DE202012102965U1

DE202012102965U1 - Gasturbinenstrahlmotor

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Publication number: DE202012102965U1
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Priority date: 2012-08-07
Filing date: 2012-08-07
Publication date: 2012-09-04
Anticipated expiration: 2022-08-08

Abstract

Gasturbinenstrahlmotor mit einem auf einer Welle angebauten Luftzufuhrkompressor, mit einer rotierenden Verbrennungskammer, die mit tangential liegenden Ausblasdüsen versehen ist, und mit einem Brennstoffzuführungssystem, einer Kühlanlage und einem Zündsystem, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Verbrennungskammer mit einer geschlossenen Kühlanlage mit Kühlmetall und einem Wärmeübergang zu der zur Verbrennung zugeführten Luft in einem Wärmetauscher nach der letzten Kompressorstufe eingerichtet ist, die in Form von Hohlrotoren konstruierte Zusatzexpansionsstufen enthält, die koaxial bezüglich der Verbrennungskammer eingerichtet sind und tangential peripher angebaute Ausblasdüsen aufweisen, wobei jeder Rotor in Lagern mit der Möglichkeit einer von der Verbrennungskammer unabhängigen Rotation einstellbar ist, und dass die Rotation der Rotoren dadurch erfolgt, dass diese über ein Getriebe miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft den Maschinenbau, und zwar den Gasturbinenbau.
Es ist bekannt, dass die Gasturbinenmotoren (GTM) im Vergleich zu den Kolbenmotoren wegen des Fehlens von Rückwärtsbewegungsteilen mehr Leistung erbringen aufgrund der Masse, vorzugsweise der Drehmomenteigenschaften, der Arbeitsmöglichkeit mit verschiedenen Brennstoffarten, unabhängig von der Oktanzahl dieser Brennstoffe, vorteilhafter sind, doch leidet darunter die Verbrauchswirtschaftlichkeit der Brennstoffe. Diese wird durch einen unzureichend hohen Wärmewirkungsgrad aufgrund der Beschränkung der Turbineneingangstemperaturen (800÷900°C) wegen der unzureichenden Materialhitzebeständigkeit der Turbinenschaufeln bedingt. Die Gastemperaturabsenkung bis zu den zulässigen Grenzen in den bekannten GTM wird durch eine Luftzufuhr in größeren Mengen erreicht, die drei- bis sechsmal höher ist, als zur Brennstoffverbrennung im stöchiometrischen Verhältnis benötigt wird. (s. R. M. Jablonik „Gasturbinenanlagen",. M.: Maschgiz, 1959, S. 408 [1]). Zum Durchpumpen der überflüssigen Luft wird eine zusätzliche Leistung verbraucht. Die Erhöhung der zulässigen Arbeitstemperatur wird in bekannten Fällen durch eine Erhöhung der Turbinenschaufelhitzebeständigkeit erreicht, z. B. durch die Anwendung von wärmebeständigen Anstrichen auf der Basis von Metallkeramik oder durch eine innere Abkühlung der Turbinenschaufeln. Die besten ausländischen GTM haben eine Turbineneingangsgastemperatur von 1500°C, mit der Perspektive ihrer Erhöhung bis zu 1700°C (s. A. Sudarew, W. Tichoplaw, G. Schischow, W. Katenew „Hochtemperaturmotoren mit Verwendung von Hochtemperaturkeramik", Gasturbinentechnologien, Nr. 3, 2000). Diese Werte sind jedoch wesentlich niedriger als die Brenntemperaturen der stöchiometrischen Mischungen von Wasserstoff und Kohlenwasserstoffbrennstoffen mit der Luft, die gleich ~ 2300 K sind (sieh E. S. Schtschetinkow, „Physik des Gasbrennens", M.: Nauka, 1965, S. 740). Das heißt, es gibt potentiell noch viele Möglichkeiten der Arbeitskörpertemperaturerhöhung und daher der Erhöhung der Verbrauchswirtschaftlichkeit des Motors.
Es ist ein traditionelles Schema eines Gasturbinenmotors bekannt, dessen Turbine Arbeitsschaufeln mit einem aerodynamischen Profil aufweist. Beispiele von verschiedenen GTM-Konstruktionsausführungen sind z. B. in [1] angeführt.
Bekannt sind GTM, die eine rotierende Verbrennungskammer mit Ausblasdüsen aufweisen, die das Wellendrehmoment bilden (s. Wanejew S. M., „Wirbelstrahl- und Strahlströmungsmaschinen", Informationsblatt der Sumyer Staatlichen Universität, Nr. 10 (94), 2006, und Patent RU 052145 , IPK F02C,3/16, „Die Umwandlungsweise der Wärmeenergie in mechanische Energie im Gasturbinenmotor, und der Gasturbinenmotor (Varianten)”, A. M. Rachmailow). Die in Landfahrzeugen gebauten GTM haben relativ niedrige Leistungen und daher einen niedrigen Luftverbrauch. Der Turbinenlaufraddurchmesser ist in diesem Fall nicht groß, und die negative Wirkung der relativen Abstandsvergrößerung zwischen dem Rotor und dem Mantel steigt bei Anwesenheit der Arbeitsschaufel an, während die Turbinenwirtschaftlichkeit fällt. Der Einbau der Ausblasdüsen in der Verbrennungskammer nach dem aus dem Physikkurs bekannten Drehkreuz beseitigt diese Mängel.
Als Prototyp ist ein kombiniertes Triebwerk gewählt worden, das im Werk von W. G. Nekrasow, „Kombiniertes Triebwerk: Kfz-GTM + Motorschwungrad", Autoindustrie, 1996, Nr. 11, 1997, Nr.1 [2]) beschrieben ist. Das Triebwerk ist als Strahlturbine nach dem Drehkreuztyp konstruiert, auf dessen Außenoberfläche die Schaufeln eines zweistufigen Kreiselkompressors eingebaut sind, die gleichzeitig die Funktion der Abkühlungselemente der Verbrennungskammer erfüllen.
Die Wärmeregeneration wird in einem rotierenden Rekuperator verwirklicht, der von den Abgasen erwärmt wird und durch den die in die Verbrennungskammer zugeführte Luft strömt.
Die Nachteile der angegebenen technischen Lösung sind:

