DE1626120B2 - Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

1 2

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinentriebwerk Verdichtereinrichtung eine zentrifugale Endstufe auf-

mit einer an der Triebwerksfront angeordneten Ver- weisen, von der aus die verdichtete Luft radial nach

dichtereinrichtung, einer Verbrennungseinrichtung, außen in eine oder mehrere, zum Druckaustauscher

einer Turbineneinrichtung, einem Druckaustauscher führende Leitungen strömt.

mit umlaufendem Zellenrad, sowie mit Leitungen für 5 Der Druckaustauscher ist vorteilhafterweise ein

die Zufuhr der verdichteten Luft von der Verdichter- Druckaustauscher mit Strömungsumkehr, wie er bei-

einridhtung zur Verbrennungseinrichtung über die spielsweise aus der deutschen Patentschrift 932 041

Zellen des Druckaustauscher und für die Zufuhr der bekannt ist.

Verbrennungsgase von der Verbrennungseinrichtung Der Druckaustauscher kann schließlich auch ein

zur Turbineneinrichtung über die Zellen des Druck- io Durchströmungs-Druckaustauscher sein, wie etwa bei

austauschers. Solche Gasturbinentriebwerke sind be- der Einrichtung nach der deutschen Patentschrift

kannt, wie z. B. die deutschen Patentschriften 913 116 913 116. ' ·

und 953 207 zeigen. _Λ < Die Erfindung wird im folgenden an Hand der

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispielen erläutert.

Gasturbinentriebwerken dieser Art die gegenseitige 15 In den Zeichnungen ist

Anordnung der Triebwerksbauteile so zu wählen, daß F i g. 1 ein Querschnitt durch eine Ausführungs-

sich eine beträchtliche Verkürzung der Heißgas füh- form eines erfindungsgemäßen Gasturbinentriebwerks,

renden LeitungsverbTridungen zwischen den Trieb- wobei nur eine Hälfte im einzelnen dargestellt ist,

Werksbauteilen ergibt und dadurch Druck- und F i g. 2 eine Abwicklung entlang der Linie 2-2 in

Wärmeverluste vermieden werden. 20 Fig. 1,

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch F i g. 3 ein Querschnitt ähnlich dem der F i g. 1,

gelöst, daß die Verbrennungseinrichtung und die Tür- der eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform

bineneinrichtung im zentralen Bereich des Trieb- darstellt,

werks angeordnet sind, daß der Druckaustauscher Fig. 4 eine Abwicklung hiervon ähnlich der

am Triebwerksende angeordnet ist, wobei die Tür- 25 Fig. 2.

bineneintrittsseite dem Druckaustauscher zugewandt In den Fig. 1 und 2 hat ein Gasturbinentriebwerk

ist, und daß die Verbrennungseinrichtung zwei radial 10 ein Gehäuse 11, in dessen stromaufwärtigem Ende

außerhalb der Turbineneinrichtung angeordnete, ein- einVerdichter 12 gelagert ist. Der Verdichter 12 hat drei

ander diametral gegenüberliegende Brennkammern axiale Stufen 13 und eine zentrifugale Endstufe 14.

aufweist. 30 Die zentrifugale Endstufe 14 leitet die vom Ver-

Bei den bekannten^ Gasturbinentriebwerken ist der dichter 12 erzeugte Druckluft radial nach außen in

umlaufende Druckaustauscher zwar ebenfalls strom- zwei sich in axialer Richtung erstreckende, einander

aufwärts von der Turbineneinrichtung angeordnet; er diametral gegenüberliegende Leitungen 15, 16, die

ist aber nicht am Triebwerksende untergebracht, so außerhalb des Gehäuses 11 angeordnet sind und sich

daß sich lange Leitungswege ergeben und die Ge- 35 zu dessen Hinterende erstrecken,

samtbaulänge groß wird. Beides ist im übrigen eine Der Verdichter 12 ist auf einer Welle 20 angeord-

unmittelbare und notwendige Folge der bei den ge- net, die von einer zweistufigen Hochdruckturbine 21

kannten Einrichtungen gewählten Besondeiheiten des angetrieben wird. Konzentrisch um diese Welle 20

umlaufenden Druckaustauscher. herum ist eine weitere. Welle 22 angeordnet,, die von

Beim Gegenstand der Erfindung ist demgegenüber 40 einer zweistufigen freien Niederdruckturbine 23 an-

die Verdichtereinrichtung an der Triebwerksfront an- getrieben wird.

