge von Wärmedehnungen und -sohrumpfungen optimale Verhältnisse erreioht werden.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung trägt der Läufer flexible, axial angeordnet· Värmetausohereinheiten bzw. -elemente, die nur an ihren Enden an dem Läufer befestigt sind. Obwohl die Baulängen der Värmetausohereinheiten im wesentliohen festgelegt sind, können sich daher die Einheiten frei bewegen, wenn sie durch die heißen und kalten Gase in dem Luftvorwärmer Temperaturveränderungen ausgesetzt werden. Infolgedessen werden die Värmetaueohereinheiten im Betrieb der Anlage keinen beträchtlichen Spannungen unterworfen.

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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind zwischen den ortsfesten und rotierenden Teilen des Regenerators geeignete Dichtungsanordnungen vorgesehen, welche Druckluftverluste zwisohen diesen Teilen.verhindern.

Xn den Figuren 1 bis 8 der* Zeichnungen ist der Gegenstand der Erfindung anhand zweier besonders bevorzugter Ausführungsbeispiele dargestellt, welche nachstehend i« einzelnen näher erläutert sind. Es zeigern

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Hauptteil einer Gas» ' turbinenanlage mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Dreh—Regenerator;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die obere Hälfte des Rotations-Luftvorwärmers der Gasturbinenanlage gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch die untere Hälfte des Rotations-Luftvorwärmers nach Fig. 1 und 2;

Fig. 4 einen Querschnitt durch den oberen Teil des Luftvorwärmers länge der Linie k-k in Fig. 2j

Fig. 5 einen Querschnitt durch die Anlage entlang der Linie 5-5 in Fig. 2;

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Pig. 6 ·1η·η Quersohnitt duroh die Anlag· längs der Linie 6-6 in Fig. 2|

Fig. 7 einen Quersohnitt duroh die Anlage längs der Linie 7-7 in Fig. 2;

Fig. 8 einen Längsschnitt duroh die obere Hälfte eines Rotations-Luftvorwärmers in einer zweiten Aus» führungsform gemäß der Erfindung, die insbesondere bei Teillastbetrieb der Turbinenanlage einen optimal hohen Wirkungsgrad ergibt.

Die in Fig. 1 dargestellte Gasturbinenanlage 10 ist mit einem Dreh-Regenerator 11 gemäß der Erfindung ausgerüstet Wid weist, wie üblich, eine zweiteilige Gasturbine 12, einen mehrstufigen Axialverdichter 13 und eine Brennkammer "\k auf. Der Läufer der Turbine 15 treibt über die Hohlwelle 16 den Läufer des Verdichters 13 an. Die hinter der vorderen Gasturbine 15 liegende Arbeits-Gasturbine 17 treibt über die in der Hohlwelle 16angeordnete Abtriebswelle 18 beispielsweise einen Propeller eines Flugzeugs o.dgl. an. In solchen Fällen wird die Gasturbinenanlage allgemein als Turboprop-Triebwerk bezeichnet. Selbstverständlich ist der Gegenstand der Erfindung auch bei anderen Gasturbinenanlagen anwendbar, beispielsweise bei solchen, bei denen die Arbeitsturbine 17 zum Antrieb von

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anderen Aggregaten als Propellern dient.

Vor einer ausführlichen Beschreibung der Konstruktion und Wirkungsweise des Rotations-Luftvorwärmers 11 sind nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 die Hauptteile eines solohen Luftvorwärmers und seine Wirkungsweise im allgemeinen behandelt. Der Rotations-Luftvorwärmer besitzt drei Hauptteile, und zwar eine ortsfeste Tragkonstruktion, eine Läuferanordnung und eine Einrichtung zum Zuführen von kühler Luft, die von dem Verdichter zugeführt wird, und von heißen Abgasen zu und von der Läuferanordnung. Die ortsfeste Tragkonstruktion A besitzt ein Tragorgan 20, in der ein in sich starrer Läufer B drehbar gelagert ist, der eine ringförmige Wärmetaueoheranordnung 70 trägt. Die Wärmetauscheranordnung 70 besteht aus mehreren, in Umfangsrichtung in Abständen voneinander angeordneten Wärmetausohereinheiten 71 und 7², die je einen axialen Durchtrittskanal zwischen dem Eintritts- und Austrittsende des Läufers B bilden. Am Eintritts- und am Austrittsende des Läufers B befinden sich von der Tragkonstruktion A gehaltene Zwischen kammern 85 bzw. 95, die mit den Wärmetauschereinheiten in Verbindung stehen, und bilden einen ersten bogenförmigen Teil der Wärmetausoheranordnung JO. Ein zweiter bogenförmiger Teil der Wärmetauscheranordnung 70 ist mit dem Austrittsteil der Arbeitsturbine 17 durch ekie Abströmleitung 87 und mit der Atmosphäre durch eine Abströmleitung 97 verbunden.

