DE2628401B2 - Gasturbinenanlage, insbesondere fur Kraftfahrzeuge wie Ackerschlepper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage, insbesondere 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 und ein von den heißen Abgasen in allgemeiner Durchströmrichtung durchströmter Wärmeübertrager, der von der komprimierten Luft in abweichender Richtung durchströmt wird, angeordnet sind, der Turbinenstufe an ihrer Abströmseite eine Abgassammeikammer zugeordnet ist und die Antriebskraft auf der der allgemeinen Durchströmrichtung entgegengerichteten Stirnseite der Gasturbinenanlage ableitbar ist. ^v>

Eine solche Gasturbinenanlage ist aus der GB-PS 19 775 bekannt.

Bei der bekannten Gasturbinenanlage werden die gesamten heißen Abgase auf der Abströmseite der Turbinenstufe von einem Axialdiffusor aufgenommen, ^o Dieser verteilt die Abgase über den gesamten Querschnitt des von den Abgasen in allgemeiner Durchströmrichtung der Gasturbinenanlage durchströmten Wärmeübertragers. Diese Ausbildung führt dazu, daß die vom Verdichter kommende komprimierte Luft auf den außenliegenden Umfang des Wärmeübertragers verteilt werden muß. Nach Passieren des Wärmeübertragers muß die erhiizie koiiipiiiViierie Luft unter Umkehrung ihrer Strömungsrichtung vom Außenumfang des Wärmeübertragers zu den Brennkammern und der Turbinenstufe geleitet werden. Die große axiale Länge des Abgasdiffusors führt zu entsprechend großen Längen in axialer Richtung der Strömungswege für die kalte und die erhitzte komprimierte Luft Außerdem komm! es durch die mehrfache Umlenkung der komprimierten Luft zu ganz erheblichen Strömungsverlusten, die eine Verringerung des Wirkungsgrades zur Folge haben. Wegen der großen Länge der Gasturbinenanlage ist diese für Kraftfahrzeuge, wie Ackerschlepper, ungeeignet Hinzu kommt, daß eine komplizierte Aufteilung der Strömungswege für die kalte und die heiße komprimierte Luft auf einzelne, in Umfangsrichtung verteilte Strömungskanäle von jeweils geringer Umfangsausdehnung erforderlich ist, was den Aufbau der Gasturbinenanlage kompliziert macht und das Gewicht erhöht

Bei einer weiteren Gasturbinenanlage sind zwei Turbinenstufen vorgesehen, denen jeweils gesonderte Wellen zugeordnet sind (vgl. GB-PS 7 10 959). Diese bekannte Gasturbinenanlage weist einen drehbaren, regenerativ arbeitenden Wärmeübertrager auf. Dieser ist jedoch sowohl bezüglich der Abgase als auch bezüglich der komprimierten Luft an sehr komplizierte Strömungsleitungen angeschlossen. Dabei wird jede Gasphase wenigstens zwei verschiedenen Umfangsstellen des Wärmeübertragers zugeführt. Die.s führt zu einer großen axialen Länge der Gasturbinenanlage mit langen Strömungswegen und hohen Strömungsverlusten. Auch hier liegen großes Gewicht und komplizierter Aufbau vor. Dabei zeigt sich, daß lediglich die Verwendung eines drehbaren, regenerativ arbeitenden Wärmeübertragers nicht ohne weiteres dazu führt, daß die Gasturbinenanlage bei einfacherem Aufbau in ihren Abmessungen und ihrem Gewicht für die Verwendung bei Kraftfahrzeugen geeignet wird.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine Gasturbinenanlage der eingangs näher bezeichneten Art so weiterzubilden, daß bei geringem Gewicht eine nur geringe axiale Baulänge erreicht werden kann und die Anlage bei radialer, kompakter Bauweise durch einfache und kurze Strömungswege einen besseren Wirkungsgrad zeigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein mit der zentralen Achse etwa gleichachsig drehbarer, regenerativ arbeitender Scheibenwärmeübertrager vorgesehen ist, der mit nur einem Umfangsabschnitt über die Abgassammeikammer mit der Abströmseite der Turbine verbunden ist, während der verbleibende, in axialer Gegenrichtung durchströmbare Umfangsabschnitt des Scheibenwärmeübertragers über einen einzigen Strömungskanal mit einer die komprimierte Luft des Radialverdichters aufnehmenden ringförmigen Sammelkammer in Verbindung steht. Durch die Verwendung des drehbaren, regenerativ arbeitenden Scheibenwärmeübertragers wird zusammen mit den übrigen neuen Merkmalen der Wirkungsgrad des Wärmeübertragers und damit der Wirkungsgrad der gesamten Gasturbinenanlage wesentlich verbessert. Wie im bekannten Fall kann auch hier der Scheibenwärmeübertrager von den heißen Abgasen in allgemeiner Durchströmrichtung axial durchströmt werden, jedoch ergibt sich eine wesentliche Verkürzung der axialen Länge dieses Strömungsweges in Verbindung mit einer Umlenkung der Gase nur um 180°. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die axiale Durchströ-