geordnet, und die Verbrennungseinrichtung sowie die Das vordere Ende der Welle 22 trägt ein Zahnrad Turbineneinrichtung sind im zentralen Bereich des 26, das über ein Getriebe 24 eine Hauptabtriebwelle Triebwerks untergebracht, während der umlaufende 25 antreibt. Diese kann eine normale, nicht dar-Druckaustauscher am Triebwerksende an der strom- 45 gestellte Luftschraube oder einen nicht dargestellten auf gelegenen Seite der Turbineneinrichtung angeord- Drehflügel eines Hubschraubers antreiben,
net ist. Diese Art der gegenseitigen Anordnung der Am Hinterende des Triebwerks und stromaufwärts entscheidenden Triebwerksteile ist gegenüber den be- von der Hochdruckturbine 21 ist ein umlaufender kannten Anordnungen überaus vorteilhaft, weil dabei Druckaustauscher 32 angeordnet, dessen Rotor 33 die Verbrennungsgase vom Druckaustauscher mit 50 auf einer zur Achse des Triebwerks kollin&aren einem Minimum von Energieverlust zur Turbinenein- Welle 34 sitzt. Diese Welle 34 ist in Lagern 35, 36 richtung gelangen können. Außerdem kann dabei die gelagert, die sich am Rückende des Gehäuses 11 über Verbrennungseinrichtung so plaziert werden, daß die vier im Winkel gegeneinander versetzte Streben 37 Verbrennungsgase auch von der Verbrennungsein- und vier weitere ähnliche Streben 38 abstützen. Der richtung zum Druckaustauscher über ein verhältnis- 55 Rotor 33 hat einen Ring von Zellen 40, die an ihren mäßig kurzes Leitungsstück gelangen, so daß auch entgegengesetzten Enden offen sind,
hier ein Minimum an Verlusten durch Reibung und Der Rotor 33 ist zwischen Endplatten 41, 42 anAbkühlung auftritt. Die erfindungsgemäße Anord- geordnet. Die Endplatte 42 hat eine Vielzahl von im nung bedeutet somit eine Erhöhung des Wirkungs- Winkel gegeneinander versetzten Öffnungen 43, durch grades der Einrichtung, und sie gestattet überdies 60 welche Druckluft vom Verdichter 12, die durch die einen kompakteren Zusammenbau der Triebwerks- Leitungen 15, 16 zum Druckaustauscher 32 strömt, komponenten. in die Zellen 40 eintreten kann. Der Druckaustauscher

Bei einer besonderen Ausgestaltungsform der Er- 32 ist ein Druckaustauscher mit Strömungsumkehr,

findung ist, wie dies in anderem Zusammenhang bei- wobei die in die Zellen 40 durch die Öffnungen 43

spielsweise die USA.-Patentschrift 2 461186 zeigt, 65 einströmende Luft innerhalb der Zellen in ihrer Strö-

der Druckaustauscher so ausgebildet, daß er durch mungsrichtung umgekehrt wird und aus diesen Zellen

die ihm zugeführten Gase in Drehung versetzt wird. durch eine Vielzahl von Öffnungen 44 ausströmt, die

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die abwechselnd mit den Öffnungen 43 angeordnet sind.

Die aus den Zellen 40 und die öffnungen 44 ausströmende Luft strömt durch zwei einander diametral gegenüberliegende Leitungen 45 zu den Brennkammern 47, die radial außerhalb der Hochdruckturbine 21 liegen.

Die Endplatte 41 'hat eine Vielzahl von im Winkel gegeneinander versetzten Öffnungen 50, und die Verbrennungsgase werden aus den Brennkammern 47 über die Leitungen 51 und die Öffnungen 50 zu den Zellen 40 geleitet.

Die Strömungsrichtung der derart in die Zellen 40 einströmenden Verbrennungsgase wird in den Zellen umgekehrt, und diese Gase verlassen die Zellen 40 durch eine Vielzahl von im Winkel gegeneinander versetzten Öffnungen 53, die abwechselnd mit den Öffnungen 50 angeordnet sind. Die aus den Zellen 40 durch die öffnungen 53 ausströmenden Verbrennungsgase strömen dann durch eine Ringleitung 54 und die Turbinen 21, 23 in einen Abgaskegel 55.

Die Zellen 40 bilden sich zwischen Schaufeln 56, die so konstruiert sind, daß die in die Zellen 40 ein- und aus ihnen ausströmenden Gase auf die Schaufeln 56 so einwirken, daß sich der Rotor 33 dreht. Die an die Zellen 40 angelieferte Druckluft wird in ihnen durch die unmittelbare Energieübertragung von den Verbrennungsgasen weiter verdichtet, während die Verbrennungsgase in den Zellen 40 expandieren, bevor sie zu den Turbinen 21, 23 gelangen.

Wie aus dem Vorangehenden hervorgeht, ermöglicht es die beschriebene Anordnung, die schnell strömenden Gase nach ihrem Austritt aus den Zellen 40 des Druckaustauscher 32 unmittelbar durch eine verhältnismäßig kurze Leitung 54 und damit auch mit minimalen Verlusten zu den Turbinen 21, 23 zu leiten. Sie ermöglicht es ebenso, die Verbrennungsgase von den Brennkammern 47 zum Druckaustauscher 32 durch verhältnismäßig kurze Leitungen 51 zu fördern.

Die F i g. 3 und 4 zeigen ein Gasturbinentriebwerk 59, das im allgemeinen dem nach den F i g. 1 und 2 entspricht und daher nicht in einzelnen beschrieben werden muß. Einander entsprechende Teile sind mit denselben Bezugszeichen mit dem Zusatz A gekennzeichnet.