– die Lufterwärmung von der Verbrennungskammeroberfläche her im Laufe der Druckerhöhung, wodurch der Kompressionsgrad und der Wirkungsgrad des Triebwerks im Ganzen abgesenkt werden,
– die Gewährleistungsschwierigkeit eines ausreichenden Wärmeentzugs von der Verbrennungskammer infolge einer minderen Wärmeübergangszahl zur Luft,

Es ist Aufgabe der Erfindung, die GTM-Verbrauchswirtschaftlichkeit durch die Arbeitskörpertemperaturerhöhung mit einer Annäherung des Mischungsverhältnisses des Luft-Kraftstoff-Gemisches zum stöchiometrischen Verhältnis zu erhöhen sowie das thermodynamische Potenzial des Arbeitskörpers aufgrund der mehrstufigen Expansion in den Turbinenstufen besser zu nutzen.
Die gestellte Aufgabe wird im vorgeschlagenen Gasturbinenstrahlmotor gelöst, der Folgendes aufweist:

– einen Kreisel- oder Axialkompressor, dessen Rotor auf einer Welle eingebaut und an der rotierenden Verbrennungskammer festgekoppelt wird,
– ein Flüssigkraftstoffzuführungssystem mit Düsen (Zündsystem), die in der Verbrennungskammer (VK) eingebaut sind,
– einen VK-Kühlmantel mit einem Kühlmetall und einer Wärmeabgabe an die zur Verbrennung zugeführten Luft in einem Wärmetauscher nach der letzten Kompressorstufe und
– zur VK koaxial eingebaute und sie umfassende Arbeitskörperexpansionsstufen, die als Hohlrotoren mit peripherisch tangential eingerichteten Ausblasdüsen nach dem Drehkreuztyp ausgeführt sind.

