DE2163822A1 - Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Tel. 3044285

General· Hotors Corporation, Detroit, Mieh_s,- V_sSt,A,

gasturbinentriebwerk

Die lirfindung bezieht sich auf· ein Gasturb±n§R~ •^r-iel3Vjierk mit einen Yeräichter, einer vqn dem ¥epdiplit.er mit Lwft ve3?so2?gten_; Brennkammer mit einer Brenn * und einer Misoh^ zone,, einer den Verdichter antreibenden Turbine μ η ei einem Viärmetauscher, dessen einer Teil· von den Abgasen der Turbine durchströmt ist und dessen anderer Teil· zwischen dem Verdichter und der Brennkammer iiegt. ^;

Da derartige Gasturbinentriebwerke mit DauerverT brennung bei einem v/esentiiehen Überschuss an Luft über dem stöchiometrischen Verhaitnio arbeiten,, ergibt sich bei ihnen eine einwandfreiere Verbrennung clea Brennstoffes, so dass die

«Λ

Abgase weniger schädliche Bestandteile, wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenoxid, enthalten als Brennkraftmaschinen mit intermittierender Verbrennung, bei denen das Brennstoff-Luft-Verhältnis dem stöchiometrischen Verhältnis entspricht oder nahekommt.

Aus hier nicht zu erörternden Gründen ist es jedoch üblich, den Brennstoff nicht während des gesamten Durchstroms der luft durch den Treibgaserzeuger zuzuführen und somit eine Verbrennung mit kleinem Brennstoff-luft-Verhältnis zu erhalten. Vielmehr wird der Brennstoff nur einem kleinen Teil der Brennluft zugeführt und die restliche Luft in der Mischaone den Brenn-* gasen zugeleitet, um diese abzukühlen, bevor sie der Turbine zugeleitet werden. Die Verbrennung erfolgt hierbei mit verhältnismässig hohen Temperaturen, so dass durch Dissoziation des Stickstoffs und des Sauerstoffs der Brennluft Stickoxide ent*- stehen. Je höher die Temperatur in der Bronnzone ist, umso grosser ist die Neigung zur Bildung von Stickoxiden,

Diese Neigung wird erhöht, wenn das Gasturbinentriebwerk mit einem Wärmetauscher versehen ist, bei dem Abgaswärme an die verdichtete Luft übertragen wird. Derartige Wärmetauscher sind notwendig, um günstige Brennstoffverbräuohe zu erzielen. Durch das Vorwärmen der Brennluft wird aber eine Erhöhung der Temperatur in der Brennzone bewirkt, wodurch, wie erwähnt, die Neigung zur Bildung von Stickoxiden vergrössert wird.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu vermeiden, also eine Verringerung des Anteils an Stickoxiden in den Atigasen zu erzielen, wobei notfalls eine Verschlechterung des thermischen Wirkungsgrades oder der Brennstoffverbräuche des Triebwerks in Kauf genommen werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die durch den Wärmetauscher führende Leitung vom Verdichter zur ITisctazone der Brennkammer führt und eine zusätzliche Leitung den Verdichter unter Umgehung des Wärmetauschers mit der Brennzone der Brennkammer verbindet. Hierdurch wird trotz Ausnutzung der Abgaswärme eine Verringerung der Temperatur in der Brennzone und damit eine Verringerung der Bildung von St ic "torrid en erzielt.

Im weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einlasse zur Brennkammer für vorgewärmte Luft und für unvorgewärmte Luft voneinander getrennt angeordnet sind. Hierbei ist es zweckmässig, wenn die getrennte Anordnung der Einlasse voneinander durch die Brennkammer selbst bewirkt ist. Iiach einem weiteren Merkmal" der Erfindung ist eine Einrichtung vorgesehen, durch "die vom Betriebszustand abhängig eine Aufteilung der vom Verdichter kommenden Luft zu den beiden zur Brennkraftmaschine führenden Leitungen erfolgt* j

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In der Zeichnung ist ein Gasturbinentriebwerk nach ' der Erfindung dargestellt. Es zeigen. .