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Ein Verteiler, der von Kanälen 37 gebildet wird, dient zum Zuführen von Luft, die von den Verdichter abgegeben wird, au der Zwisohenkammer 95. Bin ähnlicher Verteiler bzw. Sammler umfaßt die Kanäle 91 und dient zum Zurückführen der aufgeheizten, komprimierten Luft aus der Zwisohenkammer 85 in die Brennkammer lh. Schließlich ist ein geeigneter Antrieb 80-82 vorgesehen, der den Läufer B so in Drehung versetzt, so daß die Wärmetauscherβinheiten, die den ersten und den zweiten bogenförmigen Teil der Yärmetausoheranordnung 70 bilden, ständig bewegt werden.

Nach einem Merkmal der Erfindung sind die Tragelemente sowohl der ortsfesten Konstruktion A als auch des Läufers B mit Strömungskanälen versehen, die miteinander in Verbindung stehen und einen Teil des Verteilers bilden, der die Leitungsstüoke 37 und die Zwischenkammer 95 verbindet. Die kühle Druckluft hält die Tragelemente auf einer im wesentlichen gleichbleibenden Temperatur, so daß die Wärmedehnung und —schrumpfung auf ein Minimum reduziert sind.

Nachfolgend ist anhand der Figuren 1-5 und 7 die Konstruktion des Rotations-Luftvorwärmers 11 im einzelnen beschrieben.

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Der Rotations-Luftvorwärmer 11 besitzt ein zylindrisches Tragorgan 20» das hinter der Arbeiteturbine 17 angeordnet und an seinen hinteren Ende mit einer Abdeckplatte 21 verschlossen ist. Das vordere Ende-des Tragorgans 20 wird von einem im Querschnitt U-förmigen Ringelement 22 gebildet, das einen nach hinten"of Äien^cRingraum 23 enthält. Ein entsprechendes Ringelement Zk ist am hinteren Ende des zylindrischen Tragorgans 20 angeordnet und enthält den Ringraum 25, der nach vom offen ist. Diese Ringräume werden als ringförmige Stauräume 23 und 25 bezeichnet. Das zylindrische Tragorgan 20 mit den Ringelementen 22 und Zk bildet den inneren Teil des ringförmigen, ortsfesten Traggestells, an dessen vorderem Ende mehrere hohle Streben 26 befestigt sind, die sich radial nach außen erstrecken. Die Streben 26 haben Öffnungen 27, die mit dem Stauraum 23 in Verbindung stehen« Die in U_fflfangerichtung in Abständen voneinander angeordneten Streben 26 sind mit ihren äußeren Enden an einem hohlen Ringkörper 28 befestigt, mit dem sie durch öffnungen 29 in Verbindung stehen. Entsprechende hohle Streben 32 sind in gleicher Anzahl an dem hinteren Ende des Tragorgans 20 angeordnet und erstrecken sich von dort nach außen zu dem Ringkörper 33. Die Streben 32 stehen durch Öffnungen 3k und 35, mit dem Stauraum 25 bzw. dem Ringkörper 33 in Verbindung. Die beiden hohlen Ringkörper 28 und 33 sind durch mehrere axiale Leitungsstücke 36 miteinander verbunden, die in der Umfangsrlchtung in Abständen voneinander angeordnet sind und eine Verbindung zwischen

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dan Innenräumen dor Ringkörper 28 und 33 herstellen. Vettere, in Umf angeriohtung in Abständen voneinander angeordnete Leitung? stücke 37 stellen eine Verbindung zwischen den vorderen Ringkörper 28 und dem Sammler hinter dem Verdichter 13 her. Vie Fig. 1 zeigt, ist das Gasturbinenaggregat 12 im Bereich der Brennkammer 14 von einem Gehäusering ko umgeben, der ein relativ starres Tragorgan darstellt, und dessen Innenraum durch eine Trennwand kl in die beiden Ringräume k2 und kj unterteilt ist. Der vordere Ringraum kZ ist durch einen ringförmigen Leitkanal kk mit dem hinteren Ende des Verdichters 13 verbunden. In die im hinteren Ringraum kj befindliche Ringkammer k5 ragt die Brennkammer Ik hinein.

Die axialen Leitungsstüoke 37 verbinden den vorderen Ringraum k2 in dem Gehäusering kO mit dem vorderen Ringkörper 28. Die vorstehend beschriebenen Bauteile, nämlich das zylindrische Tragorgan 20, die Streben 26 und 32, die Ringkörper 28 und 33, die Leitungsstttoke 36 und 37 und der Gehäusering ko sind sämtlichst im wesentlichen starre Elemente, die starr miteinander verbunden sind, so daß sie ein starres, ringförmiges Traggerüst für den Rotations-Luftvorwärmer 11 bilden. Diese Elemente stehen ferner derart miteinander in Verbindung, daß die aus dem Verdichter austretende Luft in der nachstehend beschriebenen Weise alle Elemente durchströmen kann.

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Nachstehend ist nun anhand der Figuren 1 bis 3 und 6 der Zeichnungen der drehbare Teil de* Luftvorwärmers 11 beschrieben. Das zylindrische Tragorgan 20 weist im Bereioh seiner beiden Enden je einen kegeligen Lagerring 50 bzw. 51 auf, welche die Lager 52 bzw. 53 tragen. Mittels dieser Lager 52, 53 ist ein zylindrischer Mantel 54 außen uei das zylindrische Tragorgan 2O drehbar gelagert. Unmittelbar vor den Lager 52 bzw. hinter dem Lager 53 erstrecken sich mehrere hohle Streben 55 bzw. 58 von dem zylindrischen Mantel 54 radial naoh außen und sind an ihren äußeren Enden mit den Ringkörpern 56 bzw, 59 verbunden. Die in Umfangsriohtung in Abständen voneinander angeordneten Streben 55 bzw. 58 stellen eine Strömungeverbindung zwischen den ringförmigen Stauräumen 23 bzw. 25 und den Ringkörpern 56 bzw. 59 her. Der ringförmige Stauraum 23 ist von dem U-profilförmigen Ringelement 22, dem Lagerträger 50, dem Lager 52, dem vorderen Ende des zylindrischen Mantels 54 und einem geeigneten Dichtungsring 57 zwisohen dem Ringelement 22 und dem zylindrischen Läufer— mantel 54 umschlossen.

Ähnlich wie der Stauraum 23 ist auch der Stauraum 25 umsohlossen, wobei die Dichtung 60 für eine Abdichtung zwisohen dem Mantel 54 und dem Ringelement 24 sorgt.

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Zur Versteifung der Tragkonstruktion des Läufers sind die Ringkörper 56 und JJJ> durch mehrere, in Umfangsrichtuig in Abständen voneinander angeordnete« axiale Leitungsstücke 61 Miteinander verbunden, die zwischen den Ringkörpern eine Strömungeverbindung herstellen. Vie bei den Tragelementen des ortsfesten Traggerüstes sind auch die Tragelemente des Läufers im wesentlichen starre Elemente, die zu einem starren Läufer miteinander verbunden sind. Diese Tragelemente des Läufers stehen miteinander und mit den Elementen des Traggerüstes in Strömungsverbindung.

Die ringförmige Värmetausoheranordnung 70 wird von dem Läufer getragen. Die Anordnung 70 besteht aus einem inneren und einem äußeren Sats von sich axial erstreckenden und in Umfangsriohtung in Abständen voneinander im Kreis um den zylindrischen Mantel 5^ herum angeordneten Wärmetausohereinheiten, die LeitungsstUoke 71 und 72 aufweisen, die paarweise im Radialabstand voneinander angeordnet sind. Jedes Paar der LeitungsstUoke 71 und 72 ist zwischen je zwei einander benachbarten radialen Strebenpaaren 55 und 58 angeordnet. Ferner verbinden die Tragelemente 77 bzw. 78 die Enden der LeitungsstUcle 71 und 72 mit dem zylindrischen Mantel 5¹», den Streben 55 bzw. 58 und den Ringkörpern 56 bzw. 59.

Infolg edessen kann der Läufer nur durch die Axialkanäle durchströmt werden, die von den Lei tungs stücken 71 und 72

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gebildet sind. Zur Durchführung de* Wärmeaustausche* sind in den axialen Kanälen der Rohretücke 71 und 72 Wärmemuschgitter 75 bzw. 76 angeordnet. Um da* Auftreten von Wärmespannungen im Betrieb zu verhindern» bestehen die Leitung*atttoke 71 und 72 au* Wellrohr*tücken, *o das* sie eich frei dehnen und zu« aammenziehen können.

Jede* der Wärmetau*ohgitter 75 und 76 wird von mehreren Lagen eine* Drahtgewebes o.dgl. gebildet und hat eine konische Form, um bei kleinstem Raumbedarf eine maximal grosee Oberfläche » erhalten. Die hinteren Enden der Gitterkörper 75 und 76 sind geschlossen, so dass sie im Sinne der in den Figuren 2 und 3 gezeigten Pfeile durchströmt werden· Um Spannungen zu verhindern, sind die Gitter nur an den vorderen Enden der Leitung·· ■tücke 71 bzw. 72 befestigt. Die hinteren Enden der Gitter bzw. 76 werden von den Stützen 7k getragen, die eine Axial* bewegung der Gitter gegenüber den LeitungsStücken 7I bzw. 72 gestatten. Vm eine gleichmäss&ge Strömung innerhalb der Lei·· tungsstücke 7I und72 zu gewährleisten, sind Scheider 79 vorgesehen, welche die in die Le itungs stücke eintretenden Gas«· ströme teilen.

Aus des Figuren 2,3und 6 geht ferner hervor, da«* der vordere Ringkörper 56 einen Zahnkranz 80 trägt, mit dem da« Zahnritzel 81 kämmtf diese* wird auf geeignete Weise» freispiel** weise mittels eine* Elektromotor* 82, angetrieben und dreht den Zahnkranz 80 und damit die ganze lüuferanordnung mit

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einer gewünschten Drehzahl* Gegebenenfalls könnte die Läufer» anordnung auch Über ein Zahnradgetriebe von der Gasturbine 15 oder 17 angetrieben werden. Die Drehzahl der Lauferanordnung des Rotations»Luftvorwärmers IT ist relativ niedrig, in allgemeinen unter 100 Umdrehungen je Minute·

Aus den Figuren 2, 3 und k ist erkennbar, dass einige der vorderen Gerüststreben 26 eine bogenförmige Zwischenkammer 85 tragen, die von den Streben durchsetzt ist, aber nicht mit ihnen in Strömungsverbindung steht. Wie Fig. 2 am besten zeigt, ist die Zwisohenkammer 85 nach hinten offen und steht dort in Strömungsverbindung mit den vorderen Enden der Lei» tungsstüoke 7I und 72 des mit der Zwisohenkammer 85 korrespondierenden, bogenförmigen Teils der Läuferanordnung. Da die Läuferanordnung im Betrieb retiert, werden die Kanäle und Wärmetausohereinheiten, welche diesen ersten bogenförmigen Teil der Wärmetaueeheranordnung 70 bilden, ständig verändert. In jedem gegebenen Zeitpunkt gehören jene Wärmetaueoherein« heiten, die nioht zu dem ersten bogenförmigen Teil gehören, zu einem zweiten bogenförmigen Teil, der über die Abströmleitung 87 direkt mit dem Austrittekeil des Gasturbinen» aggregate 12 in Verbindung steht (Fig· 3)· Durch eine Dichtungsanordnung wird ein Druckluftauetritt aus den Zwischen» kammern 85 bzw, 95 ins Freie oder in die Abströmleitung duroh den Zwischenraum zwischen den Zwischenkammern 85 bzw» 95 und der Läuferanordnung verhindert.