Jeder Rotor ist in Lagern mit der Möglichkeit der von der VK unabhängigen Rotation einstellbar, wobei die Rotation zwischen den Rotoren selbst kinematisch über ein Getriebe erfolgt.
Das gasdynamische Schema des vorgeschlagenen Motors mit der rotierenden VK setzt eine Gasausdehnung in den sich mit Peripheriegeschwindigkeit bewegenden Düsen voraus, d. h., dass das Drehmoment vollständig durch die Rückstoßkraft der aus den tangential liegenden Düsen ausfließenden Gase gebildet wird. Es ist zweckmäßig, den Gasausfluss mit Schallgeschwindigkeit beim kritischen Druckabfall aus den nicht ausdehnbaren (Zylinder)düsen zu organisieren. Dabei werden die Wellendruckverluste im Fall des Überschallausflusses beseitigt. Es ist bekannt, dass die höchste Verbrauchswirtschaftlichkeit der GTM bei Hochdruck in der Verbrennungskammer abhängig von der Temperatur [1] erreicht wird. Die Verwendung von Düsen mit dem Schallausfluss lässt den Arbeitskörper in einer Stufe kaum vollständig ausdehnen, dafür wird eine mehrstufige Ausdehnung notwendig.
Eine weitere Ausdehnung des Arbeitskörpers in den Turbinenstufen mit traditionellen, ein aerodynamisches Profil aufweisenden Schaufeln würde zu einem niedrigen Partialgrad der Räder sowie zu großen Ventilationsverlusten führen.
Deswegen wird eine weitere Ausdehnung des Arbeitskörpers in mehreren rotierenden Kammern (Rotoren) verwirklicht, deren Stufenanzahl vom Kompressordruck abhängt. Die Rotoren sind auch peripher mit mehreren tangential eingestellten Düsen eingerichtet, die die Rückstoßkraft beim Gasausfluss und ein entsprechendes Drehmoment erzeugen. Die summarische Düsendurchflussquerschnittsfläche jeder nachfolgenden Stufe wird so gewählt, dass der berechnete Betrieb des Düsenausflusses der Vorstufe gewährleistet wird.
Die Rotationsrichtung jedes folgenden Rotors folgt in entgegengesetzter Rotationsrichtung des Vorrotors. Das Drehmoment der Rotoren wird vom Getriebe summiert und an die Zapfwelle übergeben.
In der rotierenden VK und in weiteren Expansionsstufen wird die chemische Brennstoffenergie in mechanische Arbeit umgewandelt. Deshalb entspricht der Arbeitswert der Wärmegehaltsabsenkung des Arbeitskörpers dem Energieerhaltungssatz. Das heißt, dass die Düsenausgangsgastemperatur in jeder Stufe konsequent sinken wird und die der Verbrennungskammer folgenden Stufen keine Zwangskühlung unter Berücksichtigung der Anwendungsmöglichkeit von thermostabilen Materialien benötigen werden.
Die Verbrennungskammer- und Düsenabkühlung wird durch das Kühlmetall verwirklicht. Dabei wird die Abkühlung des VK-Gehäuses und der Düsen relativ einfacher als die der Turbinenschaufeln in bekannten Anlagen erreicht. Das Wärmeablassen in die Luft erfolgt nach der letzten Kompressorstufe, was zur Erhöhung des Motorwirkungsgrads beiträgt, denn es wird in diesem Fall ein Wärmeregenerationszyklus realisiert.
Keine der angegebenen Merkmale sind in anderen technischen Lösungen beim Studieren dieser Technikbranche festgestellt worden. Daher ist diese Lösung gemäß der Erfindung neu und erfinderisch.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den 1 und 2 sind Schnittschaubilder des Motors angegeben.