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komprimierte Luft

Außerdem ergibt sich ein sehr einfacher Aufbau, da der Umfang des Scheibenwärmeübertragers nur in zwei Abschnitte aufgeteilt ist Der eine Abschnitt der am zweckmäßigsten oben liegt, wird von den heißen Abgasen in allgemeiner Durchströmrichtung durchströmt Der andere, bevorzugt die untere Hälfte einnehmende Umfangsabschnitt wird von der komprimierten Luft durchströmt Der einfache Aufbau führt auch zu geringeren radialen Abmessungen und zur Einsparung an Gewicht Die wesentlich kürzeren Strömungswege in Verbindung mit großen Strcmungsquerschnitten haben eine erhebliche Verringerung der Strömungsverluste und damit einen höheren Wirkungsgrad der Gasturbinenanlage zur Folge.

Wenn bei der neuen Gasturbinenanlage wie im bekannten Fall der Abströmseite der Turbinenstufe ein Abgasdiffusor zugeordnet ist ist dieser vorteilhafterweise als Radialdiffusor ausgebildet und in der Abgassammeikammer angeordnet Durch die Verwendung eines Radialdiffusors in Verbindung mit einem regenerativ arbeitenden drehbaren Scheibenwärmeübertrager erhält man einen wesentlich kürzeren Abstand zwischen dem Wärmeübertrager und der Abströmseite der einzigen Turbinenstufe. Die Abgaskammer kann die Abgase über den ganzen Umfang des Radialdiffusors aufnehmen und auf sehr kurzem axialem Weg auf den verringerten Querschnitt der in der oberen Hälfte liegenden Austrittsseite der Abgaskammer zusammenziehen, um so die Abgase durch die obere Hälfte des Scheibenwärmeübertragers zu leiten. Entsprechendes gilt für die komprimierte Luft Diese wird von der ringförmigen Sammelkammer auf kürzestem axialem Wege und ohne nennenswerte Ablenkung der Strömung und ohne störende Querschnittseinschnürung zu der unteren Hälfte des Scheibenwärmeübertragers geleitet Dadurch erhält man eine außerordentlich gedrungene, axial kurze Bauweise. Die Strömungswege sind vorwiegend gerade und sehr kurz.

Wegen des geringen Gewichtes und der kompakten Bauweise eignet sich die Gasturbinenanlage besonders für Kraftfahrzeuge, wie Ackerschlepper.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt 4

Fig. 1 eine Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung in Seitenansicht

F i g. 2 die Gasturbinenanlage nach F i g. 1 in einem senkrechten, axialen Schnitt,

F i g. 3 die rückwärtige Ansicht des Gehäuses eines regenerativ arbeitenden Scheibenwärmeübertragers der Gasturbinenanlage nach F i g. 2,

F i g. 4 die rückwärtige Ansicht einer Abdeckung für den Wärmeübertrager und

Fig.5 im Längsschnitt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der neuen Gasturbinenanlage.