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Di· Figuren 1 bis 3 zeigen, dass die Abatrumleitung 87 an ihren Ende von einen Ringkörper 90 umgeben ist, der einer·· ••its ait der Zwischenkäufer 85 und andererseits mit dem Ringraum 43 i» Gehäusering 40 sowie mit der Brennkammer Ik über die axialen Leitungsstüoke 91 i» Verbindung steht, die in Umfangerichtung in Abständen voneinander angeordnet sind·

In den Leitungsstüoke η 91 sind Dehnungs bälge 92. vorgesehen, die einen Spannungsausgleich ermöglichen· Der Ringkörper und die Leitungsstüoke 91 gehören nicht zum Traggerüst, sondern dienen nur als Kanäle für die Druckluft.

Die hintere bogenförmige Zwisohenkammer 95 wird von jenen Gerüststreben 32 getragen, die sich durch die Zwischenkammer 95 hindurch erstrecken und durch öffnungen 96 der Streben mit ihr in Verbindung stehen. Vie Fig. 2 am besten zeigt, ist die Zwisohenkammer 95 *■ vorderen Ende offen, so dass sie mit den hinteren Enden der Leitungsstücke 71 und 72 in Verbindung steht, welche zu dem ersten bogenförmigen Teil der vorstehend beschriebenen Wärmetauseheraxeadnung gehören. Zu jedem gegebenen Zeitpunkt stehen die Leitungsstüoke 7I und 72 des zweiten bogenförmigen Teils über den Abström« kanal 97 direkt mit der freien Atmosphäre in Verbindung.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Anordnung der Gasturbinenanlage 10 ist folgende1 Die relativ kühle, von dem

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Verdichter 13 abgegeben· Druokluft gelangt über den Ringkanal kk, den Ringraum 42 und die Leitungsetüoke 37 >n de« ▼orderen Ringkörper 28· Dort wird der Luft*trom geteilt· Der eine Teil strömt durch die axialen Leitung·βtüoke 36 ■u de« hinteren Ringkörper 33, der ander· Teil duroh die Streben 26 radial naoh innen in den Stauraua 23« Die in den Stauraum 23 eintretende Druokluft wird erneut geteilt. Der eine Teil tritt durch das Lager 52 hindurch und strömt dann läng· der Innenwandung dea Lauf«rmantela 5k duroh «in«n Durohla··, d«r von dem Hantel }k und einem an dem Tragorgan 20 «atsanden Führungselement 105 begrenzt wird· Sohlic··- lieh gelangt dieaer Teil der Druokluft duroh da· Lager 53 hindmroh in den hinteren Stauraum 25« Der ander· Teil der in den vorderen Stauramm 23 eintretenden Luft strömt auswart· duroh dl· Streben 55 hinduroh in den Ringkörper 56, dar . duroh die axialen Leitung·stück« 61 in den Ringkörper 59 und sohlioeslioh einwärts duroh die Streben 58 ebenfalls in dea hinteren Stauraum 25» Aue dem Ringraum 33 und dem Stauraum 25 tritt die Druokluft dann über die Streben 32 in die hintere Zwischenkammer 95 ein· Selbstverständlich müssen di· Strömungskanäl· ·ο bemeeeen sein, dass duroh jeden dieser Kanal· die gewüneohte Luftmenge strömt. Aus der vorstehenden Beschreibung g«ht hervor, da·· di· Bauelemente, welche da· Traggerüst und di· Lauforanordmmg bild«n, einen Verteileranordneng sum Zuführen von Druckluft zu der Zwiseh«nkamm«r darstellen. Im Betrieb werden diese Elemente infolge der sie

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durchströmenden, relativ kühlen Luft gekühlt und somit auf einer niedrigen Betriebstemperatur gehalten. Infolgedessen zeichnen sich das Traggerüst und die Läuferanordnung im Betrieb durch eine hohe Masshaltigkeit aus, welche eine einwandfreie Abdichtung sehr erleichtert. Wenn der Läufer aus irgendeinem Grunde im Betrieb stehenbleibt, verhindert die durch die verschiedenen "Tragelamente strömende Luft eine überhitzung der Elemente, die in dem Strömungsweg der heisseh Gase stillstehen.

Die aus der hinteren Zwischenkammer 9J> austretende Druckluft gelangt durch die Strömungekanäle des ersten bogenförmigen * Teils der Wärmetaueoheranordnung 70 hindurch in die vordere Zwischenkamner 85. Die erhitzte Luft wird dann über die Leitungestücke 9I und den Ringraum 43 im Gehäusering 40 der Brennkammer 14 zugeführt.

Während die Druckluft durch die Strömungskanäle der Wärme« taueehereinheiten strömt, die den ersten bogenförmigen Teil der Wärmetauscheranordnung 70 bilden, strömen die heissen Abgase aus dem Abströmkanal 87 durch die Wärmetauschereinheiten, die den zweiten bogenförmigen Teil der Anordnung bilden und erhitzen dabei die Wärmetauschergitter 75 und Die dadurch abgekühlten Abgase gelangen über den Abströmkanal 97 ins Freie. Da die Läuferanordnung rotiert, werden

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di· Strömungskanäle, welch· den ersten und den zweiten bogenförmigen Teil der Wärmetausoheranordnung 70 bilden, ständig gewechselt. Infolgedessen wird ständig Wärme von den heissen Verbrennungsgasen auf die in die Brennkammer 14 eintretende Druckluft übertragen· Infolge der Masshaltigkeit wird die einwandfreie Abdichtung erheblich erleichtert, so dass der Wärmewirkungsgrad der Anlage nicht beeinträchtigt wird*

Da die zuvor beschriebene Konstruktion im wesentlichen span» nungsfrei ist, können ihre Elemente relativ leicht ausgebildet sein» Das Gesamtgewicht eines derartigen Luftvorwärmers ist aber auch von dessen Grosse'abhängig· Bei dem in den Figuren 1 bis 7 gezeigten Luftvorwärmer strömen die Abgase bei allen Betriebsbedingungen vollständig durch die axialen Leitungsstücke 71 und 72 hindurch. Daher muss der Luftvorwärmer so gross sein, dass er imstande ist, den maximalen Abgas- und Luftstrom bei Vollastbetrieb aufzunehmen* Anlagen dieser Art arbeiten daher mit höchstem Wirkungsgrad unter Vollast. Bei Teillastbetrieb ist sowohl die Kapazität als auch das Gewicht höher als erforderlich» so dass dann der Wirkungsgrad der Anlage herabgesetzt ist. Da jedoch zahl· reiche Gasturbinenanlagen normalerweise mit Teillasteineteilung betrieben werden« ist es mitunter zweokmässig, den Luft·» vorwärmer so auszulegen, dass er bei Teillast mit dem höchsten Wirkungsgrad arbeitet.

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Eine erfindungsgemässe Anlage mit einem Luftvorwärmer für einen optimalen Teillastbetrieb mit hohem Wirkungsgrad ist in Fig. 8 dargestellt.

Diese Anlage entspricht im wesentlichen der Anlage nach den Figuren 1 bis 7* Di· Elemente des Luftvorwärmers 11* sind jedoch so bemessen, dass sie nur einen bestimmten Teil der bei Vollast durch sie hindurchströstenden Gase aufnehmen können« Daher sind die tragenden und die strömungsführenden Elemente wesentlich kleiner und leichter als die entsprechenden Elemente der Anlage nach den Figuren 1 bis 7· Wird die Menge der Abgase so gross, dass sie von den axialen Leitungsstücken 71 und 72 nicht mehr vollständig aufgenommen werden kann, so werden am hinteren Ende des zylindrischen Tragorgans 20 angeordnete Verschlussklappen 110 mittels einer geeigneten Betätigungsvorrichtung, beispielsweise eines hydraulisch angetriebenen Hebelgestänges 111 o.dgl·, geöffnet, so dass dann die überschüssigen Strömungsmengen direkt ins Freie austreten können· Diese Anordnung arbeitet somit bei normalem Teillast·· betrieb mit htftfhstem Wirkungsgrad.