Der Gasturbinenstrahlmotor enthält ein Gehäuse 1, das einen Kreiselkompressor 2 und ein Brennstoffzuführungssystem 3 in die Verbrennungskammer 4 aufnimmt. Die rotierende Verbrennungskammer 4 und die mit ihr koaxial eingebauten und umfassenden Expansionsstufen eines Arbeitskörpers 5, die als Hohlrotoren ausgeführt sind, sind peripher mit tangential eingerichteten Ausblasdüsen 6 ausgestattet. Die Verbrennungskammer ist mit einer Laufschaufeltrommel des Kompressors 2 verbunden und lässt diese Trommel rotieren. Die Brennstoffzufuhr in die Verbrennungskammer erfolgt durch Düsen 7. Jeder Rotor der Arbeitskörperexpansionsstufen wird in Lagern 8 mit der Möglichkeit einer von der Verbrennungskammer unabhängigen Rotation eingerichtet. Die Rotationsrichtung jedes folgenden Rotors erfolgt in entgegengesetzter Rotationsrichtung des Vorrotors. Die Rotation der Rotoren selbst erfolgt kinematisch über ein Getriebe 9, das das Drehmoment einer Zapfwelle 10 übergibt. Die Verbrennungskammer 4 hat einen Kühlmantel mit einem „heißen” Hohlraum 11 und einem „kalten” Hohlraum 12, wobei beide mit dem Flüssigmetall gefüllt sind. Die Hohlräume sind auf dem Kleinradius des Kühlmantels und auf dem Großradius durch Öffnungen 13 miteinander verbunden. Der Wärmeabfluss zur Umgebungsluft erfolgt in Sektoren 14 des Kühlmantels.
Der Arbeitskörperhochdruck in den sich drehenden Rotoren wird durch gleichartige Labyrinthdichtungen gehalten.
Das gesetzte Ziel der Erfindung wird beim Betrieb des Gasturbinenstrahlmotors durch Folgendes erreicht.
Die Verbrauchswirtschaftlichkeitserhöhung des Motors nach der vorgeschlagenen konstruktiven Lösung wird durch die Arbeitskörpertemperaturerhöhung in der Verbrennungskammer aufgrund der Verbrennung der zum stöchiometrischen Gehalt nächsten Luft-Kraftsoff-Gemische erreicht. Die VK-Abkühlung wird durch das Kühlmetall verwirklicht, das den Mantel füllt, der die VK-Brennzone erfasst. Die Kühlmetallzirkulation erfolgt aufgrund der Zentrifugalkräfte in Verbindung mit dem thermalen Effekt, der sich infolge der starken Abhängigkeit des Flüssigmetalls von der Temperatur zeigt.
Der Wärmeübergang des Wärmeträgers in die Eingangsluft wird nach der letzten Kompressorstufe verwirklicht, wodurch die Wärmeregeneration gewährleistet wird. Sie erhöht den Motorwirkungsgrad. Das Drehmoment wird aufgrund der Rückstoßkräfte beim Gasausfluss aus den tangential eingestellten Verbrennungskammerdüsen gebildet mit der weiteren Arbeitskörperausdehnung im mehrstufigen System der Rotoren, die auch mit den tangential eingestellten Düsen ausgestattet sind. Die nach der VK folgenden Rotoren übergeben die Nutzleistung durch das Getriebe an den Verbraucher. Die Rotoren drehen sich in Wechselbeziehung durch ein speziell ausgewähltes Übersetzungsverhältnis von Zahnradpaaren jeder Stufe, um das aus der gasdynamischen Rechnung des Motortrakts ergebene Umdrehungszahlverhältnis zu gewährleisten.
Das kinematische Schema des Motors kann entweder in Zweiwellenform ausgeführt werden, wenn die Arbeit der rotierenden Verbrennungskammer nur für den Antrieb des Kompressors und die Arbeit der nachfolgenden Stufen für den Antrieb der Verbraucher (wie oben beschrieben) gebraucht wird, oder in Form einer Welle, wenn die Arbeit der Verbrennungskammer und aller Stufen durch das Getriebe summiert wird. Von der Wahl des kinematischen Schemas hängt die Art der Belastungscharakteristik ab, die ihrerseits vom GTM-Zweck bestimmt wird.
Beispiel einer konkreten Ausführung

