DE2628326C3 - Gasturbinenanlage, insbesondere für Kraftfahrzeuge, wie Ackerschlepper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage, insb. für Kraftfahrzeuge, wie Ackerschlepper, bei der entlang einer zentralen Achse in allgemeiner Durchströmrichtung der Gasturbinenanlage hintereinander ein einstufiger Radialverdichter mit radialer Abströmung, eine einzige, mit diesem direkt gekuppelte, radial von außen angeströmte Turbinenstufe mit axialer Abströmung sowie ein Wärmeübertrager, der von den heißen Abgasen in abweichender Richtung von der Richtung der komprimierten Luft axial durchströmt wird, angeordnet sind. Eine solche Gasturbinenanlage ist aus der GB-PS 7 19 775 bekannt. Bei dieser bekannten Gasturbinenanlage ist ein einstufiger Verdichter mit einer einstufigen Turbine über eine gemeinsame Welle antriebsmäßig verbunden. Die axiale Abströmseite der Turbine steht mit der der Turbine zugewandten Seite des Wärmeübertragers über einen axial gerichteten Abgasdiffusor in Verbindung, von dem aus die Abgase den Wärmeübertrager in allgemeiner Durchströmrichtung der Gasturbinenanlage axial durchströmen. Die radiale Abströmseite des Radialverdichters steht über einzelne, in Umfangsrichtung verteilte und axial weisende Diffusorrohre mit den in allgemeiner Strömungsrichtung hinteren axialen Bereich des Wärmeübertragers in Verbindung. Die Folge ist, daß die komprimierten Gase den hinteren Abschnitt radial von außen nach innen durchströmen und dann in den axial vorderen Bereich des Wärmeübertragers eintreten. Nachdem die Gase diesen radial von innen nach außen durchströmt haben, werden sie zu den Brennkammern der Turbinenstufe zurückgeführt.

Um die radialen Abmessungen dieser bekannten Gasturbinenanlage klein halten zu können, muß die Strömung der komprimierten Luft zum Wärmeübertrager und von diesem weg in mehrere in Umfangsrichtung

ίο in Abständen angeordnete Teilströme von jeweils begrenzter Umfangsausdehnung aufgeteilt werden. Dadurch kann man die in entgegengesetzten axialen Richtungen durchströmten Abschnitte der Gasturbinenanlage in Umfangsrichtung etwa auf dem gleichen Teilkreis anordnen. Dies führt jedoch zu einem sehr komplizierten Aufbau und einem relativ hohen Strömungsverlust Der Strömungsverlust wird noch erheblich durch die einfache radiale Durchströmung und die zugehörigen notwendigen Umlenkungen der komprimierten Luft im Bereich des Wärmeübertragers erhöht. Die gewünschten geringen radialen Abmessungen der bekannten Gasturbinenanlage werden somit nur unter erheblicher Einbuße an Wirkungsgrad, unter Inkaufnahme eines komplizierten Aufbaus und mit einer großen axialen Länge der Anlage erkauft.

Bei einer anderen bekannten Gasturbinenanlage (vgl. GB-PS 7 10 959) werden die heißen Abgase nach Austritt aus den vorgesehenen beiden Turbinenstufen auf wenigstens zwei sich diametral gegenüberliegende und in Umfangsrichtung stark eingeengte Strömungswege eingeschnürt. Diese Strömungswege für die heißen Abgase liegen in Umfangsrichtung auf dem gleichen Teilkreis für die ebenfalls in Umfangsrichtung verteilten Strömungskanäle für die kalte komprimierte Luft und für die erhitzte komprimierte Luft des Regenerators sowie die Brennkammern. Es liegen hierbei somit auf dem gleichen radialen Bereich über den Umfang verteilt mindestens sechs verschiedene Gasphasen vor, denen unterschiedliche Strömungskanä-Ie zugeordnet sind. Auch dies führt zu einem sehr komplizierten Aufbau und einem hohen Strömungswiderstand.

Es ist demgegenüber Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Gasturbinenanlage der eingangs näher bezeichneten Art so weiterzubilden, daß bei guter Wärmeausnutzung und damit hohem Wirkungsgrad ein geringes Gewicht bei gleichzeitiger Verringerung auch der Abmessungen erzielt wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein ringförmiger, um die zentrale Achse drehbarer, regenerativ arbeitender Wärmeübertrager mit einem Umfangsabschnitt, der mit einem zentralen Abgasdiffusor in Verbindung steht, sowie einem anderen Umfangsabschnitt, der mit einem ringförmigen, die komprimierte Luft aufnehmenden Sammler verbunden ist, vorgesehen ist, und daß die beiden Abschnitte des Wärmeübertragers in entgegengesetzten axialen Richtungen durchströmt sind.
Für die Lösung der Aufgabe ist wesentlich die Verwendung eines rotierenden, regenerativ arbeitenden Wärmeübertragers. Ein solcher Wärmeübertrager zeigt einen sehr guten Wirkungsgrad. Zwar sind bei Gasturbinenanlagen rotierende, regenerativ arbeitende Wärmeübertrager bekannt (vgl. GB-PS 7 10 959). Die oben näher behandelte Druckschrift zeigt jedoch, daß die Verwendung eines solchen Wärmeübertragers für sich noch nicht zur Lösung der gestellten Aufgabe führt Wesentlich bei der neuen Gasturbinenanlage ist die

Anordnung des Wärmeübertragers in der aufgezeigten Weise, so HaR sich besonders einfache geradlinige und vor allem kurze Strömungswege für alle an dem Verbrennungsvorgang beteiligten Gase ergeben. In allgemeiner Durchströmrichtung gesehen wird der regenerativ arbeitende Wärmeübertrager von den heißen Abgasen in axialer Gegenströmung durchströmt Die Folge ist daß der Wärmeübertrager der Turbinenstufe axial wesentlich näher als bei der bekannten Gasturbinenanlage gerückt werden kann. Dies führl zu einer Veriingerung der axialen Gesamtlänge der Gasturbinenanlage. Vor allem erhält man dadurch eine entscheidende Verkürzung der Strömungswege für die komprimierte Luft vor deren Eintritt in die Turbinenstufe. Die Austrittsseite des Radialverdichters kann mit der diesem zugewandten axialen Eintrittsseite des Wärmeübertragers durch einen Sammler von geringer axialer Länge verbunden sein. Dieser kann sich über den gesamten Umfang der Abströmseite des Radialverdichters erstrecken und daher die verdichtete Luft ohne Strömungsverluste aufnehmen und unmittelbar hinter der Turbinenstufe der unteren Hälfte des rotierenden, regenerativ arbeitenden Wärmeübertragers zuführen. Die komprimierte Luft gelangt damit ohne nennenswerten Strömungsverlust und ohne nennenswerten Druckverlust zu dem Wärmeübertrager. Hinter diesem kann die Luft aufgenommen und wieder über den gesamten Umfang verteilt werden. Sie gelangt nach nur einmaliger Umlenkung auf ebenso kurzem Wege direkt zu den Brennkammern der einstufigen Turbine. Die Anordnung des Abgasdiffusers und des ringförmig;n, die komprimierte Luft aufnehmenden Sammlers un zentraler Stelle der Gasturbinenanlage führt zu einer optimalen Ausnutzung des Innenraums des regenerativ arbeitenden Wärmeübertragers, so daß trotz Verwendung eines rotierenden Wärmeübertragers die Gasturbinenanlage auch in radialer Richtung außerordentlich kompakt gehalten werden kann. Zu diesem Zweck kann vorteilhafterweise die komprimierte Luft in allgemeiner Durchströmrichtung durch den unteren Umfangsabschnitt des Wärmeübertragers geführt und in Gegenrichtung durch eine zentrale Öffnung des Wärmeübertragers auf den Umfang der Brennkammern verteilt werden. Dabei ergibt sich eine besonders kompakte Anordnung, wenn der Abgasdiffusor die zentrale öffnung des Wärmeübertragers unter Begrenzung eines ringförmigen Abströmkanals für die erwärmte komprimierte Luft axial durchdringt

Die neue Gasturbinenanlage ist besonderi kompakt und weist nur ein geringes Gewicht auf. Sie ist daher besonders als Antriebsmaschine für Kraftfahrzeuge, wie Ackerschlepper, geeignet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer allgemein mit 600 bezeichneten Gasturbinenanlage nach der Erfindung näher erläutert.

Die Gasturbinenanlage 600 weist entlang einer zentralen Achse in allgemeiner Durchströmrichtung hintereinander einen einstufigen Radialverdichter 602 mit radialer Abströmung, eine einzige, mit diesem direkt gekuppelte, radial von außen angeströmte Turbinenstufe 604 mit axialer Abströmung sowie einen Wärmeübertrager 606 auf. Die gemeinsame zentrale Achse dieser Teile ist mit 608 bezeichnet Der Radialverdichter 602 und die Gasturbinenstufe 604 sind im dargestellten Beispiel gemeinsam auf der einzigen Welle 610 angeordnet, die um die Achse 608 mit Hilfe der Lager 612, 614 und 616 drehbar abgestützt ist Die zentrale Welle €10 ist über ein entsprechendes Reduziergetriebe 620 mit einer Ausgangswelle 622 und Zusatzaggregaten, wie einer Starteinrichtung 624, einer Kraftstoffzuführungseinrichtung 626 und einem Stromerzeuger 628 verbunden.

Dem Radialverdichter 602 strömt die Frischluft radial von außen durch Lufteinlaßöffnungen 630 zu, die außen am Umfang der Gasturbinenanlage 600 verteilt angeordnet sind. Die verdichtete Luft gelangt von dem Radialverdichter in radialer Abströmung durch einen Hochdruckdiffusor 632, der den radialen Auslaß des Verdichters konzentrisch umgibt Von dem Hochdruckdiffusor 632 wird die komprimierte Luft von einem Sammler 634 aufgenommen, der mit seiner Eintrittsseite den Hochdruckdiffusor 632 konzentrisch umschließt Der Sammler 634 führt die komprimierte Luft in allgemeiner Durchströmrichtung durch den unteren Umfangsabschnitt der Gasturbinenanlage. Hierbei gelangt die komprimierte Luft in allgemeiner Durchströmrichtung durch den unteren Umfangsabschnitt eines ringförmigen, um die zentrale Achse 608 drehbaren, regenerativ arbeitenden Wärmeübertragers 606. Hinter dem Wärmeübertrager ist ein ringförmiger Abströmkanal 630 für die erwärmte, komprimierte Luft vorgesehen. Dieser ring'örmige Abströmkanal 636 wird durch einen 2 entral vorgesehenen Abgasdiffusor 638 begrenzt, der unter Belastung eines Ringspaltes die zentrale Öffnung des Wärmeübertragers 606 durchdringt. Über den ringförmigen Abströmkanal 636 gelangt die erwärmte, komprimierte Luft in axialer Gegenrichtung auf den Umfang der Brennkammern 640.

Die Gase aus den Brennkammern 640 strömen radial von außen die Turbinenstufe 604 an und verlassen diese in axialer Abströmrichtung durch den AbgasdiffuEor 638. Zwischen den Brennkammern 640 und dem radialen Turbineneinlaß sind Leitbleche 642 angeordnet. Am Abströmende des Abgasdiffusors 638 werden die heißen Abgase nach oben abgelenkt und durch den oberen Umfangsabschnitt des Wärmeübertragers 606 entgegen der allgemeinen Durchströmrichtung in einen Sammler 644 geieilet, von dem die abgekühlten Abgase durch den radial nach oben gerichteten Abgasauslaß 646 ins Freie geleitet werden. Der drehbare, regenerativ arbeitende Wärmeübertrager 606 ist in üblicher Weise gelagert und wird λόπ seinem äußeren Umfang her angetrieben (nicht gezeigt).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Gasturbinenanlage, insb. für Kraftfahrzeuge, wie Ackerschlepper, bei der entlang einer zentralen Achse in allgemeiner Durchströmrichtung der Gasturbinenanlage hintereinander ein einstufiger Radialverdichter mit radialer Abströmung, eine einzige, mit diesem direkt gekuppelte, radial von außen angeströmte Turbinenstufe mit axialer Abströmung sowie ein Wärmeübertrager, der von den heißen Abgasen in abweichender Richtung von der Richtung der komprimierten Luft axial durchströmt wird, angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger, um die zentrale Achse (608) drehbarer, regenerativ arbeitender Wärmeübertrager (606) mit einem Umfangsabschnitt, der mit einem zentralen Abgasdiffusor (638) in Verbindung steht, sowie einem anderen Umfangsabschnitt, der mit einem ringförmigen, die komprimierte Luft aufnehmenden Sammler (634) verbunden ist vorgesehen ist, und daß die beiden Abschnitte des Wärmeübertragers (606) in entgegengesetzten axialen Richtungen durchströmt sind.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die komprimierten Gase in allgemeiner Durchströmrichtung durch den unteren Umfangsabschnitt des Wärmeübertragers (606) führbar und in Gegenrichtung durch eine zentrale Öffnung des Wärmeübertragers (606) auf den Umfang der Brennkammern (640) verteilbar sind.

3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasdiffusor (638) die zentrale Öffnung des Wärmeübertragers (606) unter Begrenzung eines ringförmigen Abströmkanals (636) für die erwärmte, komprimierte Luft axial durchdringt und die heißen Abgase durch den oberen Umfangsabschnitt des Wärmeübertragers (606) leitbar sind.