Die Gasturbinenanlage 10 weist eine horizontal liegende zentrale Achse 12 auf. Die Gasturbinenanlage dient beispielsweise als Antriebsmaschine für einen Ackerschlepper. Am rückwärtigen Ende der Gasturbinenanlage ist das Gehäuse 14 eines Getriebes angeflanscht, das seinerseits einen Startermotor 16, einen ölfilter 18 und ein zur Steuerung des Kraftstoffes dienendes Steuersystem 20 unterstützt. Die Gasturbinenanlage 10 weist ein Turbinengehäuse auf, das anschließend an das Getriebegehäuse 14 über den Umfang verteilte Lufteintrittsöffnungen 24 von jeweils Umriß sufweis'i An das Gehäuse 22 der Turbine schließt sich das Gehäuse 32 eines regenerativ arbeitenden Scheibenwärmeübertragers an. Das Gehäuse 32 ist stirnseitig durch einen Deckel 36 geschlossen und weist einen Auslaß 38 für die abgekühlten Verbrennungsgase auf. An das Turbinengehäuse 22 schließt sich ein Brennkammergehäuse 29 an. Die Lufteinlaßöffnungen 24 werden durch ein Lufteinlaßgitter 168 bestimmt, das sich an das Turbinengehäuse 22 anschließt

Die durch die Öffnungen 24 eintretende Frischluft in radialer Strömungsrichtung von außen nach innen von einem ringförmigen Einlaßkanal 40 aufgenommen und unter Umlenkung in die axiale allgemeine Durchströmrichtung der Turbinenanlage über Leitbleche 44 einem axi&l angeströmten einstufigen Radialverdichter 46 zugeführt Die komprimierte, in radialer Richtung nach außen abströmende Luft wird von einem Radialdiffusor 48 einer ringförmigen Sammelkammer 50 zugeleitet. Die Sammelkammer 50 wird zwischen der Außenwand 54 des Turbinengehäuses 22 und einer von dieser ausgehenden und sich im radialen Abstand von dieser erstreckenden inneren Trennwand 56 begrenzt. Die die komprimierte Luft aufnehmende ringförmige Sammelkammer 50 steht über einen einzigen in der unteren Hälfte der Gasturbinenanlage zwischen der Außenwand 54 des Turbinengehäuses 22 und der inneren Wand 56 begrenzten Strömungskanal 58 mit einem entsprechenden, die untere Umfangshälfte des Gehäuses 32 einnehmenden, zwischen der Außenwand 60 des Gehäuses und einer im radialen Abstand von dieser angeordneten Innenwand 62 begrenzten Strömungskanal in Verbindung, der zu dem unteren Umfangsabschnitt eines regenerativ arbeitenden Scheibenwärmeübertragers 34 führt.

Der das Gehäuse 32 für den Wärmeübertrager stirnseitig abschließende Deckel 36 liegt im achsnahen Bereich an einer Dichtung 66 an, die sich horizontal quer über die Stirnseite des Scheibenwärmeübertragers 34 unmittelbar unterhalb einer diesen drehbar unterstützenden Nabe 68 sowie in der oberen Hälfte des Gehäuses 32 in Umfangsrichtung erstreckt. Auf der Innenseite des Wärmeübertragers ist nahe der Nabe 68 eine weitere Dichtung 72 vorgesehen, welche einen in horizontaler Richtung querverlaufenden Abschnitt aufweist, der dem entsprechenden querverlaufenden Abschnitt der Dichtung 66 gegenüberliegt. Außerdem erstreckt sich die Dichtung 72 auf der Rückseite des Wärmeübertragers über dessen gesamten Umfang.

Auf diese Weise kann die kalte komprimierte Luft über den sich über die untere Hälfte der Turbinenanlage erstreckenden und in axialer Richtung verlaufenden einzigen Strömungskanal 58 auf die von den Lufteintrittsöffnungen 24 abgewandte Stirnseite des regenerativ arbeitenden drehbaren Scheibenwärmeübertragers 34 gelangen und diesen nahezu über den gesamten unteren halben Querschnitt der allgemeinen Durchströmrichtung entgegen axial anströmen, wie dies durch Pfeile in F i g. 2 gezeigt ist.

Die Dichtung 72 ist an einer weiteren inneren Wand 76 des Gehäuses 32 des Wärmeübertragers abgestützt. Ein sich in der unteren Hälfte der Gasturbinenanlage erweckender und im wesentlichen senkrecht zur Achse 12 verlaufender Abschnitt dieser inneren Wand 76 begrenzt eine Sammelkammer für erhitzte komprimierte Luft auf der Austrittsseite des unteren Umfangsabschnittes des Scheibenwärmeübertragers 34. Durch die untere Umfangsseite ist zwischen der Innenwand 62 und der !nnenwsnd 76 des Gehäuse^c ^"^ **!π sin^i^^r

Strömungskanal 78 für erhitzte komprimierte Luft begrenzt, der sich nahezu über die ganze untere Hälfte des Umfanges des Gehäuses 32 erstreckt und die erhitzte komprimierte Luft zunächst in axialer Richtung und dann näher zur Achse 12 in eine ringförmige Sammelkammer 82 für erhitzte komprimierte Luft führt. Die Sammelkammer 82 verteilt die komprimierte Luft über den ganzen Umfang einer einzigen, mit dem Radialverdichter direkt gekuppelten, radial von außen angeströmten Turbinenstufe 52. In der Sammelkammer 82 ist ein die komprimierte Luft aufnehmendes Spiralgehäuse 26 angeordnet. Die komprimierte Luft gelangt zusammen mit Brennstoff in eine Brennkammer, aus der die erhitzten Gase über das Spiralgehäuse 26 und Leitschaufeln 84 radial von außen nach innen in die Turbinenstufe 52 gelangen. Die heißen Abgase verlassen die Turbinenstufe 52 in allgemeiner axialer Durchströmrichtung. Die heißen Abgase werden von einem Abgasdiffusor 86 aufgenommen. Dieser ist als Radialdiffusor ausgebildet und in einer Abgassammeikammer 80 angeordnet, die von der sich auf den Auslaß der Turbinenstufe trichterförmig zusammenziehenden Innenwand 76 des Gehäuses 32 und der Innenseite des Scheibenwärmeübertragers 34 begrenzt wird. Der die Dichtung 72 tragende Teil der Innenwand 76 leitet die heißen Abgase aus der unteren Hälfte der Turbinenanlage nach oben in die obere Hälfte, wo die gesamten heißen Abgase die obere Hälfte des Scheibenwärmeübertragers 34 in allgemeiner axialer Durchströmrichtung anströmen. Auf der axial nach außen weisenden Abströmseite der oberen Hälfte des Scheibenwärmeübertragers weist der das Gehäuse 32 stirnseitig abschließende Deckel 36 einen den Auslaß 38 für die abgekühlten Abgase begrenzenden Abschnitt auf, der die Abgase radial nach außen abführt.

In F i g. 3 erkennt man den die Dichtung 72 tragenden querverlaufenden Steg 352 und die in allgemeine Strömungsrichtung weisende Stirnseite 380 des Abgasdiffusors, der von der vorderen Wand 370, der rückseitigen Wand 360 und zwischen diesen angeordneten U-förmigen Abstandselementen 372 gebildet ist. In Fig.4 ist, entgegen der axialen Durchströmrichtung gesehen, der das Gehäuse 32 stirnseitig abschließende Deckel 36 gezeigt, der über einen Flansch 70 mit dem Gehäuse 32 verbunden werden kann. Der untere Teil 64 dieses Deckels wird durch einen im wesentlichen die untere Hälfte des Gehäuses 32 etwa senkrecht zur Achse 12 abschließenden Wandabschnitt 390 begrenzt, der kurz unterhalb der Achse 12 einen horizontal verlaufenden Quersteg 392 aufweist, der zur Aufnahme der Dichtung 66 dient Oberhalb des Quersteges 392 beginnt bereits der sich von dem Wärmeübertrager 34 in Durchströmrichtung weg erstreckende und die obere Hälfte des Gehäuses 32 abschließende Wandabschnitt 394, der den radialen Auslaß 38 für die abgekühlten Abgase begrenzt

Bei dem abgewandelten Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 weist die Gasturbinenanlage 500 ein Turbinengehäuse 542 auf, in dem das eine Ende einer Welle 502 durch ein Lager 512a drehbar abgestützt ist Auf de Welle 502 ist auf der einen Seite des Lagers 512a eil einstufiger Radialverdichter 506 mit radialer Abströ mung und auf der anderen Seite des Lagers 512a cini radial von außen nach innen angeströmte einzig! Turbinenstufe 508 mit axialer Abströmung vorgeseher An das Gehäuse 542 ist rückwärtig ein Lufteinlaßgehäu se 540 angeflanscht, in dem das rückwärtige Ende de Welle 502 bei 512 gelagert ist. Die Drehachse der Weih

ίο 502 ist mit 504 angegeben.