Es ist eine Bewertungsberechnung des Durchflusstrakts des Gasturbinenmotors auf die zu erwartende Nutzleistung von 100 kW bei der Benutzung des KW-Brennstoffs mit einem Heizwert von H_u = 42700 kJ/kg durchgeführt worden. Der berechnete Luftverbrauch betrug ~ 0,11 kg/s; die Kraftstoffbrenntemperatur in der stöchiometrischen Luftmischung wurde mit 2300 K angenommen. Unter Berücksichtigung des erreichten Kompressionsgradniveaus in einer Kompressorstufe mit 4,5–6 (s. Ed. G. Ju. Stepanow, „Panzerantriebe", M.: Voenizdat, 1991, S. 380) wird als möglich vermutet, einen allgemeinen Kompressionsgrad bis σ = 20 zu erreichen. Der Ausblasdüsenkreisdurchmesser in der Verbrennungskammer wurde mit 250 mm gewählt. Die Berechnungsergebnisse sind in der Tabelle angeführt.

	1. Stufe (Kam.)	2. Stufe	3. Stufe	4. Stufe
Temperatur K	2300	1935	1628	1370
Druck, Atm.	20	10,7	5,7	3,0
Ausflussgeschwindigkeit, m/s	870	805,0	738,4	677,4
Stufenleistung, kW	41,6	35,64	29,99	25,2
Summarische Düsendurchflussquerschnittsfläche, cm²	0,6781	1,1625	2,00	3,432
Diameter einer Düse, mm	4,64	6,1	8,0	10,5
Strahlenimpuls, N	167,3	153,2	149,8	129,2
Düsenkreisdurchmesser, m	0,25	0,30	0,35	0,40
Peripheriegeschwindigkeit, m/s	248,8	232,7	213,0	195,4
Umdrehungszahl, 1/min	19011	14813	11622	9330

Die für den Antrieb des Kompressors verbrauchte Leistung beträgt 44,9 kW. Dieser Wert ist mit der Leistung von 41,6 kW der rotierenden Verbrennungskammer vergleichbar. Deshalb ist es zweckmäßig, ein Zweiwellenmotorschema mit der Unterbrechung der Kraftwellenleitung, mit einem unabhängigen Antrieb des Kompressors von der Verbrennungskammer zu verwenden. Wie bekannt ist [2], trägt dies Schema zur Erreichung von vorteilhaften Momentwerten des Gasturbinenmotors bei. Die an den Verbraucher übergebene Nutzleistung wird der Nutzleistungssumme von zwei bis vier Stufen (Rotoren) gleich sein: N_NUTZ = 35,64 + 29,99 + 25,2 = 90,83 kW.
In der Berechnung sind der thermische Wirkungsgrad: η_t = 0,467 und der spezifische Brennstoffverbrauch pro Stunde: g_T = 0,258 kg/kW/h. Die Werte dieser Parameter sind mit den Werten für Kolbenmotoren vergleichbar.
Die Berechnung zeigt somit, dass die vorgeschlagene technische Lösung, nämlich einen GTM mit rotierenden Düsen und Verbrennungskammer, einen positiven Effekt gewährleistet, und zwar eine Verbrauchswirtschaftlichkeitserhöhung des Gasturbinenstrahlmotors. Die drehenden Rotoren mit Düsen sind im wesentlichen rotierende Raketentriebwerke, deren thermodynamische Effektivität, wie bekannt (s. A. W. Kwasnikow, „Theorie der Flüssigkeitsraketentriebwerke", L.: Sudpromgiz, 1959, S. 541 und I. I. Kulagin, „Theorie der Flugzeuggasturbinenmotoren", M.: Staatsverlag der Verteidigungsindustrie, 1955, S. 407) mit der Effektivität der Kolbenmotoren vergleichbar ist.
Liste der Informationsquellen