Zur Erfindung gehört alles dasjenige, was in der Beschreibung enthalten und baw. oder in der Zeichnung dargestellt ist, ein·» schliesslioh dessen, was in Abweichung von den konkreten Aus» führungsbeispielen für den Fachmann naheliegt.

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Claims (1)

1. PA TENTAN WAL TE

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   PATENTANWALT MULLER-BÖRNER PATENTANWALT DIPL.-INC. WEY

   BERLIN 33 (DAHLEM) · POOBIELSKtALLEE 68 8 MÜNCHEN 22 - WIDENMAYERSTRASSE 4*

   TELEFON 762907 · TELEGRAMME: PROPINDUS £\ TELEFON 22 SS 85 · TELEGRAMME: PROPINDUS

   19 361

   General Electric Company Scheneotady , New York (USA)

   Patentansprüche

   Μ, Gasturbinenanlage, insbesondere für Luftfahrzeuge, mit ^-^ei

   Verdienter, einer Brennkammer und einer Gasturbine, die den Verdichter und gegebenenfalls ein weiteres Aggregat, wie z.B. einen Propeller o.dgl. antreibt, gekennzeichnet durch einen Rotations-Luftvorwärmer mit einem starren Traggerüst, einem in dem Traggerüst angeordneten und auf dem Tragorgan drehbar gelagerten und es in Umfange· richtung umgebenden Läufer mit einer ringförmigen Wärme— tauscheranordnung, die mehrere, in Umfangerichtung in Abständen voneinander angeordnete Wärmetauschereinheiten aufweist, die sich zwischen dem vorderen und dem hinteren Ende des Läufers axial erstrecken und zwischen den Enden Je einen Strömungskanal bilden, je einer dem vorderen bzw.

   FERNSCHRCIBER: 016*057

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   dem hinteren Ende des Läufers benachbarten ortsfesten Zwischenkammer, die nur mit einem ersten bogenförmigen Teil der ringförmigen Wärmetauscheranordnung in Verbindung steht, einem ersten Verteiler, welcher den Verdichter mit der hinteren Zwischenkammer verbindet, einem zweiten Verteiler, der die Brennkammer mit der vorderen Zwischenkainmer verbindet-, einer¹ ersten Abströmleitung, die den Austrittskanal der Turbine mit dem -voTdBrmn Ende nur eines zweiten bogenförmigen Teils der Wärmetauscher« anordnung verbindet, einer zweiten Abströmleitung für den Austritt der Gase aus dem hinteren Ende des zweiten bogenförmigen Teils der ringförmigen Wärmetauecheranord* nung ins Freie und einem Antrieb zum Drehen des Läufers mit der ringförmigen Wärmetauscheranordnung, so dass die den ersten bzw. zweiten bogenförmigen Teil der Wärme» ~i α ι saus eher anordnung bildenden Wärmetauschereinheiten stan·· dig gewechselt werden und von den heissen Abgasen, welche den zweiten bogenförmigen Teil durchströmen, Wärme auf die Druckluft übertragen wird, welche den ersten bogenförmigen Teil durchströmt·

   Z, Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des vorderen und des hinteren Endes des Läufers Mittel zum Abstützen der Wärmetauschereinheiten an dem Läufer und sum Abdichten der Zwischenräume zwischen den Wärmetauschereinheiten zwecks Verhinderung einer Durchströmung dieser Räume vorgesehen sind.

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   3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Traggerüst und der starre Läufer von
   mehreren tragenden Teilen gebildet werden, die miteinander verbundene Strömungskanäle besitzen, welche den
   ersten Verteiler bilden·

   k» Gasturbinenanlage nach Anspruch 1,2 oder 3· dadurch gekennzeichnet, dass das Traggerüst ein zylindrisches Tragorgan aufweist, sowie Mittel, welche zusammen mit dem
   Tragorgan und dem starren Läufer an dessen vorderem Ende einen ringförmigen Stauraum bilden, Mittel, welche mit
   dem Tragorgan und dem starren Läufer an dessen hinterem
   Ende einen ringförmigen Stauraum bilden, das zylindrische Tragorgan zusammen mit dem starren Läufer innerhalb desselben einen ersten Strömungskanal zwischen dem vorderen und dem hinteren Stauraum begrenzt, mit dem vorderen Stauraum mehrere hohle Streben in Verbindung stehen, die sich von dem vorderen Stauraum von dem starren Läufer radial
   auswärts erstrecken, wobei bestimmte Gerüststreben sich
   durch die vordere Zwischenkammer hindurch erstrecken und sie tragen, ein hohler Ringkörper mit den äusseren Enden der vorderen Gerüststreben verbunden ist und sie miteinander verbindet, mit dem hinteren Stauraum mehrere hohle Streben verbunden sind, die sich von diesem Stauraum von dem starren Läufer radial auswärts erstrecken, wobei bestimmte GerUststreben sich durch die hintere Zwischenkammer

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   hinduroh erstrecken, sie tragen und mit ihr in Verbindung stehen, ein hohler Ringkörper mit den äusseren Enden der hinteren Gerüstetreben in Verbindung steht und sie mit« einander verbindet, mehrere sioh axial erstreckende, in der Umfangsrichtung in Abständen voneinander angeordnete Leitungsstücke mit dem vorderen und dem hinteren Ringkörper in Verbindung stehen, und diese Ringkörper miteinander verbinden, und mehrere in Umfangerichtung in Abständen voneinander angeordnete Leitungsstücke mit dem Austrittsteil des Verdichters und dem vorderen Ringkörper in Verbindung stehen und diese Teile miteinander verbinden·

   5. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1,2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der starre Läufer einen zylindrischen Mantel besitzt, der das Tragorgan im Radialabstand umgibt und auf ihm gelagert ist und zusammen mit dem Tragorgan den ersten Strömungskanal zwischen dem vorderen Stauraum und dem hinteren Stauraum bildet, mehrere hohle Streben mit dem zylindrischen Mantel verbunden sind und sich im Bereich des vorderen Endes des Mantels von diesem radial auswärts erstrecken, diese Streben mit dem vorderen Stauraum verbunden und in Umfangsrichtung in den Zwischenräumen zwischen einander benachbarten Wärmetauschereinheiten angeordnet sind, ein hohler Ringkörper mit den äusseren Enden der vorderen Läuferstreben in Verbindung steht und sie miteinander verbindet, mehrere hohle Streben mit dem

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   BAD ORIGINAL

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   zylindrischen Mantel verbunden sind und eich im Bereich des hinteren Bades des Mantels von diesem radial auswärts erstrecken, diese Streben Mit dem hinteren Stauraue in Verbindung stehen und in Umfangeriohtung gesehen in den Zwischenräumen swisohen einander benachbarten Wärme» tausoherwLeitungsstüoken angeordnet sind, ein hohler Ringkörper mit den äusseren Bnden der hinteren Läufer·· streben verbunden ist und sie miteinander verbindet, Mehrere axiale LeitungsstUoke den vorderen und den hinteren Ringraum des Läufers miteinander verbinden und die Läuferstreben, die Ringräume des Läufers und die axialen Leitungestücke des Läufers den zweiten Strömungskanal Bwisehen dem vorderen und dem hinteren Stauraum darstellen, so dass das Traggerüst und der starre Läufer zusam» men den ersten Verteiler zum Zuführen w>n Druckluft zu der hinteren Zwischenkammer bilden.

   6. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da» duroh gekennzeichnet, dass der Rotations-Luftvorwärmer mit einer Dichtungsanordnung zwischen den Zwischenkäufern und dem Läufer zum Herabsetzen der DruckluftVerluste swisohen diesen Teilen und zwischen dem ersten und dem zweiten bogenförmigen Teil der Wärmetauscheranordnung versehen ist.

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   7. Gasturbinenanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zylindrische Tragorgan einen weiteren Abstrom«

   kanal aufweist, durch welchen Gas von dem Austrittskanal

   abder Turbine direkt ins Preie strömt und in diesem AbstrÖm~ kanal ein zu öffnendes bzw· zu schlies sende* Absperrorgan zur Steuerung der Strömung der heissen Abgase durch diesen Kanal angeordnet ist. - *

   8· Gasturbinenanlage naoh einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7» ansonst wie beschrieben und bzw. oder dargestellt*

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