Die komprimierte Frischluft gelangt über einei Diffusor 520 in einen ringförmigen Sammelkanal 522 von dem die Frischluft über einen von der unterei Umfangshälfte des Gehäuses 542 sich ausdehnendei und sich axiai erstreckenden einzigen Strömungskana 524 dem unteren Umfangsbereich eines drehbarer regenerativ arbeitenden Scheibenwärmeübertrager 526 zugeleitet wird, und zwar zu dessen von de Turbinenstufe 508 abliegenden Seite. Der einzigi Strömungskanal 524 wird zwischen den Außenwändei 544 bzw. 550 des Gehäuses 542 bzw. eines Gehäuseab schnittes 548 und entsprechenden Innenwänden 544 bzw. 552 dieser Gehäuse bzw. -abschnitte begrenzt Da: Gehäuse 562 des Wärmeübertragers schließt sich in de unteren Hälfte der Anlage bei 564 an den einzige) Strömungskanal 524 an und umschließt die Zuströmsei te der unteren Hälfte des Wärmeübertragers mit einen Stirnwandabschnitt 566. Zwischen der Innenwand 546 552 der beiden Gehäuse 542 und 548 und einer weitei radial innen liegenden Innenwand 554 ist auf der dei allgemeinen axialen Durchströmrichtung entgegenge setzten axialen Seite der unteren Hälfte des Wärme Übertragers 526 eine Sammelkammer für die erwärmt« komprimierte Luft gebildet Das der Achse 50< naheliegende Ende der inneren Wand 554 trägt einei Quersteg 556 zur Abdichtung der Sammelkammer. Vor der Sammelkammer erstreckt sich radial innerhalb dei einzigen Strömungskanals 524 für die kalte komprimier te Luft ein entsprechend in Umfangsrichtung ausge dehnter einziger Strömungskanal 530 für die erwärmte komprimierte Luft, die sich in einer die Turbinenstufe 508 umgebenden Ringkammer 560 mit Spiralgehäuse 534 sammelt Die erwärmte komprimierte Luft gelang in nicht dargestellte Brennkammern und von dort übei das Spiralgehäuse 534 und Leitschaufeln 536 in radiale: Richtung von außen nach innen in die Turbinenstufe 508 Die axial abströmenden Abgase werden von einen Radialdiffusor 538 aufgenommen, der in einer Abgas sammelkammer 532 angeordnet ist, die sich mi Ausnahme der Strömungskanäle 524, 530 nahezu übe den gesamten Querschnitt der Turbine erstreckt Dii Achse 528 der den Scheibenwärmeübertrager 52( drehbar unterstützenden Nabe 558 ist, wie die Fig.i deutlich erkennen läßt, etwas in radialer Richtunj gegenüber der Achse 504 nach oben versetzt, um π trotz des Strömungskanals 524 insgesamt nach allei radialen Seiten etwa gleichförmige Abmessungen ii bezug auf die Achse 504 zu erhalten.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Gasturbinenanlage, insbesondere 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 und ein von den heißen Abgasen in allgemeiner Durchströmrichtung durchströmter Wärmeübertrager, der von der komprimierten Luft in abweichender Richtung durchströmt wird, angeordnet sind, der Turbinenstufe an ihrer Abströmseite eine Abgassammeikammer zugeordnet ist und die Antriebskraft auf der der allgemeinen Durchsfömrichtung entgegengerichteten Stirnseite der Gasturbinenanlage ableitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der zentralen Achse etwa gleichachsig drehbarer, regenerativ arbeitender Scheibenwärmeübertrager (34) vorgesehen ist, der mit nur einem Umfangsabschnitt über die Abgassammeikammer (80) mit der Abströmseite der Turbine verbunden ist, während der verbleibende, in axialer Gegenrichtung durchströmbare Umfangsabschnitt des Scheibenwärmeübertragers (34) über einen einzigen Strömungskanal (58) mit einer die komprimierte Luft des Radialverdichters (46) aufnehmenden ringförmigen Sammelkammer (50) in Verbindung steht.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, bei der der Abströmseite der Turbinenstufe ein Abgasdiffusor zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasdiffusor (86) als Radialdiffusor ausgebildet und in der Abgasrammelkammer (80) angeordnet ist «