Jig. 1 eine schematiscbe Darstellung eines Gasturbinentriebwerks nach der Erfindung mit detaillierter Darstellung der Brennkammer-,

Eig. 2 einen Schnitt durch ein Steuerventil" nach der Linie 2-2 in Pig. 3 und

Pig. 3 ein Schnitt durch das Ventil nach der Linie 3-3 in Pig. 2.

Das in Pig. I dargestellte Gasturbinentriebwerk ist abgesehen von der besonderen Ausbildung der Brennkammer als übliches Gasturbinentriebwerk mit unabhängiger Futzturbine ausgebildet. Das Triebwerk enthält einen Verdichter 2, der über eine Leitung 3 verdichtete Luft, die sieh in Zweigleitungen 6 und 8 gabelt, fördert. Die Zweigleitung 6 führt unmittelbar zum Treibgaserzeuger 7. Der Treibgaserzeuger 7 hat ein äusseres Gehäuse 10, in dem eine Brennkammer 11 enthalten ist, wobei \ Luft aus dem Gehäuse in das Innere der Brennkammer übertreten ! kann. Die Brennkammer enthält einen Auslasskasten 12, aus dem Treibgase über eine Leitung 14 einer ersten Turbine 15 zugeleitet werden. Diese mit'hohem Druck arbeitende Turbine 15 treibt über eine Welle 16 den Verdichter 2 an. = i

Die Abgase der ersten Turbine 15 werden über eine Leitung 19 einer zweiten mit niedrigem Druck arbeitenden Nutzturbine 18 zugeleitet, die eine Ausgangswelle 20 des Triebwerks

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- 5. antreibt. In der Praxis werden die beiden Turbinen häufig zu einer Einheit zusammengefasst, wobei auch beide Turbinen mechanische miteinander gekuppelt mit einer einzigen Welle zum Antreiben des Verdichters und zur Abgabe der Nutzleistung versehen sind. Die Abgase der zweiten Turbine 18 v/erden über dme Abgasleitung 22 einem Wärmetauscher 23 zugeleitet, den sie in einem ersten Teil 24 durchströmen, bevor sie durch ein Auspuffrohr 26 ins Freie austreten. Der Wärmetauscher kann von beliebiger Bauart sein, beispielsweise als Drehspeicherwärmetauscher oder als Recuperator ausgebildet sein. Er dient dazu, Wärme aus den heissen, niedrigen Druck führenden Turbinenabgasen zurückzugewinnen und der verdichteten Luft vor dem ZustsDmen zum Treibgasefzeuger 7 wieder zuzuführen, so dass zur Erzielung einer vorgegebenen Temperatur der Treibgase eine geringere Brennstoffzufuhr erforderlich ist.

Die zweite Zweigleitung 8 der leitung 3 ist daher durch den Wärmetauscher 23 durch einen Teil 27 geMhrt, von dem sie über eine Leitung 28 zum Treibgaserzeuger 7 weitergeleitet v/ird.

Der Brennstoff wird von einer Brennstoffcjuelle unter Druck gesteuert durch eine Brennstoffzuleitung 30 zugeführt, in der nicht dargestellte Zumesseinrichtungen angeordnet sein können und zu einer Brennstoffeinspritzdüse 32 am stromaufwärtigen Ende der Brennkammer 11 geleitet. Die Brennstoffeinspritzdüse 32 kann mit Lufteinspritzung arbeiten, zu welchem

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Zwecke Einspritzluft über eine Druckluftleitung 34 zugeleitet •wird. Die Regelung der Brennstoffzufuhr kann in "bekanter Weise durch ein Drosselventil erfolgen, das -willkürlich durch einen Handhebel oder ein Pedal eines Fahrzeugs betätigbar ist.

Der Treibgaserzeüger 7 ist im wesentlichen von bekanntem Aufbau. Das Gehäuse IO enthält verdichtete Luft, die mit verhältnismässig geringer Geschwindigkeit durch das Gehäuse strömt und dann durch Öffnungen in der Brennkammer in das Innere der Brennkammer gelangt. Der Brennstoff wird durch die Brennstoffeinspritzdüse 32 in die luft innerhalb der Brennkammer eingespritzt und verbrannt und die gebildeten Brenngase verlassen den Ireibgaserzeuger durch die Auslasskammer 12. Die Brennkammer 11 besteht aus,einem Dom 36 und einem vorzugsweise zylindrischen Mantel 40* Die an den Dom anschliessende Hälfte des Mantels 40 kann als Brennzone angesehen werden, in der der Brennstoff verbrennt, während der stromabwärts liegende Teil die Mischzone bildet.

Der Dom 36 und der Mantel 40 der Bremmkammer sind so miteinander verbunden, dass ein PiIm von Kühlluft längs der Innenfläche des Mantels geleitet wird, wie dies bekannt ist4 Die Zuführung von Brennluft in die Brennzone der Brennkammer erfolgt durch Wirbelöffnungen 4I und 42 im Dom und kleine Öffnungen 43 im Mantel 40. Ein Kranz von grösseren Öffnungen 44 im Mantel 40 im stromabwärtigen Teil dient der Zuführung der Mischluft. Insofern entspricht die Ausbildung der Brenn-

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- 7 kammer den "bisher üblichen Bauarten.

Unterschiedlich ist jedoch die Zuleitung der vom Verdichter gelieferten Luft zum Treibgaserzeuger 7. Wie' bereits erwähnt, wird ein Teil der !Fördermenge des Verdichters .2 unmittelbar über die erste Zweigleitung 6 als Brennluft zugeleitet, während die übrige Fördermenge des Verdichters 2 durch den Wärmetauscher geleitet über die'leitung 28 dem Treibgaserzeuger zuströmt und vorwiegend als Misch- und Kühlluft verwendet wird. Zu diesem Zwecke hat das Gehäuse 10 einen zylindrischen Mantel 46, eine vordere Stirnwand 47 und eine hintere Rückwand 43. Ein Stutzen 50 in der vorderen Stirnwand dient der lagerung der Brennstoffeinspritzdüse 32 und der Zuleitung der unvorgewärmten verdichteten luft aus der Zweigleitung 6. Die hintere Stirnwand 48 umgibt mit einem ringförmigen Flansch _; 51 den Mantel 4C der Brennkammer im Bereich der Auslasskammer ; 12. Hierdurch ist die Brennkammer 11 zentri%ert. Der Dom 36 ist mit einem Deckel 52 verbunden, beispielsweise durch Schweissen, so dass ein Luftraum 54 gebildet ist. Der Deckel 52 · ist mit einem Flansch 55 in dem Stutzen 50 geführt. Der Dom 36 ! ist mit dem Mantel 40 so verbunden, dass ein ringförmiger Spalt ^; 56 gebildet wird, durch den ein Film von Kühlluft infolge der Druckdifferenz zwischen Aussen- und Innenseite der Brennkammer j • strömt und die innere Fläche des Mantels 40 gegen die heissen Brenngase schützt. Dieser Film von Kühlluft nimmt keinen wesentlichen Anteil an der Verbrennung, sondern wird zum grossen Teil

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als Zumischluft eingeführt. Schätzungsweise nimmt nur etwa 1/7 dieser Kühlluft an der Verbrennung teil.

