DE2422362A1

DE2422362A1 - Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE2422362A1
Application number: DE2422362A
Authority: DE
Inventors: Arthur Henry Lefebvre; Samuel Bernard Reider; Harold Lee Stocker; Jerry Gene Tomlinson
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1973-08-27
Filing date: 1974-05-06
Publication date: 1975-03-27
Also published as: DE2422362B2; JPS5395004U; US3877221A; FR2245855B1; IT1011411B; CA993668A; DE2422362C3; GB1425438A; FR2245855A1; JPS5045111A

Description

¹ ■"■-" ■>

UH-i'--³ V/Vh-3042

6.5.74

General Motors Corporation, Detroit, Mich., V.St.A.

Gas turblnentrlebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk, bestehend aus einem Verdichter mit einem ringförmigen axialen Auslass, einem ringförmigen Treibgaserzeuger mit einer inneren und einer äusseren Wand, wobei stromaufwärts liegende in Strömungsriciitung divergierende Teile dieser Wände zusammen mit einer zwischen Ihnen liegenden Brennkammer einen am Verdichterauslass beginnenden Diffusorabschnitt begrenzen, und die Brennkammer eine stromaufwärtige Stirnwand und innere: und äussere Kantelflächen mit Öffnungen zum Luftdurchtritt aufweist und in dem Diffusorabschnitt ein Diffusor liegt, der am stromaufwärtigen Ende der Brennkammer mit einer äusseren Wand vom Rüssel des Diffusors zur Aussenwand der Brennkammer und mit einerinneren Wand vom Rüssel des Diffusors zur Innenwand der
Brennkammer verbunden ist und die Wände des Diffusors Diffusions-

509813/0282

strömungswege zu den Wänden der Brennkammer begrenzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgegebene Aufteilung der Luft auf die einzelnen Strömungswege zum Treibgaserzeuger unbeeinflusst von Änderungen der Betriebsbedingungen, die die Druckverteilung über den Auslassquerschnitt des Verdichters ändern, aufrecht zu erhalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass an dem Rüssel des Diffusors ein ringförmiger Einlass neben dem Verdichterauslass angeordnet ist und auf einem mittleren Radius des Diffusoiauslasses einen Diffusionsstrom zur stromaufwärtigen Stirnwand der Brennkammer leitet, von dem ein Teil in den Strom zur Innenwand der Brennkammer abgeleitet wird.

Die erfindungsgemässe Ausbildung ist zum Betrieb mit hohen Lufteintrittsgeschwindigkeiten und breiten Betriebsbereichen geeignet und ermöglicht das Einhalten eines hohen Verdichterdruckes und eines geringen Druckabfalls im Treibgaserzeuger. Eine lokalisierte Trennung der Luftströme wird verhindert, so dass sich eine günstige Verbrennungsverteilung ergibt. Hierbei ist der Treibgaserzeuger verhältnismässig unempfindlich gegen Änderungen der Druck- und Geschwindigkeitsverteilung am Auslass des die Luft zum Treibgaserzeuger fördernden Verdichters.

-5-

509813/0282

Vorteilhafte v/eitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines Gasturbinentriebwerkes nach der Erfindung dargestellt. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen Teilschnitt durch ein Gasturbinentriebwerk im Bereich des Treibgaserzeu-.gers und
Fig. 2 einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig.l.'

Das in Fig. 1 nur zum Teil dargestellte Gasturbinentriebwerk ist ein übliches axial durchströmtes Gasturbinentriebwerk 2, in dem hintereinander geschaltet ein Axialverdichter 3, ein Treibgaserzeuger 4 und eine Turbine 6 angeordnet sind. Von dem Verdichter ist nur das Auslassende dargestellt und von der Gasturbine nur ein Teil des Düsenkranzes 7, durch den die Brenngase der Turbine zugeleitet v/erden. In bekannter Weise ist die Turbine durch eine Welle mit dem Verdichter verbunden, um diesen anzutreiben, damit verdichtete Luft in den Treibgaserzeuger gefördert wird. In der so verdichteten Luft wird in einer Brennkammer Brennstoff verbrannt, worauf die Brenngase der Turbine zugeleitet werden, die den Verdichter antreibt. Hutzleistung kann über eine mit der Turbine verbundene Welle abgenommen werden oder als Schub der durch eine Düse aus-

-4-509813/0282

gestossenen Treibgase, nachdem diese die Turbine durchströmt haben. Der allgemeine Aufbau derartiger Triebwerke ist bekannt, so dass eine nähere Beschreibung entbehrlich ist.

Der Treibgaserzeuger 4 hat eine äussere Wand 8 und eine innere Wand 9, die einen Ringraum begrenzen, der sich vom Auslass des Verdichters zum Einlass der Turbine erstreckt. Die Verbrennung findet in einer ringförmigen Brennkammer 10 statt, die zwischen der äusseren und inneren Wand des Treibgaserzeugers angeordnet ist. Die Brennkammer 10 hat eine äussere Wand 11 und eine innere Wand 12, die im wesentlichen zylindrisch und schwach geneigt ausgebildet sind. Durch die äusseren Wände 8 und 11 wird ein Luftkanal 13 bestimmt, während durch die inneren Wände 9 und 12 ein Luftkanal 14 begrenzt wird. Die Brennkammer 10 hat ferner eine ringförmige stromaufwartige · Stirnwand 15, die die innere und äussere Wand 11 und 12 miteinander verbindet. An Stutzen 18 sind Brennstoffdüsen 16 befestigt, wobei die Stutzen 18 durch die äussere Wand 8 des Treibgaserzeugers hindurchgeführt sind. Im Ausführungsbeispiel sind über den Umfang der Brennkammer mit gleichem Abstand voneinander 16 Brennstoffdüsen vorgesehen.

Die stromabwärtigen Enden der Luftkanäle 13 und 14 sind durch Wände 19 bzw. 20 weitgehend verschlossen, so dass sie nur den Durchstrom von etwas Kühlluft für die Turbine gestatten.

509813/0282

Der mehrstufige Axialverdichter enthält

eine Schlußstufe 22, hinter der zwei Reihen von Auslassleitt
schaufeln 23 vorgesehen sind. Der Verdichter liefert verdichtete

■Luft in axialer Richtung: zum Treibgaserzeuger, insbesondere

' durch die vordere Stirnwand der Brennkammer und durch.die Luft-

jkanäle 13 und 14.

Die Verteilung der Luft auf diese Strömungs-I
iwege wird durch einen Diffusor 24 bewirkt, der im einzelnen

j in Fig. 2 dargestellt ist. Der Diffusor hat eine Aussenwand 26

aus Metallblech, deren stromabwärtiger Rand den vorderen Teil der Aussenwand 11 der Brennkammer überdeckt und mit diesem verschweisst ist. Das stromaufwärtige Ende der Aussenwand 26 des Diffusors ist mit einem Ring 27 verschweisst, der die äussere Begrenzung eines ringförmigen Lufteinlasses 28 bildet. Die innere Begrenzung dieses Lufteinlasses 28 wird durch einen Ring 30 bestimmt. Die beiden Ringe sind durch Über den Abstand verteilte Abstandsstücke 31 miteinander verbunden. Eine Innenwand 34 des Diffusors besteht aus einem stromaufwärtigen Teil 32, der mit der Rückseite des Ringes 30 verbunden ist und einem stromabwärtigen Abschnitt 35, dessen stromabwärtigea Ende den vorderen Teil der Innenwand 12 der Brennkammer überdeckt und mit diesem verschweisst ist. Die Abschnitte 32 und 35 der Innen-

-6-

509813/0282

wand 34 des Diffusors überlappen sich mit Abstand, so dass ein Verbindungskanal 36 entsteht. Die beiden Abschnitte werden im richtigen Abstand durch Abstandsstücke 38 gehalten, die über den Umfang verteilt vorgesehen sind. Die Wände 26 und 34 begrenzen einen verhältnismässig grossen .Raum 39, dem Luft durch einen divergierenden Diffusorkanal 40 zwischen den Ringen 27 und 30 zugeleitet wird. Die Ringe 27 und 30 können als Rüssel 42 des Diffusors angesehen werden. Dieser Rüssel 42 erstreckt sich bis dicht an den Auslass des Verdichters, also liegt dicht neben den Auslassleitschaufeln 23 und dient dazu, die vom Verdichter gelieferte Luft in drei Teile aufzuteilen. Ein Teil der Luft fliesst durch den Diffusorfeanal 40, ein zweiter Teil durch einen äusseren Diffusorkanal 43 zwischen der Aussenwand 8 des Treibgaserzeugers und der Aussenwand 26 des Diffusors zum Luftkanal 13, während ein dritter Strom durch einen inneren Diffusorkanal 44 zwischen den Wänden 30, 32 und 35 und der Innenwand 9 des Treibgaserzeugers zum Luftkanal 14 geleitet wird.

Die Ablsttitzung des Diffusors 24 und des vorderen Endes der Brennkammer 10 sind für die Erfindung unwesentlich, sie kann aber durch über den Umfang verteilte nicht dargestellte Streben erfolgen, die sich vor dem Rüssel 42 zwischen den Wänden 8 und 9 des Treibgaserzeugers erstrecken, wobei

509813/0282

entsprechende Ausschnitte zur Aufnahme der Streben vorgesehen sind.

Die Aussenwände 11 und die Innenwände 12 der Brennkammer 10 sind gleich ausgebildet. Jede dieeer Wände besteht aus einer Anzahl von sich überlappenden Schüssen, zwischen denen . schmale Schlitze gebildet sind. Durch diese {jjchlitze tritt Luft, die Konvektionskühlung der Brennkammerwände bewirkt und dann über die erhitzte Fläche als Film weiterströmt. Primärbrennluft wird durch Löcher nahe dem stromaufwärtigen Ende der Brennkammer entsprechend den Pfeilen 45 zugeleitet. Sekundär- oder Zumischluft tritt durch weiter stromabwärts liegende Löcher entsprechend den eingereichten , Pfeilen 46.in die Brennkammer. Etwas Primärbrennluft wird : durch die Brennstoffdüsen 16 zugeleitet, die der Zerstäbung des Brennstoffes dient. Zusätzliche Luft wird ferner durch die vordere Stirnwand zugeleitet und umströmt die Kanten von Prallblechen 47 sowie die äussere und innere Wand, um einen ■ Film von Kühlluft für das stromaufwärtige Ende der Brennkammer ι zu bilden. Die so zugeführte Kühlluft wird später der primären ; Brennluft zugefügt; sofern sie nicht bereits zur Gemischbildung verwendet ist, wird sie schliesslich als Beimischluft verwendet, Die bauliche Ausgestaltung der vorderen Stirnwand und der Wände der Brennkammer kann im übrigen in beliebiger Weise

-8-509813/0282

erfolgen. Wie Pig. 2 zeigt, hat der Stutzen 18 einen Umfangsflansch 50, der mit etwas Spiel durch ein Loch 51 in der Aussenwand 26 des Diffusors tritt. Ein napfförmiger Ring 52 aus Metallblech überspannt den Flansch 50 und der äussere Rand des Ringes 52 ist verschieblich zwischen der inneren Fläche der Aussenwand 26 des Diffusors und einem mit einem Flansch versehenen Haltering 54 gehalten mit der Aussenwand 26 verschweisst. Durch diese Ausbildungen sind Luftleckagen im Bereich der Stutzen 18 verhindert.

Die Erfindung ist auf die Ausbildung des Diffusors 24 gerichtet, der die Verteilung der verdichteten Luft auf die drei Strömungswege bewirkt. In einer typischen Anordnung erfolgt die Verteilung der Luft so, dass etwa 44% in den Luftkanal 13 einschliesslich h% über die Wand 19 fliessende Kühlluft für die Turbine,· k0% zum Luftkanal 14 einschliesslich etwa 6%_f die über die Wand 20 als Kühlluft zur Turbine abgeleitet werden; und etwa 16# durch die vordere Stirnwand 15 der Brennkammer strömen.

Der durch den Lufteinlass 28 und durch den Diffusorkanal 40 strömende Luftanteil beträgt"etwa 23% der Gesamt-MENGE, wobei unter normalen Betriebsbedingungen etwa 7% durch den Spalt 36 in den innenliegenden Luftkanal 14 abgeleitet werden. Der genaue Anteil der Luft, der aus dem gaum 39 durch

-S-509813/0282

die Verbindungskanäle zum innenliegenden Luftkanal 1% abgeleitet wird, ändert sich mit Änderungen der Austrittsgeschwin- j digkeit der Luft und der Druckverteilung der Luft beim Eintritt j

in den Treibgaserzeuger im Bereich der Leitschaufeln 23 des ^: ' Verdichters. Nimmt der Druck nahe der inneren Wand des Ver- ; dichters ab, so bedingt dies eine Abnahme der Luftmenge und ; ■ des Druckes im Luftkanal 14, während gleichzeitig eine Druckerhöhung zwischen dem Raum 39 und dem Auslass des inneren Diffusorkanals 44 entsteht, so dass sich ein erhöhter Luftstrom durch den Schlitz 36 aus dem Raum 39 zum inneren Luft- ! kanal 14 ergibt, wodurch- dort sowohl Druck als auch Luftmenge : erhöht werden. Auf diese Weise werden Änderungen in der Druck- und Geschwindigkeitsverteilung am Verdichterauslass ausgeglichen.

; Im Ausführungsbeispiel ist der Diffusorkanal 40

; mehr gegen daiinneren Rand des Diffusors 24 gerichtet, so dass die Luft aus ihm direkt auf den Schlitz 56 zum inneren Luftkanal 14 gerichtet ist. Infolge der grossen Erweiterung des Luftstromes beim Verlassen des Diffusorkanals 40 und dem Eintritt in den Raum 39 erfolgt eine schnelle Diffusion im Raum 39, so dass dort keine wesentlichen Geschwindigkeitseinflüsse die Verteilung der Luft durch die Brennstoffdüse 16 und die Einlasse für die Kühlluft zwischen den Prallwänden 47 und den Brennkammerwänden verändern. Es ergibt sich ein. schnell

ilO-509813/0282

strömender Strom von Luft, der über die ausseren Flächen beider Wände der Brennkammer fliesst und ein verhältnismässig

langsamer Strom der Luft ioanarhalb des Raumes 39.

Versuche mit der erfindungsgemässen Bauweise

haben gezeigt, dass der Treibgaserzeuger beträchtlich unempfindlicher gegen Änderungen des Druckes und der Geschwindigkeit am Auslass des Verdichters ist, wenn sich die Betriebsbedingungen des Triebwerkes ändern. Dies dürfte auf die Anordnung des Verbindungsschlitzes 36 von dem mittleren Strömungsweg zum inneren Strömungskanal beruhen, wodurch ein Teil des kräftigen, im mittleren Bereich des Diffusors strömenden Luftstroms zum innenliegenden Luftkanal abzweigt, der sonst von nahe der Nabe des Verdichters strömender Luft versorgt wird. Damit ist ein guter Ausgleich der Luftströmung und des Druckes in den inneren und äusseren Luftkanälen erreicht, woraus sich eine erwünschte gleichmässige Temperaturvdrteilung der in des Treibgaserzeuger gebildeten Treibgase «rgibt.

509813/0282

Claims

Patentansprüche

^ Gasturbinentriebwerk, bestehend aus einem Verdichter mit einem ringförmigen axialen Auslass, einem ringförmigen Treibgaserzeuger mit einer inneren und einer äusseren Wand, wobei stromaufwärts liegende in Strömungsrichtung divergierende. Teile dieser Wände zusammen mit einer zwischen ihnen liegenden Brennkammer einen am Verdichterauslass beginnenden Diffusorabschnitt begrenzen, und die Brennkammer eine stromaufwärtige Stirnwand und innere und äussere Mantelflächen mit Öffnungen zum Luftdruchtritt aufweist und in dem Diffusoisabschnitt ein Diffusor ibiegt, der am stromaufwärtigen Ende der Brennkammer mit einer äusseren Wand vom Rüssel des Diffusors zur Aussenwand der Brennkammer und mit einer inneren Wand vom Rüssel des Diffusors zur Innenwand der Brennkammer verbunden ist und die Wände des Diffused Diffusionsströmungswege zu den Wänden der Brennkammer begrenzen, dadurch gekennz eichnet, dass an dem Rüssel (42) des Diffusors ein ringförmiger Einlass (28) neben dem Verdichterauslass

(23) angeordnet ist und auf einem mittleren Radius des Diffu-

(40,39)

sorauslasses einen Diffusionsstrom/zur stromaufwärtigen Stirnwand (15) der Brennkammer (10) leitet, von dem ein Teil in den

-12-5098 13/0282

Strom (44,14) zur Innenwand (12) der Brennkammer abgeleitet wird.
2. Gasturbinentriebwerk nach .Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für das Ableiten eines Teils des Diffu-

i sionsstromes aus dem Einlass (28) ein sich über den Umfang erstreckender Schlitz (36) an der Innenwand (34) des Diffusors (24) vorgesehen ist.
3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Diffusor ein Druckraum (39) neben der stromaufwartigen Stirnwand (15) der Brennkammer (10) gebildet ist und ein Diffusorkanal (40) an den ringförmigen Lufteinlass (28) anschliesst, der vor der Stirnwand (15) der Brennkammer endend auf den mit in Umfangsrichtung sich erstreckenden Schlitz (36) gerichtet ist.

509813/0282

Leerseite