Im Triebwerk 59 nach den F i g. 3 und 4 wird jedoch im Gegensatz zu dem vorstehend beschriebenen Druckaustauscher mit Strömungsumkehr ein Durchströmungs-Druckaustauscher verwendet. DieserDruckaustauscher 60 hat einen Rotor 61 mit einem Ring von Zellen 40 A und ist zwischen Endplatten 62, 63 angeordnet. Die Endplatte 63 hat eine Vielzahl von im Winkel gegeneinander versetzten öffnungen 64, durch die die im Verdichter 12 A verdichtete Luft nach dem Durchströmen der Leitungen 15 A in die Zellen 40/1 einströmen kann. Die Strömungsrichtung der Luft wird jedoch in den Zellen 4OA nicht umgekehrt, sondern die Luft strömt axial 'hindurch und tritt durch eine Vielzahl von im Winkel gegeneinander versetzten öffnungen 65 in der Endplatte 62 aus. Die aus den Öffnungen 65 ausströmende Druckluft wird an zwei einander diametral gegenüberliegende Leitungen 66 angeliefert, die zu einer einzigen Brennkammer 70 führen. Diese Brennkammer 70 ist ganz am Hinterende des Gasturbinentriebwerks 59 angeordnet und kann als Bauteil mit dem Druckaustauscher 60 vereinigt sein.

Die Verbrennungsgase aus der Brennkammer 70 werden durch Leitungen 71 über eine Vielzahl von im Winkel gegeneinander versetzten Öffnungen 73 an die Zellen 40 Λ angeliefert, wobei diese öffnungen 73 in der Endplatte 62 abwechselnd mit den öffnungen angeordnet sind.

Die durch die Zellen 4OA strömenden Verbrennungsgase treten aus diesen axial durch eine Vielzahl von im Winkel gegeneinander versetzten Öffnungen 74 aus, die in der Endplatte 62 abwechselnd mit den Öffnungen 65 angeordnet sind.

ίο Die durch die Öffnungen 74 austretenden Verbrennungsgase strömen in eine Ringleitung 75 und aus dieser zu den Turbinen 21,4, 23 A und zum Abgaskegel 55 A.

Wie man sieht, liegt auch bei der Bauart nach den F i g. 3 und 4 ähnlich wie bei der Bauart nach den F i g. 1 und 2 der Druckaustauscher neben und hinter der Turbine 21A, so daß die Verbrennungsgase mit minimalen Verlusten vom Druckaustauscher zur Turbine strömen können.

Der DurChströmungs-Druckaustauscher 60 nach den F i g. 3 und 4 hat zwar eine geringere Gesamtwirkleistung als der Druckaustauscher mit Strömungsumkehr nach den F i g. 1 und 2. Andererseits hat er den Vorteil einer konstanten Temperatur über seine ganze Länge, so daß die in ihm auftretenden Wärmespannungen weit kleiner sind. AuCh ist die Maximaltemperatur des Durchströmungs-Druckaustauschers niedriger als die des Druckaustauschers mit Strömungsumkehr 32, so daß er aus konventionellen Werkstoffen hergestellt werden kann.

Claims (5)

P atentansprüche:

1. Gasturbinentriebwerk mit einer anderTriebwerksfront angeordneten Verdichtereinrichtung, einer Verbrennungseinrichtung, einer Turbineneinrichtung, einem Druckaustauscher mit umlaufendem Zellenrad, sowie mit Leitungen für die Zufuhr der verdichteten Luft von der Verdichtereinrichtung zur Verbrennungseinrichtung über die Zellen des Druckaustauscher und für die Zufuhr der Verbrennungsgase von der Verbrennungseinrichtung zur Turbineneinrichtung über die Zellen des Druckaustauschers, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungseinrichtung (47) und die Turbineneinrichtung (21, 23) im zentralen Bereich des Triebwerks angeordnet sind, daß der Druckaustauscher (32, 33) am Triebwerksende angeordnet ist, wobei die Türbineneintrittsseite dem Druckaustauscher zugewandt ist, und daß die Verbrennungseinrichtung zwei radial außerhalb der Turbineneinrichtung (21, 23) angeordnete, einander diametral gegenüberliegende Brennkammern (47) aufweist.

2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Druckaustauscher (32, 33) in bekannter Weise derart ausgebildet ist, daß er durch die ihm zugeführten Gase in Drehung versetzt wird.

3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtereinrichtung (12, 13) eine zentrifugale Endstufe (14) aufweist, von der aus die verdichtete Luft radial nach außen in eine oder mehrere, zum Druckaustauscher (32, 33) führende Leitungen (15, 16) strömt.

4. Gasturbinentriebwerk nach jedem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der

Druckaustauscher (32, 33) in bekannter Weise ein Druckaustauscher mit Strömungsumkehr ist.

5. Gasturbinentriebwerk nach jedem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckaustauscher in bekannter Weise ein Durchströmungs-Druckaustauscher (61) ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen