DE2628401A1

DE2628401A1 - Einwellige gasturbinen-antriebsmaschine

Info

Publication number: DE2628401A1
Application number: DE19762628401
Authority: DE
Inventors: Glenn Willard Kahle; Sydney Alvin Olsen; Homer Jesse Wood
Original assignee: Deere and Co
Current assignee: Deere and Co
Priority date: 1975-06-24
Filing date: 1976-06-24
Publication date: 1976-12-30
Also published as: FR2315610A1; SE7607266L; JPS5211313A; CA1074579A; GB1533178A; SE427208B; DE2628401B2; IT1061345B; FR2315610B1

Description

Case 11002

US Ser.No. 589,7A4

Elnwellige Gasturbinen-Antrlebsmaschlne

Die Erfindung betrifft eine einwellige Gasturbinen-Antriebsmaschine mit einem einstufigen und um eine zentrale Achse antreibbaren Radialverdichter, der mit einer radial angeströmten Turbinenstufe mit axialem Austritt der Abgase gekuppelt ist.

Es sind zweiwellige Gasturbinen-Maschinen bekannt, bei denen eine erste Turbine einen Verdichter antreibt, während eine zweite Turbine mit einer getrennten Welle gekuppelt ist, von der eine Arbeitsleistung abgeleitet werden kann {vergl.kanadische PS 586,159). Ein Differentialgetriebe sowie eine Schwungradkupplung dienen dabei zur Leistungskompensation und halten den Verdichter auf einer geeigneten Arbeitsgeschwindigkeit. Ein Wärmetauscher ist axial vor der Turbine angeordnet, wobei die unter hohem Druck stehenden Gase in U-fÖrraiger Weise umgelenkt werden, um axial durch den Wärmetauscher in beiden Richxungen zu strömen, während die Abgase im wesentlichen radial nach außen durch den Wärmetauscher senkrecht zur Strömungsrichtung der Hochdruckgase geleitet werden. Es ist auch bekannt, trommeiförmige Regeneratoren als Wärmetauscher zu verwenden.

Es sind auch drehbare Regeneratoren für gasturbinen bekannt (vergl. US-PS 3 332 238). Hierbei handelt es sich jedoch ebenfalls um eine zweiwellige Gasturbine mit einem axial durchström-

609853/0387

Z. ν-» ί. \J M- KJ I

ten Verdichter und einer zweistufigen axialen Strömungsturbine. Der Regenerator ist axial vor der Maschine angeordnet. Diese Maschinen sind jedoch von außerordentlich großen Abmessungen und eignen sich nicht für den Einbau in Kraftfahrzeugen, insbesondere Ackerschlepper.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung hier Abhilfe zu schaffen und eine Gasturbinen-Antriebsmaschine zu schaffen, welche bei außerordentlich kompakter Bauweise einfache und geradlinige Strömungswege zwischen einem Verdichter der Gasturbinenstufe und einem Wärmetauscher zujschaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Wärmetauscher stromabwärts vom Verdichter mit diesem und der Turbinenstufe strömungsmäßig derart verbunden ist, daß die vom Verdichter komprimierten Gase entgegen der allgemeinen Durchströmrichtung der Turbine einen Abschnitt und die Abgase der Turbinenstufe in Durchströmrichtung einen anderen Abschnitt des Wärmetauschers axial durchströmen. Zweckmäßigerweise ist der Wärmetauscher dabei als vorzugsweise um eine zu d?r zentralen Achse etwa parallele oder mit dieser fluchtende Achse rotierend ausgebildeter Scheibengenerator vorgesehen. Zweckmäßigerweise ist zwischen der Turbinenstufe und dem Scheibenregenerator ein Radialdiffusor an den axialen Austritt der Turbinenstufe angeschlossen.

Die Anordnung eignet sich ganz besonders für eine einwellige einstufige Gasturbine. Die Antriebsmaschine läßt sich dabei in

einen üblichen Rahmen eines Kraftfahrzeuges, wie Ackerschlepper, einbauen. Die Abmessungen der Antriebsmaschine sind außerordentlich gering bei großem Wirkungsgrad. Insbesondere ergeben sich geringe Strömungsverluste wegen der geradlinigen und direkten Strömungswege. Außerdem erhält man eine besonders optimale Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Raumes. Schließlich ergibt die neue Anordnung auch wesentliche Vorteile bezüglich der Wärmeverluste, die durch geschickte Führung der verschiedenen Gase außerordentlich gering gehalten werden.

Bei dem zweckmäßigerweise einstufigen und radial arbeitenden Verdichter werden die um den Umfang austretenden, komprimierten Gase in einer zwischen dem Verdichter und der Turbine angeordneten Sammelkanal gesammelt und an· den unteren Bereich der Turbine geführt, wo diese Gase, die ein relativ geringes Volumen einnehmen über den längsten Weg nahe dem Äußeren des Maschinengehäuses zu dem Regenerator geführt werden. Die im Regenerator erwärmten und hochkomprimierten Gase warden dagegen im Schutz dieser Strömung ebenfalls im unteren Bereich der Maschine zur Brennkammer geleitet, wobei in geschickter Raumausnutzung ein Verteilergehäuse die im unteren Bereich der Maschine geführten erhitzten Gase über den Umfang der Turbinenstufe verteilt. Die Abgase werden durch einen entsprechenden Diffusor auf Atmosphärendruck gebracht und im oberen Bereich der Maschine durch einen anderen Abschnitt des Regenerators geleitet und auf kürzestem Wege abgeführt. Der Regenerator ist damit nicht nur raumsparend sondern auch strömungsmäßig günstig in Bezug auf Verdichter und Turbinen-

stufe angeordnet. Dabei können zweckmäßigerweise die Welle des Regenerators und die zentrale Welle der Antriebsmaschine miteinander fluchten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand schmematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen :

Fig. 1 eine Seitenansicht von der rechten Seite her einer Einwellen-Gasturbinenmaschine gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Antriebsmaschine nach Fig.1, wobei der Schnitt im wesentlichen entlang einer senkrechten Ebene durch die zentrale Achse gelegt ist, während einzelnde Abschnitte in die Zeichenebene zur Verdeutlichung gedreht sind,

Fig. 3 eine rückwärtige Stirnansicht des Grundkörpers des Gehäuses der Waschine nach Fig.1,

Fig. 4 einen Schnitt durch die Maschine nach Fig.1 mit Schnitt entlang der Schnittlinie 4-4 der Fig.2,

Fig. 5 eine vordere Stirnansicht des Hauptkörpers des Gehäuses der Maschine nach Fig.1,

Fig. 6 eine rückwärtige Ansicht des Lufteinlaßgehäuses der Maschine nach Fig.1,

Fig. 7 eine Draufsicht, teilweise weggebrochen, eines unter hohem Druck arbeitenden Diffusors, der bei der Maschine nach Fig.1 verwendet wird,

Fig. 8 einen Schnitt durch den Diffusor nach Fig.7, wobei der Schnitt entlang der Schnittlinie 8-8 gelegt ist,

Fig. 9 eine rückwärtige Stirnansicht eines zur Abstützung der Lager dienenden Gehäuses der Maschine nach Fig. 1,

Fig. 10 einen Schnitt durch das Gehäuse nach Fig. 9, wobei der Schnitt entlang der Schnittlinie 10-10 gelegt ist,

Fig. 11 eine vordere Stirnansicht des Lagergehäuses nach Fig. 9,

Fig. 12 eine rückwärtige Stirnansicht eines Regeneratorgehäuses der Maschine nach Fig. 1,

Fig. 13 eine rückwärtige Stirnansicht eines Regeneratordeckels, der bei der Maschine nach Fig. 1 verwendet wird,

Fig. I¹J einen Längsschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform der Gasturbinenantriebsmaschine gemäß der Erfindung, wobei der Schnitt entlang einer senkrechten Ebene durch die zentrale Achse gelegt ist, und

Fig. 15 einen Schnitt durch eine weitere abgewandelte Ausführungsform der Gasturbinenantriebsmaschine nach der Erfindung, wobei der Schnitt ebenfalls im wesentlichen entlang einer senkrechten Ebene durch die zentrale Achse geführt ist.

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist die Einwellen-Gasturbinenantriebsmaschine 10 gemäß der Erfindung im wesentlichen konzentrisch um eine zentrale Achse 12 angeordnet. Die Maschine 10 entwickelt annähernd 250 PS und ist dazu bestimmt, auf dem Rahmen von 22 Zoll Breite eines üblichen landwirtschaftlichen Ackerschleppers montiert zu werden. Ein Getriebekasten 1*\ ist am rückwärtigen Ende der Maschine 10 angeordnet und trägt zusätzliche Einrichtungen j wie einen elektrischen Startmotor 16, einen ölfilter 18 und ein übliches Kraftstoffsteue.rsystem 20. Das vordere Ende des Getriebskastens I¹I ist mit dem rückwärtigen Ende

609853/0387

des Hauptkörpers des Gehäuses 22 verbunden, der dreieckförmige Lufteinlaßöffnungen 24 aufweist. Ein Spiralgehäuse 26 und eine Brennkammer 28 sind am vorderen Ende des Hauptkörpers des Gehäuses 22 angeordnet. Die Brennkammer 28 ist innerhalb eines Behälters 29 (vgl. Fig. 3) auf der rechten Seite außen an der Maschine angeordnet, und zwar allgemein an der zylindrischen Umfangsfläche des Hauptgehäuses 22. Ein Regeneratorgehäuse 32, das einen aus keramischen Scheiben zusammengesetzten Regenerator 34 konzentrisch um die zentrale Achse 12 unterstützt, weist ein allgemein zylindrisches Äußeres auf, das im wesentlichen an das vordere Ende des Hauptgehäuses 22 angepaßt ist. Ein Regeneratordeckel 36 paßt auf das vordere Ende des Regeneratorgehäuses 32, um das vordere Ende der Maschine abzuschließen und einen Auslaß 38 für die Verbrennungsgase zu bilden.

Das Atmosphärengas gelangt in die Maschine 10 durch die Lufteinlaßöffnungen 24 und fließt dann durch einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden Einlaßkanal 40 in ein Einlaßgehäuse 42, wobei die Luftleitbleche oder -leitschaufeln 44 passiert werden, die den Gasen eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente geben. Die auf diese Weise gerichteten Gase gelangen zu einer Verdichtereinrichtung 46. Die verdichteten Gase verlassen die Verdichtereinrichtung 46 mit einer radial nach außen und tangential gerichteten Geschwindigkeitskomponente, welche in einem dem Hochdruckverdichter zugeordneten Diffusor 48 bezüglich ihrer kinetischen Energie in einen statischen Druck umgewandelt werden. Nachdem die

609853/0387

verdichteten Gase den Verdichterdiffusor Ί8 in allgemein radialer Richtung verlassen haben, werden sie in axialer/Richtung nach vorn geleitet und in einem Sammelraum 50 gesammelt, der sich um die Maschine 10 zwischen der Verdichtereinrichtung 46 und einer Turbineneinrichtung 52 erstreckt. Der Sammelraum 50 wird zwischen einer äußeren zylindrischen Umfangswand 54 des Hauptgehäuses 22 und einer inneren Wand 56 des Hauptgehäuses 22 begrenzt, welche sich axial nach vorn entlang dem unteren Bereich der Maschine 10 erstreckt, um einen Hochdruckkanal 58 zwischen der zylindrischen Außenwand 5*1 und dem sich axial nach vorn erstreckenden Abschnitt der inneren Wand 56 zu begrenzen. Jenseits des Hauptgehäuses 22 setzt sich der Hochdruckkanal 58 axial nach vorn entlang dem unteren Bereich der Maschine 10 fort. In diesem Bereich wird der Kanal zwischen einer äußeren zylindrischen Wand 60 des Regeneratorgehäuses 32, welche an die äußere Wand 54 angepaßt ist, und einer Trennwand 62 des Regeneratorgehäuses 32 begrenzt, die sich entlang dem unteren Abschnitt der Maschine 10 im radialen Abstand von der äußeren Wand 60 zwischen dem Regenerator 34 und der Innenwand 56 erstreckt.

Die untere Hälfte 64 des Regeneratordeckels 36, die allgemein der hälbzylindrischen Form der unteren Hälfte des Regenerators 34 entspricht, liegt an einer D-förmigen Abdichtung 66 an, die sich horizontal" quer über die Stirnseite des Regenerators 34 unmittelbar unterhalb des Nabenabschnittes 68 sowie in Umfangsrichtung über die obere Hälfte des Regenerators 34 auf der vorderen Stirn-

6 0 9 8 5 3 / Ό 3 8 7

2628AO1

seite erstreckt. Ein nach rückwärts vorspringender Flansch 70 erstreckt sich um den Umfang des Regenerators 3^ und ist an den Verlauf der zylindrischen Außenwand 60 angepaßt und liefert eine Verbindung zwischen dem Hochdruckkanal 58 und der vorderen ebenen Fläche der unteren Hälfte des Regenerators J>k. Auf der Rückseite des Regenerators 3²J ist eine 0-förmige Dichtung 72 angeordnet, welche einen horizontal verläufenden Querabschnitt aufweist, der sich gegenüber dem Querabschnitt der D-förmigen Dichtung 66 erstreckt. Die 0-förmige Dichtung 72 weist außerdem einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden Abdichtungsabschnitt auf, der um den gesamten Umfang des Regenerators 3^ verläuft, und zwar auf dessen Rückseite. Die Dichtungen 66 und 72 dienen dazu, den Scheibenregenerator 3*· unter Druck zu halten, indem der Übergang der Hochdruckgase zu dem abgedichteten äußeren zylindrischen Umfang Tk und dem unteren Abschnitt des Regenerators 3*1 eingeschränkt wird. Die Hochdruckgase können axial nach rückwärts durch die untere Hälfte des Regenerators strömen und Wärme aufnehmen, die von den Abgasen auf den Regenerator übertragen worden sind. Die auf diese Weise erhitzten Gase werden dann durch eine innere -Wand 76 zu der Brennkammer 28 geleitet. Die innere Wand 76 erstreckt sich entlang dem horizontalen Querabschnitt der Dichtung 72, um an der sich in Umfangsrichtung erstreckenden Trennwand 62 anzugreifen und somit einen Kanal 78 für heiße und unter hohem Druck stehende Gase zu bilden, durch die diese Gase axial nach rückwärts entlang dem unteren Umfang der Maschine iO geleitet werden, und zwar zwischen dem Hochdruckkanal 58 und einer Auslaß-

609853/0387

-9- 2628A01

kammer 80 für Abgase.

Eine Gassammeikammer 82 nimmt die erhitzten und unter hohem Druck stehenden Gase von dem Kanal 78 auf und verteilt diese um den Umfang der Turbineneinrichtung 52. Die Brennkammer 28 ist tangential in bezug auf das Spiralgehäuse 26 angeordnet und nimmt, die erhitzten und unter hohem Druck stehenden Gase von der Kammer 82 zusammen mit Kraftstoff von dem Kraftstoffsteuersystem 20 auf. Die Brennkammer 28 erhitzt die Gase bevor diese um die Turbineneinrichtung 52 durch das Spiralgehäuse 26 verteilt werden und bevor die Gase radial nach innen an Düsenschaufeln 84 vorbeigeleitet werden, von denen aus die Gase auf die Turbineneinrichtung 52 mit vorbestimmter Drallgeschwindigkeit auftreffen. Nach Verlassen der Turbineneinrichtung 52 in axial nach vorn weisender Richtung gelangen die Abgase durch einen radial orientierten Abgasdiffuser 86, der einen Teil der kinetischen Energie der Abgase wiedergewinnt, um die Ausgangsseite der Turbineneinrichtung 52 unter dem Druck in der Austrittskammer 80 zu halten. Wenn die Abgase den radialen Diffuser 86 verlassen, werden sie in der Abgaskammer 80 gesammelt, die zwischen dem oberen Abschnitt der äußeren Umfangswand 60 und der Innenwand 76 begrenzt wird. Von der Abgaskammer 80 gelangen die Abgase axial nach vorn durch die obere Hälfte des Regenerators 3¹J, um diesen aufzuheizen, worauf sie durch den Abgasauslaß 38 zur Atmosphäre hin abgeführt werden.

Eine anfängliche Geschwindigkeitsreduzierung wird durch ein

C- ■- ο ο co / η r> a

Planetenradgetriebe 90 erreicht, das innerhalb des Getriebekastens I¹I angeordnet ist. Dieses umfaßt ein Sonnenrad 92, das drei in gleichen Umfangsabständen angeordnete Planetenräder 9k antreibt, von denen nur ein Planetenrad 9*1 in Fig. 2 gezeigt ist. Die drei Planetenräder 9^ treiben ihrerseits einen Zahnring 96 an, der über die genutete Welle 98 eine Abtriebskraft liefert. Das Planetenradsystem 90 liefert eine Geschwindigkeitsreduzierung von annähernd 69.000 U/Min, auf 11.000 U/Min, am Zahnring 96 und der Welle 98.

Ein zusätzliches Getriebe 102 ist antriebsmäßig an den Zahnring 96 angekoppelt und überträgt das Drehmoment durch ein Reduziergetriebepaar IOM auf ein Antriebsgetriebe 106 für eine Hauptstromölpumpe IO8 und die Kraftstoffsteuereinrichtung 20. Das Kraftstoffsteuersystem 20 kann in üblicher Weise ausgebildet sein und steuert die Maschinengeschwindigkeit von einer Welle 110 aus, die durch das Antriebsrad IO6 der ölpumpe angetrieben wird, um die Zuführung von Kraftstoff zu der Brennkammer 28 in Abhängigkeit von der Maschinengeschwindigkeit, der Temperatur der Abgase und äußeren Steuersignalen zu überwachen. Ein zweites Reduziergetriebepaar 112 kuppelt das zusätzliche Getrieberad 102 an ein Antriebsrad H¹J des üblichen elektrischen Startermotors 16.

Die ölpumpe IO8 speist ein mit positivem Druck arbeitendes Schmiersystem mit öl, das in einem Sumpf II6 gesammelt wird. In dem Hauptrotorbereich II8 der Maschine werden relativ hohe

η r» ο r ο

2628AO1

türen angetroffen. Es ist daher wünschenswert, ein synthetisches Schmieröl zu verwenden, obwohl auch andere Schmierstoffe zugelassen sein können. Das unter hohem Druck stehende Schmiermittel wird nach Verlassen der Auslaßöffnung 119 der ölpumpe 108 durch ein Röhrchen 122 (von dem ein zentraler Abschnitt zur Verdeutlichung weggelassen ist) zu dem geschlossenen Ende einer Bohrung 128 geleitet, die eine Welle des Reduziergetriebepaares 10*1 aufnimmt. Das Schmiermittel, das zwischen der Bohrung und der Welle . entweicht, gelangt unter Schwerkraft wieder zu dem Sumpf 116. Der größere Anteil des Schmiermittels gelangt weiter durch Röhrchen 124 zu Lagern 126, welche den Zahnring 96 unterstützen. Außerdem wird unter Druck stehendes Schmiermittel durch Röhrchen 128 zu dem geschlossenen Ende einer Bohrung 130 geleitet, die eine Welle des zweiten Reduziergetriebepaares 112 zur Schmierung der Welle aufnimmt. Ein Röhrchen 132 leitet überschüssiges öl aus der Bohrung 130 zu einem ölfilter 18, der das öl durch einen Auslaß 13¹J an den ölsumpf 116 durch Schwerkraft zurückleitet. Das Röhrchen 132 leitet auch unter hohem Druck stehendes öl zu dem Röhrchen 136, das seinerseits eine Schmierverbindung mit den Stützlagern 138 für das Antriebsrad 114 des Startermotors liefert. Innen angeordnete ölkanäle (die nicht gezeigt sind) lassen das öl von den Lagern I38 des Startermotors zu einem ölröhrchen 1*10 gelangen, das das öl einer Stützlagereinrichtung 142 für eine Innenwelle zuleitet.

Ein Teil des Schmiermittels, das zu den Lagern 126 des Zahnringes

. 609853/0387

geleitet wird, gelangt durch sich radial erstreckende Bohrungen
146 in die zentrale Nabe des Zehnringes 96 zu einer zentralen
axialen Bohrung 147 im Zahnring oder Zahnkranz 96. Diese Bohrung liefert eine Verbindung zwischen den radialen Bohrungen 146 und
einer zentralen Bohrung 148 in der Innenwelle 144. Zwischen der
Innenwelle I¹J²J und dem Zahnkranz 96 ist ein Spiel vorgesehen, so daß das Schmiermittel die Lagerflächen zwischen diesen beiden
Elementen erreicht, welche mit unterschiedlicher Geschwindigkeit in gegenläufigen Richtungen rotieren. Das öl gelangt durch die
zentrale Bohrung 148 zu einer zentralen Bohrung 150 einer Hauptrotorwelle I52, die durch eine flexible Nut/Feder-Verbindung mit der Innenwelle l44 gekuppelt und um die zentrale Achse 12 rotierbar montiert ist. Die Hauptrotorwelle 152 unterstützt die Verdichtereinrichtung 46 und die Turbineneinrichtung 52 freitragend jeweils auf einer Seite des Lagers I56 für die Hauptrotorwelle.
Radial verlaufende Bohrungen I¹Jl in der Hauptrotorwelle 152 leiten das Schmiermittel von der zentralen Bohrung 150 in das Hauptlager 156. Nach Passieren des Hauptlagers sammelt sich das öl im Sumpfbereich I60 unterhalb des Hauptlagers 156 und gelangt durch Innenb'ohrungen (die nicht gezeigt sind) in einem Hochdruckdiffusor 58 zu einem Kanal 162, der das Schmiermittel zum ölsumpf II6 zurückleitet. Wenn das Schmiermittel den Diffusor 48 passiert,
wird Hitze von dem Diffusor 4 8 auf das öl übertragen, so daß ein außenliegendes Röhrchen zur Verbindung des Sumpfes I60 mit dem
Sumpf II6 statt Kanälen durch den Diffusor 48 bevorzugt werden
sollte. In einem vollständig getrennten Schmiermittelkühlsystem

onnotro

(nicht gezeigt) wird das Schmiermittel durch eine außenliegende ölpumpe vom Sumpf 116 durch einen ölkühler und zurück zum Sumpf Il6 gepumpt. Dieser ölkühlkreis kann in üblicher Weise ausgebildet sein und ist nicht Teil dieser Erfindung. Er dient lediglich dazu, das öl auf einer tolerierbaren Temperatur zu halten.

Aufgrund der hohen Drehgeschwindigkeiten der Innenwelle lhü und der Hauptrotorwelle 152 wird dem Schmiermittel eine sehr hohe kinetische Energie erteilt, wenn es durch die zentralen Bohrungen 1*J8 und 150 strömt. Diese hohe kinetische Energie führt zu ölströmungsgeschwindigkeiten, die nur schwierig zu kontrollieren sind. Äußere Öl verb indungen zu den Stützlagern 1*12 für die Innenwelle und den Stützlagern I56 für die Hauptwelle sind daher anstelle von ölkanälen durch die Wellenbohrungen 148,150 anzustreben.

Zusätzlich zu dem Getriebekasten I¹I sind die hauptstrukturellen und Stützmerkmale sowie die Form der Maschine IO bestimmt durch fünf Gehäuseteile, von denen ein jeder ein einstückiges Element ist. Ein Hauptgehäuseteil 22, der in Einzelheiten in den Fig. 3, H und 5 gezeigt ist, bestimmt den äußeren Mantel der Maschine im Bereich der Verdichtereinrichtung hS und der Turbineneinrichtung 52. Unmittelbar vor den dreieckförmigen Lufteinlaßöffnungen 2h weist das Hauptgehäuse 22 eine äußere zylindrische Wand 5** und eine Innenwand 56 auf, zwischen denen sieh in Vorwärtsrichtung ein Kanal 58 erstreckt, der das unter hohem Druck stehende Arbeitsgas

609853/0.3 87

von dem Hochdruckdiffusor 48 zum Generator 34 leitet. Der Raum zwischen der Verdichtereinrichtung 46 und der Turbinenrotoreinrichtung 52 wird dazu benutzt, um eine SammeIkammer 50 zu begrenzen, in der Hochdruckgase von dem Hochdruckdiffusor 48 vom gesamten Umfang der Maschine gesammelt und dem unteren Bereich der Maschine 10 zugeleitet werden, wo die Gase axial durch den Kanal 58 nach vorn geleitet werden können. Diese Anordnung vermindert die Verluste, indem eine großvolumige Kammer I60 geschaffen wird, welche es gestattet, daß die Gase in Umfangsrichtung mit relativ niedrigen Geschwindigkeiten und Verlusten bewegt werden, während die Anordnung des Kanals 58, der sich nach vorn in axialer Richtung zwischen der äußeren Wand 54 und der inneren Wand 56 erstreckt, einen großvolumigen Durchgang in Richtung auf den Regenerator 3¹I ermöglicht, ohne daß dadurch nennenswert die Maschinenbreite vergrößert wird.

Das Hauptgehäuse 22 endet am rückwärtigen Ende in einen radialgerichteten Umfangsflansch 164, der mittels Bolzen an einem sich ebenfalls radial erstreckenden Umfangsflansch I66 des Einlaßgehäuses 42 zwecks Anschluß an den Getriebekasten 14 verbunden ist.

Das Lufteinlaßgitter I68 erstreckt sich axial nach vorn von dem rückwärtigen Flansch 164 entlang eines allgemein zylindrischen Umfanges und liegt an der zylindrischen Außenwand 54 an. Zwischen dieser äußeren Wand 54 und der Innenwand 56 ist ein Kanal 170 ge-

609853/0387

bildet, der sich über den ganzen Umfang des Hochdruckdiffusors
48 erstreckt. Der Kanal oder Durchgang 170 nimmt die verdichteten Gase in radialer Strömungsrichtung,auf und lenkt die Gase axial nach vorn in Richtung auf die Sammelkammer 50 um, die als Verteiler dient, um die Gase dem unteren Bereich des Hauptgehäuses 22
zuzuführen. Hier werden die Gase in axialer Richtung auf den Regenerator 3^ durch den Hochdruckkanal 58 geleitet. Für die Kammer 50 ist vorteilhafterweise der zur Verfügung stehende Raum zwischen der Verdichtereinrichtung ^6 und der Turbineneinrichtung 52 ausgenutzt, um das in Umfangsrichtung verlaufende Volumen für die Hochdruckgase zu vergrößern und dadurch die Verluste zu verringern

Wie man am besten aus Fig. *l ersehen kann, ist das Spiralgehäuse so angeordnet, daß es die Turbineneinrichtung 52 umgibt. Die Verbrennungskammer 28 erstreckt sich tangential von der rechten Seite des Spiralgehäuses 26 aus. Das Gehäuse 29, das einstückig mit dem Hauptgehäuse 22 verbunden ist, erstreckt sich von der rechten Seite des Hauptgehäuses aus, um eine zylindrische Ausnehmung IJ^ zu bilden, in der ein üblicher perforierter Brenner 28 angeordnet ist. Eine Kraftstoffdüseneinrichtung 178 ist mit der Kraftstoffinjektionseinrichtung verbunden, um Kraftstoff durch den Boden
der zylindrischen Verbrennungskammer 2 8 einzuspritzen, wobei eine Zündeinrichtung 30 im kurzen Abstand oberhalb der Einspritzeinrichtung 178 angeordnet ist. Der Zünder 30 dient lediglich zum
Starten, während die Verbrennung kontinuierlich und selbsterhaltend während der normalen Betriebsweise der Maschine stattfindet.

Erhitzte und unter'hohem Druck stehende Gase fließen vom Regenerator J)k axial nach rückwärts durch den Kanal 78 in die Kammer 82, von der sie in die zylindrische Ausnehmung 17^ eintreten. Die Druckluft tritt durch die Bohrungen in der Brennkammer 28 in diese ein und wird dort weiter bis auf eine Temperatur von etwa 982⁰C durch das Verbrennen des Kraftstoffes erhitzt. Die erhitzten Gase werden durch den Auslaß I80 der Brennkammer 28 in ein Volumen ausgestoßen, das innerhalb eines Spiralgehäuses 184 gebildet wird. Das Spiralgehäuse 18Ί und das eingeschlossene Volumen 182 erstrecken sich in Umfangsrichtung um eine Turbinenabdeckung I86 und um Leitbleche 8^, welche Düsen bilden, um die Gase von hoher Temperatur von dem Schneckengehäuse auf die Turbineneinrichtung 52 radial nach innen zu leiten, und zwar mit einer wesentlichen tangentialen Geschwindigkeitskomponente.

Wie aus den Fig. 2 und 6 hervorgeht, ist das Lufteinlaßgehäuse *I2 am rückwärtigen Abschnitt der Maschine zwischen dem Getriebekasten 1*1 und der Verdichtereinrichtung 56 innerhalb des Hauptgehäuses 22 angeordnet. Das Einlaßgehäuse k2 weist eine allgemein scheibenförmige rückwärtige Wand I88 auf, die sich zwischen einer Nabe 19O nahe der zentralen Achse 12 und dem Flansch I66 am äußeren Umfang des Lufteinlaßgehäuses H2 erstreckt. Die Wand 188 ist auf der rückwärtigen Seite im allgemeinen flach und konzentrisch zur zentralen Achse 12, bildet jedoch auf der vorderen Seite 192 die eine Seite eines Lufteinlaßkanals kO. Nachdem die vordere Seite sich radial nach innen über eine kurze Strecke vom

ennoro

- 17 - 262840

Flansch 166 weg erstreckt, folgt sie einer glatten oder stetigen Kurve,entlang der sich die Seite in axialer Richtung nach vorn wendet, um eine Umfangsfläche zu bilden, welche im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie die Nabe am Einlaß der Verdichtereinrichtung H6 aufweist. Mehrere leitflächenförmige Stege 15¹I sind um die zentrale Achse 12 verteilt angeordnet und erstrecken sich axial nach vorwärts von der Vorderseite 192 der Wand 188 aus, um ein im Querschnitt L-förmiges Element I96 abzustützen. Dieses erstreckt sich in Umfangsrichtung um die zentrale Achse 12 und bildet eine radial verlaufende rückwärtige Wand I98 und eine äußere Umfangswand 200 für den ringförmigen Ölkanal 162. Die rückwärtige Seite der Wand I98 erstreckt sich radial nach innen und folgt dann einer stetigen oder glatten Kurve in axialer Richtung, um an die Verdichterabdeckung 238 anzuschließen. Ein sich in Umfangsrichtung erstreckender Flansch 202 umgibt die vordere Kante der äußeren Wand 200. Oet Flansch schließt an den Hochdruckdiffusor 58 und an die äußere Wand 54. des Hauptgehäuses 22 an, um das L-förmige Element I66 am vorderen Ende weiter abzustützen. Ein Rohr 20*1 mit einer kreisförmigen öffnung 206 nahe dem Boden des Einlaßgehäuses k2 dient zur Herstellung einer Verbindung zwischen dem ölkanal 162 und dem ölsumpf 116.

Das ölrohr 1^0 ist als einstückiger Teil der Wand I88 ausgebildet und leitet unter Druck stehendes öl von einer Verbindung 258 nahe dem rückwärtigen Flansch I66 zu einer Bohrung 260, die sich axial durch die Nabe 190 erstreckt. Nahe der Rückseite weist die Boh-

λ η r> ο r ο /no*'?

rung 260 einen erweiterten Abschnitt 262 auf, in den das Stützlager 1Ί2 für die Innenwelle aufgenommen wird. Eine öffnung 26¹I erstreckt sich von der erweiterten Bohrung 262 zur Rückseite der Wand I88, um aus dem Lager 1^2 austretendes öl abzuleiten. Drei Bohrungen 266 sind um die zentrale Bohrung 260 in gleichen Abständen angeordnet, und zwar in der Nähe der Nabe 19O. Sie erstrecken sich in axialer Richtung nach vorn durch die Wand I88 und nehmen die zentralen Wellen der Planetenräder 9^ auf. Drei Sacklöcher 267 sind in Umfangsrichtung in Abständen zwischen den Bohrungen 266 angeordnet, um Befestigungsbolzen zum Anschrauben der Stützeinrichtung 268 für das Planetenradgetriebe an der Rückseite der Wand 188 vorzusehen. Das Lufteinlaßgehäuse h2 dient, somit auch zur Unterstützung des Planetenradsystems 90 sowie zur Führung der in die Verdichtereinrichtung *l6 eintretenden Luft.

Wie aus den Fig. 2, 7 und 8 hervorgeht, ist der ringförmige und Kanäle aufweisende Diffusor ^8 konzentrisch um den äußeren Umfang der Verdichtereinrichtung Ü6 angeordnet, um die aus dieser austretenden Gase hoher Energie aufzunehmen. Der Diffusor ^8 weist mehrere gleiche und in gleichen Abständen angeordnete Kanäle 22k auf, die sich von der Innenumfangsfläche 226 von einem Durchmesser von etwa 15,3 cm bis zu der Außenumfangsfläche 228 mit einem Durchmesser von etwa 30,5 cm erstrecken. Mehrere axialverlaufende Bolzenbohrungen 230 sind um den Diffusor ^8 nahe der äußeren Umfangsfläche 228 verteilt und dienen zur Aufnahme von Bolzen 232

609853/0387

zur Befestigung des Diffusors 48 zwischen radialverlaufenden Flanschen 234 des Hauptlagergehäuses 236 bzw. 202 des Einlaßgehäuses 42. Eine Verdichterabdeckung 238, die an dem Lufteinlaßgehäuse 236 befestigt ist, erstreckt sich entlang des äußeren Umfanges der Verdichtereinrichtung 46 zwischen den Einlaßleitblechen 44 und dem Diffusor 48, um die Einlaßluftströmung nahe den Verdichterschaufeln zu halten. Mehrere axialverlaufende öffnungen 237 sind um den Diffusor 48 nahe der Umfangsfläche 228 angeordnet, um das öl von dem Hauptlagersumpfbereich I60 zum ölkanal 162 zu leiten. Die Kanäle 2 37 sind in Umfangsrichtung verteilt angeordnet, und zwar so, daß sie die etwa radialverlaufenden Kanäle 22 4 vermeiden.

Wie insbesondere durch den Kanal 2¹JO veranschaulicht ist, weist jeder Kanal 224 einen kreisförmigen Querschnitt, bezogen auf eine in Längsrichtung des Kanals verlaufende zentrale Achse 242, auf. Die Achse 242 verläuft tangential zur inneren Umfangsfläche 226 und trifft auf diese im Bereich des tangentialen Berührungspunktes 2¹J¹J. Zwischen dem tangentialen Berührungspunkt 2¹I¹J und. einer Ebene 2¹Jo, die von diesem Punkt auf der Längsachse 242 einen Abstand von etwa 4,1 cm aufweist, ist ein Einlaßabschnitt 248 von zylindrischer Form und einem Durchmesser von 0,71 cm vorgesehen. Zwischen einer Ebene 250, die von dem targentialen Berührungspunkt 2¹J¹J einen Abstand von etwa 5,7 cm aufweist, und der Ebene 246 ist ein konischer Diffusorbereich 252 vorgesehen, der einen gesamten Divergenzwinkel von 3° einschließt. Ein dritter Abschnitt

609853/0 3-8

255 des Kanals 2^0 erstreckt sich zwischen der Ebene 250 und einer Auslaßebene 256, die entlang der Längsachse 2^2 des Kanals von dem tangentinalen Punkt 2k*\ einen Abstand von etwa 13,9 cm aufweist. Der Abschnitt 255 ist konisch mit einem Gesamtöffriungswinkel von 6 .

Gemäß den Fig. 2,9,10 und 11 ist das Hauptlagergehäuse 236 innerhalb des Hauptgehäuses22 unmittelbar hinter der Turbinenrotoreinrichtung 52 angeordnet und durch einen nach rückwärts weisenden radialen Flansch 23*J und mit Hilfe von Bolzen 232 an dem Hochdruckdiffusor ^8 und dem Einlaßgehäuse *I2 befestigt. Das Lagergehäuse 236 weist eine äußere halbkugelschalenförmige Mantelfläche 270 auf, die einstückig mit dem Flansch 2J>k verbunden ist und nach rückwärts offen ist. Mehrere stegförmige Elemente 272 bis 277 erstrecken sich von dem halbkugelschalenförmigen Mantel 270 radial nach innen, um eine im wesentlichen zylindrische zur Unterstützung des Lagers dienende Nabe 280 zu halten, die gegenüber der zentralem Achse 12 konzentrisch angeordnet ist. Die Nabe 28O nimmt das Hauptlager I56 auf, welches die Hauptunterstützurig für die Hauptrotorwelle 152 bildet.

Ein zentraler kreisförmiger Flansch 288 erstreckt sich radial nach rückwärts über einen kurzen Abstand über den äußeren Flansch 23*1 hinaus. Der Flansch 288 ist einstückig mit den Rippen oder Stegen 272 bis 277 ausgebildet. Er weist eine äußere kreisförmige ümfangsfläche 290 auf, die an dem inneren Umfang 226 des Hoch-

609853/0367

druckdiffusors ^8 über einen kurzen axialen Abstand angreift, um eine genaue Fluchtung und Konzentrizität des Diffusors in bezug auf die zentrale Achse und die Verdichtereinrichtung kS sicherzustellen. Die Innenfläche 292 des Flansches 288 ist geringfügig größer als die Nabe 280, um jeden Konflikt mit der Hauptwelle 152 oder beim Einsetzen des Hauptlagers 156 zu vermeiden. Eine ringförmige Vertiefung oder Ausnehmung 29¹J in einer nach rückwärts weisenden Fläche 296 des Flansches 288 stellt eine Verbindung über den ganzen Umfang des Flansches 288 mit einer sich axial erstreckenden Bohrung 298 her, die sich von der Ausnehmung 29¹I durch die Rippe oder Speiche 272 sowie durch das vordere Ende des halbkugelförmigen Mantels 236 erstreckt, und zwar in einem kurzen Abstand oberhalb der Nabe 280. Die axiale Bohrung 298 trägt dazu bei, die axialen Kräfte auf die Verdichtereinrichtung k6i, die Turbineneinrichtung 52 und die Hauptwelle 152 dadurch zu vermindern, daß der Druck zwischen den Bereichen unmittelbar hinter der Turbineneinrichtung 52 und unmittelbar vor der Verdichtereinrichtung ^6 ausgeglichen wird.

Ein Lagergehäusering 300 erstreckt sich in Umfangsrichtung um den halbkugelförmigen Mantel 270 des Lagergehäuses 236 unmittelbar hinter der Turbinenrotoreinrichtung 52. Der Lagergehäusering 300 ist an Vorsprüngen 302 an dem Mantel 270 durch in Umfangsrichtung verteilte radialverlaufende kraftschlüssige Stifte 30¹J befestigt. Ein allgemein konischer Hitzeschild 306 erstreckt sich vom Lagergehäusering 300 nach hinten zum Flansch 23¹J, wo der

coco

Schild durch Bolzen 232 befestigt ist. Ein sich in Umfangsrichtung erstreckender rückseitiger Flansch 310 ist zwischen dem Lagergehäusering 300 und einer düsenartigen Einrichtung 312 befestigt, welche die Leitfläche 8¹I unterstützt. Der Flansch 310 bildet einen Abschnitt einer rückwärtigen Wand, die sich in Umfangsrichtung um die Rückseite der Turbineneinrichtung 52 erstreckt und sich radial zwischen der Düsen- oder Leitflächenanordnung 312 und einer Nabe 31^ der Turbineneinrichtung 52 in einer axialen Stellung ausdehnt, die unmittelbar hinter den Turbinensehaufeln 316 angeordnet ist. Hierdurch wird das Entweichen von Maschinengasen in einer Richtung begrenzt, die von der axialen Richtung nach vorn aus der Turbineneinrichtung 52 abweicht. Eine innere Stützplatte 318 ist an dem Flansch 310 befestigt und erstreckt sich in Umfangsrichtung um die Turbinennabe J>lk unmittelbar hinter den Schaufeln 316, um die rückwärtige Wand hinter dem Rotor zu vervollständigen. Ein weiterer Schutz von der hohen Temperatur des Rotorbereiches ist durch ein*:allgemein scheibenförmigen Hitzeschild 320 bestimmt, der hinter der Turbineneinrichtung 52 zwischen dem Flansch 310 und dem inneren Flansch 318 und dem Lagergehäuse 236 angeordnet ist, um das Hauptlagergehäuse 236 zu schützen. Eine Labyrinthdichtung 322 dient zum Abdichten des Hauptlagergehäuses 236 um die Nabe 315 des Turbinenrotors, um das Lagerschmiermittel in diesem Bereich zu halten.

Die Leitflächeneinrichtung 312 liefert einen Raum von fester axialer Länge, durch den die heißen Gase passieren müssen, wenn

809853/0387

sie das Spiralgehäuse 26 verlassen, um auf die Turbinenrotoreinrichtung 52 zu treffen. In Umfangsrichtung in Abständen um die Leiteinrichtung 212 sind mehrere Leitbleche 84 gemäß Fig. 4 angeordnet, und zwar so, daß sie den Gasströmungsbereich begrenzen und den heißen Arbeitsgasen eine im wesentlichen tangentiale Geschwindigkeit verleihen, bevor sie auf die Turbinenrotoreinrichtung 52 treffen.

Wie die Fig. 2 zeigt, umfaßt die Turbinenröhre inrichtung 52, die von üblicher Konstruktion sein kann, einen Turbinenabschnitt 330 und einen Ableitabschnitt 332, der axial oder stromabwärts von dem Turbinenabschnitt 330 auf einem axial vorspringenden schmalen Zylinder 33^ montiert ist, der integral mit der Nabe des Turbinenabschnittes 330 ausgebildet ist. Der Turbinenabschnitt 330 erstreckt sich frei tragend von der Hauptrotorwelle 152 nach vorn, Ein zylindrischer Nabenabschnitt 336, der einstückig mit der Nabe des Turbinenabschnittes 330 ausgebildet ist, erstreckt sich axial nach hinten, und zwar konzentrisch zur zentralen Achse, und weist einen zylindrischen Kanal 338 auf, der sich darin axial nach vorn erstreckt. Dieser Kanal ist ebenfalls konzentrisch zur zentralen Achse 12 und weist einen mittleren Durchmesser, der geringfügig kleiner ist als der Außendurchmesser des zylindrischen Nabenabschnittes 336, auf. Der zylindrische Kanal 338 nimmt die Hauptrotorwelle 152 auf, die allgemein rohrförmig am axial vorderen Ende ausgebildet.ist. Die Welle ist mit der Turbinenrotoreinrichtung 52 durch Elektronenstrahlschweißung verbunden. Am axial

80985 3/038

rückwärtigen Ende greift die Welle 152 an einem Nabenabschnitt eines Verdichterrotors 3^2 an, und zwar mit Festsitz, um die Verdichterrotoreinrichtung 46 an der Hauptwelle 152 zu befestigen. Die Verdichtereinrichtung 46 kann allgemein von üblicher Konstruktion sein und umfaßt im dargestellten Beispiel einen Laufradabschnitt 342 und einen Einlaufabschnitt 344, der mit Festsitz an einem zylindrischen Rohr 346 befestigt ist. Dieses ragt axial nach rückwärts von der Nabe des.Laufradabschnittes 342.

Wie aus den Fig. 2 und 12 hervorgeht, ist das Regeneratorgehäuse 32 ein allgemein zylindrisches Element mit einer äußeren zylindrischen Wand 60, die sich von der äußeren zylindrischen Wand 54 des Hauptgehäuses 22 axial nach vorn erstreckt, um an dem Regeneratordeckel 36 entlang des nach vorn weisenden radial verlaufenden ringförmigen Flansches 348 anzugreifen. Eine Zwischenwand 62 erstreckt sich axial von der Wand 56 des Hauptgehäuses 22 nach vorn, und zwar im radialen Abstand innerhalb von der Wand 60 entlang dem unteren Drittel des Umfanges des Regeneratorgehäuses 32, um den Kanal 58 zwischen der Wand 60 und der Wand 62 zu bestimmen. Ein Flansch 350 am vorderen Ende der Zwischenwand 62 unterstützt einen halbkreisförmigen Abschnitt der Dichtung 72, die am Umfang des Regenerators 34 auf der axial nach hinten weisenden Seite bis zu einem Querstück 352 angreift. Dieses Querstück des Regeneratorgehäuses 32 ist einstückig mit der inneren Wand 76 ausgebildet und trägt einen Querabschnitt der Abdichtung 72, die mit dem Regenerator 3^ in einer Stellung kurz unterhalb der Nabe 68 an-

609853/0387

262840

greift. Von dem Querabschnitt 352 erstreckt sich ein halbkreisförmiger Abschnitt 32¹I der Innenwand 76 radial nach außen und krümmt sich dann axial nach hinten, um an den konischen Abschnitt 326 der Innenwand 76 anzugreifen. Unterhalb des Querabschnittes 352 greift der konische Abschnitt 326 an dem halbkreisförmigen Abschnitt 32^ an, während oberhalb des Querabschnittes 352 der konische Abschnitt 326 an der äußeren Wand 6O angreift und einstückig mit dieser ausgebildet ist. Der konische Abschnitt 326 erstreckt sich axial nach hinten und radial nach innen, um an der äußeren Umfangsfläche der Turbinenabdeckung I86 anzugreifen und die Abgase, welche die Turbinenanordnung 52 verlassen, zusammenzuhalten und in die Abgaskammer 80 zu leiten. Eine radialverlaufende Abdichtung 353 ist zwischen einem zylindrischen und sich axial nach rückwärts erstreckenden Abschnitt des konischen Bereiches 326 und der Umfangsfläche der Abdeckung I86 vorgesehen, um die Hochdruckkammer 282 gegenüber der niederen Druck aufweisenden Abgaskammer 8O abzudichten.

Der radiale Abgasdiffuser 86 ist in bezug auf die zentrale Achse 12 konzentrisch und nahe des konischen Wandabschnittes 326 angeordnet. Ein allgemein kanalförmiger rückwärtiger Wandabschnitt 36O weist einen axial nach rückwärts laufenden zylindrischen, eingeschnürten Abschnitt 362 auf, der sich sanft in einen konischen Diffusorabschnitt 36^ erstreckt. Der eingeschnürte Abschnitt 362 weist eine lichte Weite von etwa 12,6 cm auf, während der konische Diffusorabschnitt 36¹J einen gesamten öffnungswinkel von

2628AO1

einschließt. Der rückwärtige Wandabschnitt 36O ist durch einen Flansch 366 an Ort und Stelle befestigt, der sich geringfügig radial nach außen erstreckt und über eine Rippe oder Kante 388 schnappartig greift, die sich um den inneren Umfang eines dazu passenden verengten Abschnittes eines konischen Wandbereiches 326 des Regeneratorgehäuses 32 erstreckt. Zwei im gegenseitigen Abstand angeordnete Rippen oder Stege 368,369 erstrecken sich um den inneren Umfang des konischen Abschnittes 326 an Stellungen axial vor und radial außerhalb der Rippe oder des Steges 362, und zwar in stützender Anlage mit dem konischen Diffusorabschnitt 36¹I der rückwärtigen Wand 36O. Dieser schnappartige Eingriff gestattet es, daß der rückwärtige Wandabschnitt 36O fest, aber entnehmbar an dem Regeneratorgehäuse 32 befestigbar ist, ohne daß Bolzen oder Schrauben notwendig sind, die in der Umgebung der Abgase korrodieren können oder als Ergebnis der Temperaturänderungen und Maschinenvibrationen sich lockern könnten.

Ein vorderer¹ Wandabschnitt 370 des Diffusors 86 ist an der rückwärtigen Wand 36O mittels mehrerer U-förmiger Stützglieder 372 befestigt, welche mit einer ersten Seite 37^ am Umfang des rückwärtigen Wandabschnittes 36O angeschweißt sind, während die entgegengesetzte Seite 376 an dem vorderen Wandabschnitt 370 angeschweißt ist. Zwischen diesen beiden Seiten erstreckt sich eine. Verbindungsseite 378. Die letztere liegt jeweils in einer Ebene, die sich durch die zentrale Achse 12 erstreckt. Die Abgasge-

609853/0387

schwindigkeit am äußeren Umfang des Diffusors, um den die U-förmigen Stützglieder 372 im wesentlichen in gleichen Abständen verteilt sind, ist ausreichend niedrig, so daß die Verbindungsseiten 378 nicht als Leitbleche dienen. Sie haben im wesentlichen keinen Effekt auf das Strömungsmuster der Abgase. Vom äußeren Umfang, an dem die U-förmigen Stützglieder 372 angeschweißt sind, erstreckt sich der vordere Wandabschnitt 370 entlang eines konischen Abschnittes 38O und von dort axial nach rückwärts und radial nach innen, und zwar allgemein in angepaßter Beziehung zu dem konischen Diffusorabschnitt 364 der rückwärtigen Wand 36Ο bis annähernd auf den Radius des verengten Abschnittes 362. Von dort krümmt sich der Teil sanft in einen zentralen, schalenförmigen Abschnitt 382, der nahe dem vorderen Ende des Turbinenrotorabschnittes 52 liegt. Ein scheibenförmiges Stützelement 384 mit einem Radius von annähernd 20 cm ist an dem konischen Diffusorabschnitt 38Ο an einer Stelle angeschweißt, die geringfügig radial außerhalb des Überganges des schalenförmigen Abschnittes 382 liegt, um Vibrationen und Lärmentwicklung zu vermindern. Da der konische Diffusorabschnitt 38Ο einen gesamten öffnungswinkel von nur 120 einschließt, liegt eine geringe Divergenz zwischen dem konischen Diffusorabschnitt 364 und dem konischen Diffusorabschnitt 380 vor, und zwar in einer Richtung senkrecht zu dem konischen Diffusorabschnitt 364. An einer Stelle nahe der Engeste.lle 362 besitzen die konischen Abschnitte 364 und 38Ο einen minimalen Abstand von annähernd 2 cm, welcher Abstand bis auf 2,54 cm nahe dem äußeren Umfang anwächst, wobei die Abmessungen

609853/0387

jeweils in Richtung senkrecht zu dein konischen Abschnitt 36Ί gemessen sind.

Wenn Abgase die Turbinenrotoreinrichtung 52 verlassen, unterliegen sie einer Diffusion, wenn sie zwischen den konischen Diffusorabschnitten 36¹J und 38O hindurchströmen. Durch das Fehlen von jeglichen Leitflächen in der Nachbarschaft der Turbinenrotoreinrichtung 52 in Verbindung mit der allmählichen Diffusion, die durch den radialverlaufenden Abgasdiffusor 86 erzeugt wird, erhält man einen Anstieg des statischen Druckes entlang des Strömungsweges der Abgase durch den Diffusor 86, wobei die Energie aus dem Abgasdrall und der meridionalen Geschwindigkeit wiedergewonnen wird. Da der Abgasdruck innerhalb der Abgaskammer 80 nur sehr geringfügig oberhalb des Atmosphärendruckes liegt und da ein Druckanstieg durch den Diffusor 86 erfolgt, ist der statische Druck am Auslaß der Turbinenrotoreinrichtung 52 geringfügig unterhalb des Atmosphärendruckes. Dadurch wird der effektive Druckabfall über die Turbinenrotoreinrichtung 52 vergrößert. Im Gegensatz zu
axialen Abgasdiffusoren, die notwendigerweise sehr lang sein
müssen, um eine effektive Wiedergewinnung der Geschwindigkeitskomponenten der Abgase zu erhalten, ist der radiale Abgasdiffusor 86 relativ kurz und vergrößert die Gesamtlänge der Turbinenmaschine 10 nur geringfügig, ohne die Breite oder die Höhe der
Maschine überhaupt zu vergrößern. Außerdem ist der radiale Diffusor .86 wesentlich effektiver, um die kinetische Drallenergie in statischen Druck zu verwandeln.

6098S370387

Wie aus den Fig. 2 und 13 hervorgeht, weist der Regeneratordeckel 36 einen nach rückwärts weisenden Umfangsflansch 70 auf, der mit dem vorwärts weisenden Flansch 3^8 der äußeren Umfangswand 60 des Regeneratorgehäuses 32 zusammenwirkt und verschraubt ist. Eine allgemein halbkreisförmige Wand 36O erstreckt sich zwischen dem unteren Abschnitt des Flansches 70 und einem horizontalen Querstab 392, um die Hochdruckgase in dem unteren Abschnitt des Regenerators 3^ unterhalb der Querstange oder des Querabschnittes 392 einzuschließen. Die flexible D-förmige Dichtung 66 erstreckt sich über den Querabschnitt 392 und entlang dem oberen Umfang des Flansches 7O₅ um die Hochdruckgase von dem oberen Austrittsabschnitt des Regenerators ~$k abzudichten. Ein Schaft 39¹* ist einstückig mit dem Querteil 392 und mit dem oberen Abschnitt des Flansches 70 ausgebildet, um die Abgase, welche durch den Generator J>k in axialer Richtung nach vorn gelangen, nach oben in den Auslaß 38 abzulenken.

Eine ebene Fläche 396 dient zur Aufnahme eines Regeneratormotors 398 und weist eine zentrale Bohrung 400 auf, durch die eine Motorwelle M02 greift und antriebsmäßig mit dem Regenerator 3^ von dessen zentraler Nabe aus in Verbindung steht. Während der Motor 398 in jeder geeigneten Weise ausgestaltet sein kann, z.B. als Elektromotor oder sogar als mechanisches Verbindungsgetriebe zu der Hauptrotorwelle 152, ist üblicherweise der Motor 398^aIs Hydraulikmotor ausgebildet, wenn die Maschine bei einem üblichen Ackerschlepper eingesetzt wird, bei dem normalerweise hydrau-

lische Treibmittel zur Verfügung stehen.

Diese Anordnung hat mehrere Vorteile vom Standpunkt der Effektivität des Maschinengetriebes. Die Abgase von großem Volumen und hoher Temperatur werden auf diese Weise über einen optimal direkten Weg mit den größten Querschnitten axial vorwärts durch den Regenerator 8*4 geleitet, um in die Atmosphäre zu gelangen. Nach Verlassen des Regenerators3^ werden die erhitzten Hochdruckgase durch den Kanal 78 geleitet, wo ein weiterer Wärmetausch zwischen den erhitzten Gasen und den Abgasen über die Wände 76 stattfinden kann. Dieser Temperaturaustausch steigert nicht nur weiterhin die Energie der Hochdruckgase, sondern hat auch die Neigung, die thermischen Verluste der Abgase zu vermindern, bevor diese durch den Regenerator 3^ strömen. Die relativ kühlen Hochdruckgase gelangen entlang dem Kanal 78 durch den Kanal 58 am äußeren Umfang der Maschine 10, während sie sich axial nach vorn zum vorderen Ende des Regenerators J>^ bewegen. Mit den kühlsten Gasen zur Außenseite gewandt werden die Wärmeverluste gegenüber der Atmosphäre entlang dieser Kanäle verringert. Die Maschinenanordnung gestattet außerdem relativ kurze Strömungswege für alle Arbeitsgase. Davon abgesehen sind es die Hochdruckgase von niedrigerer Temperatur und von geringerem Volumen, die den größeren Weg im Vergleich zu den Abgasen durchströmen. Die Kanäle oder Leitungen zum Führen dieser Gase können somit in ihrer Größe klein gehalten werden, da die Viskosität der Gase bei niedrigeren Temperaturen kleiner ist. Auf diese Weise werden Verluste ebenfalls verrin-

109853/0387

gert, wenn die Gase zum Regenerator J>k hin und von diesem weg transportiert werden. Außerdem gestattet diese Anordnung den Austritt der Abgase in die Atmosphäre an einer Stelle, die axial im Abstand vom Einlaß der Maschine 10 ist, um das Aufheizen der Einlaßluft durch die Abgase möglichst niedrig zu halten. Eine solche Aufheizung ist abträglich für die Maschinenausgangsleistung, die ansteigt, wenn die Einlaßlufttemperatur abnimmt.

Unter Standardtestbedingungen erzeugt die einwellige Gasturbinenmaschine 10 eine korrigierte Leistung von 238 PS und weist einen bremsspezifischen Kraftstoffverbrauch (BSFC) von 200 g pro PS χ St. auf, wobei die Maschine mit einer Drehzahl von 67.152 U/Min, arbeitet. Die Luft tritt in die Maschine durch die dreieckförmigen Einlaßöffnungen 24 unter einem Druck von 1,0 kg/cm ein, und zwar bei einer Temperatur von 15 C und einer Strömungsleistung von etwa 1.068 g pro Sek. Die Kombination der Verdichtereinheit 46, welche einen Außendurchmesser von etwa 15 cm aufweist, mit dem Hochdruckdiffusor 48 liefert ein Verhältnis zwischen dem Gesamtdruck zum statischen Druck von 6,2 : 1, wobei die Gase vom Hochdruckdiffusor 48 in Kanäle 170 und 50 mit einem Druck von 6,42 kg/cni und mit einer Temperatur von 264 C abgeleitet werden. Die Hochdruckgase werden in axialer Richtung nach vorn nahe dem Umfang der Maschine 10 auf der unteren Seite der Maschine durch Kanal 50 zur vorderen Seite des Regenerators 34 geleitet. Während sie axial nach hinten durch die untere Hälfte des Regenerators 34 strömen, erfahren die Arbeitsgase einen geringen Druckabfall

von annähernd 0,02 kg/cm", uer erforderlich ist, um die Gase durch den Regenerator zu treiben.. Beim Durchgang durch den Regenerator J)H wird die Hitze von den Abgasen auf die Hochdruckgase übertragen, so daß diese den Regenerator J>h mit einer Temperatur von annähernd *l80^oC verlassen.

Nach dem Austritt aus dem Regenerator 3¹^ gelangen die Gase entlang der Unterseite der Maschine durch den.Kanal 78, der sich zwischen den Abgasen und den unerhitzten Hochdruckgasen im Kanal 58 erstreckt, und zwar an dem radialen Abgasdiffusor 86 vorbei in die Nähe der Verbrennungseinrichtung 26. Wenn die Hochdruckgase durch den Regenerator 3^ gelangen, erfahren sie einen Abdichtungsverlust von annähernd 2,2 % der Massenströmung sowie einen Ubertragungsverlust, d.h. einen Verlust an Gas, das in den Kanälen des Regenerators 3¹* verbleibt, wenn dieser von dem unteren Hochdruckbereich in den oberen Niederdruckbereich der Abgas zone rotiert, von annähernd einem weiteren %. Die erhitzten Hochdruckgase treten daher in den Brenner 26 mit einer Massenströmungsleistung von annähernd 1.03¹I g pro Sek. ein.

Die Brennereinrichtung 26 weist einen Wirkungsgrad von annähernd 99 % auf. Die Arbeitsgase verlassen die Brennereinrichtung mit

2
einem Gesamtdruck von 6,20 kg/cm und bei einer Temperatur von 982 C (die Druckangaben sind Angaben in absolutem Druck).

Die Turbinenrotoreinrichtung 52 weist einen Außendurchmesser von

109853/0387

19,8 cm auf und nimmt eine Massenströmungsleistung an Arbeitsgas von 1.0^6 g pro Sek. bei einem gesamtadiabatischen Wirkungsgrad von 0,90 auf.

Die Arbeitsgase verlassen die Turbinenrotoreinrichtung 52 mit

ρ einem Gesamtdruck von annähernd 1,12 kg/cm absolut und einer Temperatur von 677 C. Sie gelangen durch den radialen Ab gas diffusor 86, in dem der statische Druck geringfügig auf einen Wert von 1,086 kg/cm ansteigt. Wenn die Abgase axial nach vorn durch die obere Hälfte des Regenerators ~$k strömen, erfahren sie

2 einen Druckabfall von annähernd 0,06 kg/cm und gelangen zur

2 Atmosphäre unter dem Standarddruck von 1 kg/cm absolut.

Beim Durchgang durch den Regenerator 3^ -wird die Temperatur der Abgase von annähernd 55O°C auf annähernd 333,8°C gesenkt. Der Regeneratormotor 39 8 benötigt annähe.rnd 1/2 PS, während das Getriebe I^ und das Hauptrotorlager 156 annähernd 6,2 PS unter den angegebenen Bedingungen verbrauchen.

Bei einer alternativen Anordnung, die in Fig. 1*J gezeigt ist, weist eine einwellige Gasturbinenmaschine 5 gemäß der Erfindung eine Hauptrotorwelle 502 auf, die konzentrisch zur zentralen Achse 504 angeordnet ist. Eine Verdichtereinrichtung 5O6 ist konzentrisch an der Hauptwelle 502 etwa in der axialen Mitte der Maschine angeordnet. Eine Turbineneinrichtung 508 wird frei aus-

kragend am vorderen axialen Ende der Hauptwelle 502 unterstützt. Ein vorderes Hauptlager 510 ist zwischen dem Verdichter 506 und der Turbineneinrichtung 508 angeordnet, während ein rückwärtiges Hauptlager 512 axial hinter dem Verdichter 506 vorgesehen ist, um die Hauptwelle 502 zu unterstützen, und zwar mit größerer Stabilität, als dies durch das alleinige Hauptlager I56 der Gasturbine 10 möglich ist. Eine kurze Welle Ik verbindet das rückwärtige Ende der Hauptwelle 502 mit einem Planetenradreduziergetriebe 516.

Die Eintrittsluft gelangt durch einen Lufteinlaß 518 zu dem radialen Verdichter 506. Wenn die Einlaßgase den Verdichter 506 radial verlassen, gelangen sie durch einen ringförmigen, mit Kanälen versehenen Hochdruckdiffusor 520 zu einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden Sammelkammer 522. Diese steht mit einem Kanal 52*1 in Verbindung, der sich entlang dem unteren Bereich der Maschine 500 nahe dem äußeren Umfang erstreckt bis zu der vorderen Fläche der unteren Hälfte eines Regenerators 526, der um eine Regeneratorachse 528 rotiert, die parallel und annähernd, jedoch nicht genau, in Fluchtung mit der zentralen Achse 504 angeordnet ist. Die Hochdruckgase gelangen dann axial rückwärts durch die untere Hälfte des Regenerators 526 zu einem Kanal 530, der die Gase axial nach rückwärts entlang dem unteren Bereich der Maschine 500 leitet, und zwar zwischen dem Kanal 52*1 und einer Austrittskammer 532. Die Gase gelangen zu einer Brennereinrichtung, die nicht gezeigt ist und die an dem Spiralgehäuse 53^ befestigt ist. Die Gase werden in der Brennereinrichtung erhitzt und über ein Spiral-

109853/0387

gehäuse 53^ durch eine Leitblecheinrichtung 536 verteilt, um radial nach innen auf den Turbinenrotor 508 zu treffen. Die Austrittsgase oder Abgase treten aus dem Turbinenrotor 508 in Richtung axial nach vorn aus und gelangen durch einen radial ausgerichteten Abgasdiffusor 538 zu der Auslaßkammer 532, die mit der oberen Hälfte des Regenerators 526 auf dessen axialer Rückseite in Verbindung steht. Von der Austrittskammer 532 gelangen die Abgase in axialer Strömung nach vorn durch die obere Hälfte des Regenerators 526 in die Atmosphäre.

Während, die Maschine 500 die gleichen vorteilhaften Merkmale sowie das Strömungsmuster der Maschine 10 des vorhergehenden Beispiels beibehält,, weist die Maschine 500 etwas einfachere Stützeinrichtungcoauf. Ein Einlaßgehäuse 5¹O an der Rückseite der Maschine 500 nimmt die Einlaßgase auf und verteilt diese in Umfangsrichtung um den Einlaß des radialen Verdichters 506» Das Einlaßgehäuse 5IJO stützt außerdem das Planetenradreduziergetriebe 516 und das rückwärtige Hauptlager 512. Ein Hauptgehäuse 5^2 ist mit dem vorderen Ende des Einlaßgehäuses 5¹IO verbunden und unterstützt das vordere Hauptlager 510. Das Hauptgehäuse 5**2 weist eine allgemein zylindrische äußere Wand 5^ und eine halbkreisförmige Trennwand 5**6 auf, welche den Kanal 52A nahe der Außenwand 5^^ begrenzt.

Ein Regeneratorgehäuse 5Ί8 ist zwischen dem Hauptgehäuse 5^2 und dem Regenerator 526 angeordnet. Das Gehäuse 5^8 weist eine zylin-

609853/0387

drische Außenwand auf, die an die Außenwand 5^ anschließt, sowie eine Trennwand 552, die an die Trennwand ^kS entlang dem unteren Bereich der Maschine 500 anschließt, sowie eine Innenwand 55¹J, die sich entlang eines horizontalen Querteils 556 unmittelbar unterhalb einer Nabe 558 des Regenerators 526 erstreckt. Von dort dehnt sich die Wand radial nach unten in halbkreisförmiger Gestalt in Richtung auf einen konischen Abschnitt 560 aus, der einstückig mit der äußeren zylindrischen Wand 550 oberhalb des Querteils 556 ausgebildet ist. Die Wand 55*1 trennt die Austrittskammer 532 von dem Kanal 530. Ein Radialdiffusor 538 ist an der Innenseite des konischen Wandabschnittes 56O angeordnet.

Ein Regeneratordeckel 562 weist eine zylindrische Außenwand auf, die mit dem vorderen Ende der zylindrischen Wand 550 zusammenwirkt, sowie einen halbkreisförmigen Deckelabschnitt 566, der sich horizontal quer über die vordere Seite des Regenerators 526 unterhalb der Nabe 558 erstreckt sowie radial nach unten, um am Umfang der zylindrischen Außenwand 56¹J anzugreifen und die Hochdruckgase im Bereich der vorderen Seite der unteren Hälfte des Regenerators 526 einzuschließen. Ein Regeneratormotor 568 treibt die Nabe 558 des Regenerators 526 an.

Bei der^alternativen Ausführungsform, wie sie in Fig.15 gezeigt ist, ist eine Einwellen-Gasturbinenmaschine 6OO mit einem Verdichter 602, einer Turbine 60¹I und einem torroidalen Regenerator 606 aufeinanderfolgend entlang einer zentralen Achse 608 angeord-

609853/0387

net, um welche Achse die Teile rotieren. Der Verdichter 602 und die Turbine 6O^ sind auf einer einzigen Welle 610 angeordnet, die drehbar um die zentrale Achse 6O8 durch Lager 612, 61¹J und 6l6 unterstützt ist. Die zentrale Welle 610 ist mit einem entsprechenden Rduziergetriebe 620 gekuppelt, um eine Ausgangswelle 622 ebenso wie Zubehöreinrichtungen, wie einen Starter 62*1, eine Kraftstoffsteuereinrichtung 626 und einen Wechselstromerzeuger, anzutreiben.

. Wie durch Pfeile angedeutet ist, gelangt die Luft radial nach innen durch Lufteinlaßöffnungen 63O, welche die Maschine 600 umgeben, in Richtung auf den Verdichter 602 mit radialem Austritt. Die Frischluft gelangt in den Verdichter 602 und strömt in allgemein axialer Richtung nach vorn und wird durch den Verdichter radial nach außen zu einem Hochdruckdiffusor 632 geleitet, der den Umfang des Verdichters 602 auf der Auslaßseite umgibt. Eine Sammelkammer 63^, die den äußeren Umfang des Hochdruckdiffusors 632 umgibt und von dem die Hochdruckgase ausgestoßen werden, sammelt die Hochdruckgase vom Umfang der Maschine und leitet diese zu der unteren Hälfte der Maschine, und zwar in axialer Richtung nach vorn zu dem torroidalen Regenerator 606.

Die Hochdruckgase gelangen von der Sammelkammer 63¹* in allgemein axialer Richtung nach vorn durch die untere Hälfte des Regenerators 606, um Wärme aufzunehmen, die von den Maschinenabgasen abgegeben worden ist. Nach Passieren des Regenerators 606 sammelt

eine zweite Kammer 636 die erhitzten Hochdruckgase von der unteren Hälfte des Regenerators 6O6 und verteilt die erhitzten Gase erneut über den Umfang der Turbine 60*1 und einen konischen Abgasdiffusor 638, der mitten durch den torroidalen Regenerator 6O6 und innerhalb der erhitzten Hochdruckgase verläuft. Die Sammelkammer 636 führt die erhitzten Hochdruckgase axial nach rückwärts zwischen dem inneren Umfang des torroidalen Regenerators 606 und einer etwas kleineren äußeren Umfangsfläche des konischen Abgasdiffusors 638 zu einem Spiralgehäuse und der Brennereinrichtung 640.

Nachdem die Hochdruckgase weiter durch Kraftstoffzuführung in der Spiralgehäuse- und Brennereinrichtung 640 erhitzt worden sind, gelangen sie radial nach innen zwischen Leitbleche 642, um sich in der Turbine 604 auszudehnen und diese anzutreiben. Die Abgase verlassen die Turbine 60¹J in axialer Richtung nach vorn zu dem konischen Abgasdiffusor 638 hin, der die Abgase axial nach vorn durch die Mitte des Regenerators 6O6 leitet. Danach werden die Abgase zur oberen Hälfte.des Regenerators 6O6 geführt, den sie axial nach rückwärts passieren. Beim Durchgang durch den Regenerator 606 wird den Gasen Hitze entzogen, um die Hochdruckgase aufzuheizen und die Abgase abzukühlen. Die abgekühlten Abgase werden in einem Sammler 644 gesammelt und durch den Abgasauslaß 646 ins Freie an der Oberseite der Maschine 600 abgeleitet.

Die Maschine 6OO gibt somit eine alternative Anordnung einer Ein-

109853/0387

weIlen-Gasturbinenmaschine wieder, welche einen Rekuperator axial in Fluchtung mit einer zentralen Achse und auf der dem Verdichter abgewandten Seite der Turbine aufweist. Die Maschine 600 unterscheidet sich von den Maschinen nach Fig. 2 und 1*1 hauptsächlich dadurch, daß die Maschine 600 einen torroidalen Regenerator anstelle eines Scheibenregenerators sowie einen konischen Diffusor anstelle eines radialen Abgasdiffusors verwendet. Die Gasströmungsrichtungen durch den Regenerator.sind umgekehrt, wobei die Hochdruckgase in axialer Richtung nach vorn durch die untere Hälfte des Regenerators 606 und die Abgase von niedrigerem Druck axial nach hinten durch die obere Hälfte des Regenerators 606 in Richtung auf die Turbine 60¹J und den Kompressor 602 strömen. Der torroidale Regenerator 606 ist in üblicher Weise unterstützt und rotierend angetrieben vom äußeren Umfang her, im Gegensatz zu dem nabenförmigen Antrieb des scheibenförmigen Regenerators.

Ansprüche

109853/0307

Claims

Ansprüche

1-yfcinwellige Gasturbinen-Antriebsmaschine mit einem einstufigen und um eine zentrale Achse antreibbaren Radialverdichter, der mit einer radial angeströmten Turbinenstufe mit axialem Austritt

der Abgase gekuppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauscher (34) stromabwärts vom Verdichter (44, 46; mit diesem und der Turbinenstufe 184J strömungsmäßig derart verbunden ist, daß die vom Verdichter komprimierten Gase entgegen der allgemeinen Durchströmrichtung der Turbine einen Abschnitt und die Abgase der Turbinenstufe in Durchströmrichtung einen anderen Abschnitt des Wärmetauschers axial durchströmen.
2. Antriebsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Wärmetauscher als, vorzugsweise um eine zur der zentralen Achse parallele oder mit dieser fluchtende Achse rotierender, Scheibenregenerator ausgebildet ist.
3. Antriebsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der Turbinenstufe (.84,) und dem Scheibenregenerator (34) ein Radialdiffusor (86) an den axialen Austritt der Turbinenstufe angeschlossen ist.
4. Antriebsmaschine nach Anspruch Ibis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Durchströmabschnitte des Regenerators (34) für die komprimierten Gase unterhalb und für die

I09853/03Ö7

Abgase oberhalb der zentralen Achse (12) angeordnet sind.
5. Antriebsmaschine nach Anspruch 4, dadurch ge k e η η ζ e i c h ne t , daß ein die beiden Gasströme durch den Regenerator (34) trennender Quersteg (66, 72) unmittelbar unterhalb der Nabe (68) des Regenerators angeordnet ist.

/ η 3 a