1. R. M. Jablonik, „Gasturbinenanlagen", M.: Maschgiz, 1959, S. 408.
2. A. Sudarew, W. Tichoplaw, G. Schischow, W. Katenew, „Hochtemperaturmotoren mit Verwendung der Hochtemperaturkeramik",. Gasturbinentechnologien, Nr. 3, 2000.
3. E. S. Schtschetinkow, „Physik des Gasbrennens", M.: Nauka, 1965, S. 740.
4. Patent 200500025, IPK F02C,3/32, „Die Umwandlungsweise der Energie und der Strahlmotor für ihre Verwirklichung”, B. M. Kondraschow.
5. Wanejew S. M., „Wirbelstrahl- und Strahlströmungsmaschinen", Informationsblatt der Sumyer Staatlichen Universität, Nr. 10 (94), 2006.
6. Patent RU 2052145 , IPK G01M,9/00, „Die Umwandlungsweise der Wärmeenergie in mechanische Energie im Gasturbinenmotor und der Gasturbinenmotor (Varianten)”, A. M. Rachmailow.
7. W. G. Nekrasow, „Kombiniertes Triebwerk: Kfz-GTM + Motorschwungrad", Autoindustrie, 1996, Nr. 11, 1997, Nr. 1, Prototyp.
8. Ed. G. Ju. Stepanow,. „Panzerantriebe", M.: Voenizdat. 1991, S. 380.
9. A. W. Kwasnikow, Theorie der Flüssigkeitsraketentriebwerke. L.: Sudpromgiz, 1959, S. 541.
10. I. I. Kulagin, „Theorie der Flugzeuggasturbinenmotoren", M.: Staatsverlag der Verteidigungsindustrie, 1955, S. 407.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

RU 052145 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

R. M. Jablonik „Gasturbinenanlagen”,. M.: Maschgiz, 1959, S. 408 [0002]
A. Sudarew, W. Tichoplaw, G. Schischow, W. Katenew „Hochtemperaturmotoren mit Verwendung von Hochtemperaturkeramik”, Gasturbinentechnologien, Nr. 3, 2000 [0002]
E. S. Schtschetinkow, „Physik des Gasbrennens”, M.: Nauka, 1965, S. 740 [0002]
Wanejew S. M., „Wirbelstrahl- und Strahlströmungsmaschinen”, Informationsblatt der Sumyer Staatlichen Universität, Nr. 10 (94), 2006 [0004]
W. G. Nekrasow, „Kombiniertes Triebwerk: Kfz-GTM + Motorschwungrad”, Autoindustrie, 1996, Nr. 11, 1997, Nr.1 [0005]
Ed. G. Ju. Stepanow, „Panzerantriebe”, M.: Voenizdat, 1991, S. 380 [0025]
A. W. Kwasnikow, „Theorie der Flüssigkeitsraketentriebwerke”, L.: Sudpromgiz, 1959, S. 541 [0028]
I. I. Kulagin, „Theorie der Flugzeuggasturbinenmotoren”, M.: Staatsverlag der Verteidigungsindustrie, 1955, S. 407 [0028]

Claims

Gasturbinenstrahlmotor mit einem auf einer Welle angebauten Luftzufuhrkompressor, mit einer rotierenden Verbrennungskammer, die mit tangential liegenden Ausblasdüsen versehen ist, und mit einem Brennstoffzuführungssystem, einer Kühlanlage und einem Zündsystem, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Verbrennungskammer mit einer geschlossenen Kühlanlage mit Kühlmetall und einem Wärmeübergang zu der zur Verbrennung zugeführten Luft in einem Wärmetauscher nach der letzten Kompressorstufe eingerichtet ist, die in Form von Hohlrotoren konstruierte Zusatzexpansionsstufen enthält, die koaxial bezüglich der Verbrennungskammer eingerichtet sind und tangential peripher angebaute Ausblasdüsen aufweisen, wobei jeder Rotor in Lagern mit der Möglichkeit einer von der Verbrennungskammer unabhängigen Rotation einstellbar ist, und dass die Rotation der Rotoren dadurch erfolgt, dass diese über ein Getriebe miteinander verbunden sind.