• In dem Dom 36 sind die erwähnten Wirbelöffnungen vorgesehen, wobei eine innere Reihe von sechs Öffnungen 41 und eine äussere Reihe von zwölf Öffnungen 42 vorgesehen sind, über denen Bleche 58 so befestigt sind, dass in jedem Satz der Öffnungen der Luft eine Bewegung in TJmfangsrichtung rund um Ik die Achse des Doms in einander entgegengesetzter Richtung erteilt wird. Die durch den inneren Kranz von Öffnungen strömende luft strömt- also, in entgegengesetzter Richtung zu der durch den äusseren Kranz eintretende Luft. Diese verwirbelte Luft ist nicht vorgewärmt und bildet den wesentlichen Teil der Brennluft.

Die Brennkammer ist gegenüber bekannten Bauarten insofern abgewandelt, als an der Aussenseite des Mantels 40 ein Kasten 59 beispielsweise durch Schweissen abgedichtet befestigt ist, dessen Innenraum 62 über Löcher 43 im Mantel mit dem Inneren der Brennkammer in Verbindung steht. Der Innenraum 62 des Kastens 59 ist über abgewinkelte Rohre 60, die radial aussen am Deckel 52 befestigt sind, mit dem Luftraum 54 verbunden. Durch diese Ausbildung wird die nicht vorgewärmte Luft , j die durch die Wirbelöffnungen 41 und 42 und die Öffnungen 43 in die Brennkammer strömt, von der vorgewärmten Luft getrennt. Der übrige Teil.der Brennkammer ist der vorgewärmten Luft, die

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durch die !Leitung 28 zuströmt ausgesetzt. Diese ist an einem Plansch 63 an der Mantelfläche des Gehäuses 10 "befestigt, also unmittelbar in Verbindung mit dem Luftraum 64. zwischen dem . Gehäuse 10 und der Brennkammer 11, der über den Spalt 56 und die grossen löcher 44 mit dem Inneren der Brennkammer 11 verbunden ist.

Da, v/ie erwähnt, das Umgehen des Wärmetauschers den Wirkungsgrad des Triebwerks verringert, ist es erwünscht, diese Umgehung des Wärmetauschers nicht zu übertreiben. Es ist daher nur die durch die löcher 43 und die Wirbelöffnungen 41 und 42 zugeführte luft nicht durch den Wärmetauscher ge- '■ leitet. Es kann auch zweckmassig sein, durch einen Teil dieser ; löcher bereits vorgewärmte luft zuzuführen. In diesem Falle j ist dann eine entsprechende Ausbildung der Brennkammer zu ι

wählen, die diese Öffnungen von den unvorgewärmte luft erhal- |

.. ■ ■ !

tenden Offnungen trennt.

Im Ausführungsbeispiel ist die Anordnung so getroffen, dass der grössere Te.il der vom Verdichter gelieferten luft durch den Wärmetauscher geleitet wird und nur ein kleinerer Anteil, der für die Verbrennung des Brennstoffes ausreicht, durch die den Wärmetauscher umgehende Zweigleitung 6 geschickt wird. Die sich ergebende Absenkung der Temperatur in der Brennzone bewirkt jedoch eine merkliche Verringer-ung der Bildung von Stickoxiden.

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In der Regel sind keine besonderen Steuer- .

einrichtungen erforderlich, um die Anteile der luftzufuhr durch
die Leitungen 6 und 28 zu steuern. Da. ein leichter Druckabfall
im Treibgaserzeuger eintritt, kann dies durch den Strömungswiderstand der leitungen, beispielsweise durch deren Formgebungen, erzielt v/erden. " .. ·.

Bei stark veränderlichen Betriebsbedingungen

des Gasturbinentriebwerks ist jedoch eine gesteuerte Aufteilung ' zwischen den Zweigleitungen 6 und 8 zweckmässig. Zu diesem
Zwecke kann ein Ventil entsprechend den Fig. 2 und 3 zur Auf- , teilung der durch die leitung 3 strömenden Luft vorgesehen
sein. · '!

