DE1626120C3 - Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinentriebwerk mit einer an der Triebwerksfront 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. Solche Gasturbinentriebwerke sind bekannt, wie z. B. die deutschen Patentschriften 913 116 und 953 207 zeigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Gasturbinentriebwerken dieser Art die gegenseitige Anordnung der Triebwerksbauteile so zu wählen, daß sich eine beträchtliche Verkürzung der Heißgas führenden Leitungsverbindungen zwischen den Triebwerksbauteilen ergibt und dadurch Druck- und Wärmeverluste vermieden werden.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Verbrennungseinrichtung und die Turbineneinrichtung im zentralen Bereich des Triebwerks angeordnet sind, daß der Druckaustauscher am Triebwerksende angeordnet ist, wobei die Turbineneintrittsseite dem Druckaustauscher zugewandt ist, und daß die Verbrennungseinrichtung zwei radial außerhalb der Turbineneinrichtung angeordnete, einander diametral gegenüberliegende Brennkammern aufweist.

Bei den bekannten Gasturbinentriebwerken ist der umlaufende Druckaustauscher zwar ebenfalls stromaufwärts von der Turbineneinrichtung angeordnet; er ist aber nicht am Triebwerksende untergebracht, so daß sich lange Leitungswege ergeben und die Gesamtbaulänge groß wird. Beides ist im übrigen eine unmittelbare und notwendige Folge der bei den gekannten Einrichtungen gewählten Besonderheiten des umlaufenden Druckaustauscher.

Beim Gegenstand der Erfindung ist demgegenüber die Verdichtereinrichtung an der Triebwerksfront angeordnet, und die Verbrennungseinrichtung sowie die Turbineneinrichtung sind im zentralen Bereich des Triebwerks untergebracht, während der umlaufende Druckaustauscher am Triebwerksende an der stromauf gelegenen Seite der Turbineneinrichtung angeordnet ist. Diese Art der gegenseitigen Anordnung der entscheidenden Triebwerksteile ist gegenüber den bekannten Anordnungen überaus vorteilhaft, weil dabei, die Verbrennungsgase vom Druckaustauscher mit einem Minimum von Energieverlust zur Turbineneinrichtung gelangen können. Außerdem kann dabei die Verbrennungseinrichtung so plaziert werden, daß die Verbrennungsgase auch von der Verbrennungseinrichtung zum Druckaustauscher über ein verhältnismäßig kurzes Leitungsstück gelangen, so daß auch hier ein Minimum an Verlusten durch Reibung und Abkühlung auftritt. Die erfindungsgemäße Anordnung bedeutet somit eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Einrichtung, und sie gestattet überdies einen kompakteren Zusammenbau der Triebwerkskomponenten.

Bei einer besonderen Ausgestaltungsform der Erfindung ist, wie dies in anderem Zusammenhang beispielsweise die USA.-Patentschrift 2 461 186 zeigt, der Druckaustauscher so ausgebildet, daß er durch die ihm zugeführten Gase in Drehung versetzt wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Verdichtereinrichtung eine zentrifugale Endstufe aufweisen, von der aus die verdichtete Luft radial nach außen in eine oder mehrere, zum Druckaustauscher führende Leitungen strömt.

Der Druckaustauscher ist vorteilhafterweise ein Druckaustauscher mit Strömungsumkehr, wie er beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 932 041 bekannt ist.

Der Druckaustauscher kann schließlich auch ein

ίο Durchströmungs-Druckaustauscher sein, wie etwa bei der Einrichtung nach der deutschen Patentschrift 913 116.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispielen erläutert.

In den Zeichnungen ist

Fig. 1 ein Querschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasturbinentriebwerks, wobei nur eine Hälfte im einzelnen dargestellt ist,
F i g. 2 eine Abwicklung entlang der Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 ein Querschnitt ähnlich dem der Fig. 1, der eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform darstellt,

Fig. 4 eine Abwicklung hiervon ähnlich der-Fig. 2.

In den F i g. 1 und 2 hat ein Gasturbinentriebwerk 10 ein Gehäuse 11, in dessen stromaufwärtigem Ende ein Verdichter 12 gelagert ist. Der Verdichterl2 hat drei axiale Stufen 13 und eine zentrifugale Endstufe 14.

Die zentrifugale Endstufe 14 leitet die vom Verdichter 12 erzeugte Druckluft radial nach außen in zwei sich in axialer Richtung erstreckende, einander diametral gegenüberliegende Leitungen 15, 16, die außerhalb des Gehäuses 11 angeordnet sind und sich zu dessen Hinterende erstrecken.

Der Verdichter 12 ist auf einer Welle 20 angeordnet, die von einer zweistufigen Hochdruckturbine 21 angetrieben wird. Konzentrisch um diese Welle 20 herum ist eine weitere Welle 22 angeordnet, die von einer zweistufigen freien Niederdruckturbine 23 angetrieben wird.

Das vordere Ende der Welle 22 trägt ein Zahnrad 26, das über ein Getriebe 24 eine Hauptabtriebwelle 25 antreibt. Diese kann eine normale, nicht dargestellte Luftschraube oder einen nicht dargestellten Drehflügel eines Hubschraubers antreiben.

Am Hinterende des Triebwerks und stromaufwärts von der Hochdruckturbine 21 ist ein umlaufender Druckaustauscher 32 angeordnet, dessen Rotor 33 auf einer zur Achse des Triebwerks kollinearen Welle 34 sitzt. Diese Welle 34 ist in Lagern 35, 36 gelagert, die sich am Rückende des Gehäuses 11 über vier im Winkel gegeneinander versetzte Streben 37 und vier weitere ähnliche Streben 38 abstützen. Der Rotor 33 hat einen Ring von Zellen 40, die an ihren entgegengesetzten Enden offen sind.

Der Rotor 33 ist zwischen Endplatten 41, 42 angeordnet. Die Endplatte 42 hat eine Vielzahl von im Winkel gegeneinander versetzten Öffnungen 43, durch welche Druckluft vom Verdichter 12, die durch die Leitungen 15, 16 zum Druckaustauscher 32 strömt, in die Zellen 40 eintreten kann. Der Druckaustauscher 32 ist ein Druckaustauscher mit Strömungsumkehr, wobei die in die Zellen 40 durch die Öffnungen 43 einströmende Luft innerhalb der Zellen in ihrer Strömungsrichtung umgekehrt wird und aus diesen Zellen durch eine Vielzahl von Öffnungen 44 ausströmt, 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 Druckaustauschers 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-Druckaustauscherverwendet.DieserDruck- austauscher 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 15^4 in die Zellen 4OA einströmen kann. Die Strömungsrichtung der Luft wird jedoch in den Zellen 40 A 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 A angeliefert, wobei diese Öffnungen 73 in der Endplatte 62 abwechselnd mit den öffnungen angeordnet sind.

Die durch die Zellen 40^4 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 21A, 23/1 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 21/4, 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)

Patentansprüche:

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 Druckaustauschers 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 Turbineneintrittsseite 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