Dieses Tentil ist im Yerzweigungspunkt der ·!

leitung 3 zu den Zweigleitungen 6 und 8 vorgesehen und besteht \

I aus einem. Gehäuse mit einer ebenen oberen ¥and 54' und einer j unteren Wand 55^f und Seitenwänden 56', wodurch ein Abschluss i an die leitung 3 und die Zweigleitungen 6 und 8 geschaffen ist.
Eine den Strom teilende Schaufel 58 ist mit einem Schaft 59'
drehbar in den Wänden 54' und 55^! unmittelbar neben der Wand 56¹J

zwischen den Auslassen zu den Zweigleitungen 6 und 8 angeordnet.j

. ■ I

! Das eine Ende des Schaftes 59¹ ragt durch die Wand 54' und

j trägt an einer Kerbverzahnung 60' einen Steuerhebel 62·, der

j durch eine Schraube 63' gesichert ist. Das äussere Ende des
i
Steuerhebels 62» hat ein loch 64» zum Anschluss eines Steuerge-

-U-

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stänges. In dem Steuergestänge können nicht dargestellte Stellmotoren eingegliedert sein. Das Steuergestänge kann mit dem nicht dargestellten Stellhebel für die-Brennstoffzufuhr verbunden sein, um von diesem abhängig die Schaufel 58· einzustellen. Die Terstellung der Schaufel 58' kann auch in anderer Weise, beispielsweise von Steuernocken der Brennstoffzumesseinrichtung Oodgl., vorgenommen werden. Durch Aufteilung des Iiuftstromes mittels der Schaufel 58* kann der Wirkungsgrad des Gasturbinentriebwerks unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen auf bestmögliche Werte eingestellt werden.

Bei einem Gasturbinentriebwerk der beschriebenen Art fliesst unter Leerlaufbedingungen des Triebwerks etwa 10$ der gelieferten luft durch die Zweigleitung 6 und mit steigender; Brennstoffzufuhr kann eine Erhöhung dieses Anteils bis auf etwa 30$ zweckmässig sein. Bei normaler Höchstleistung wird ; vorzugsweise 20$ der Luft durch die Zweigleitung 6 geleitet, · während die restlichen 80$ in dem Wärmetauscher 23 vorgewärmt werden«,

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Claims (4)

1. - 12 Patentansprüche

   Γ 1./Gasturbinentriebwerk mit einem Verdichter,
   einer von dem Verdichter mit Luft versorgten Brennkammer mit
   einer Brenn- und einer Mischzone, einer den Verdichter antreibenden Turbine und einem Wärmetauscher, dessen einer Teil von den Abgasen der Turbine durchströmt ist und dessen anderer Teil
   zwischen dem Verdichter und der Brennkammer liegt, dadurch
   gekennzeichnet, dass die durch den Wärmetauscher.
   (27) führende Leitung (8,28) vom Verdichter (2) zur Mischzone

   (44) der Brennkammer (11) führt und eine zusätzliche Leitung (6) i den Verdichter unter Umgehtiing des Wärmetauschers mit der
   Brennzone (41,42,43) der Brennkammer verbindet.
2. 2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch

   gekennzeichnet, dass die Einlasse zui? Brennkammer (11) für vor- j

   ■ !

   gewärmte Luft (44) und für unvorgewärmte Luft (41,42,43) -.

   voneinander getrennt angeordnet sind. '

   '
3. 3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 2, dadurch '<

   gekennzeichnet, dass die getrennte Anordnung der Einlasse (41, '. 42,43.bzw. 44) voneinander durch die Brennkammer (11) selbst

   bewirkt wird (59,60). j

   ! I

   ! j

   i . -13-

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4. 4. Gasturbinentriebwerk nach einem der

   Torhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (58¹) (l^?ig. 2 und 3) vorgesehen ist, durch die vom. Betriebszustand abhängig eine Aufteilung der vom. Verdichter (2) kommenden Luft zu den beiden zur Brennkammer (1.1) führenden Leitungen (6 und 8) erfolgt.

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