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Verpuffungs-Gasturbinentriebwerk Die Erfindung betrifft ein Verpuffungs-Gasturbinentriebwerk
für die Abgabe von Wellenleistung oder Strahlenergie,bevorzugt für den Fahrzeug-oder
Luftfahrteinsatz.
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Eei Verpuffungs-Gasturbinen wird stationär verdichtet,instationär
Wärme unter Druckzunahme z.B. durch Verbrennung zugeführt und anschließend in einer
oder mehreren Turbinen entspannt.Bei sonst gleichen Voraussetzungen für den Durchsatz,das
Druckverhältnis,die Wirkungsgrade und den Brennstoffdurchsatz wie bei der Gleichdruckgasturbine,
wird über große Betriebsbereiche mit der Verpuffungsgasturbine eine höhere Nutzleistung
und ein günstigerer spezifischer Brennstoffverbrauch erzielt.
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Durch die DT-PS 1439255 ist z.B.eine Verpuffungsgasturbine mit mehreren
Gleichraumbrennkammern im Kreise um den Verdichter-, Turbinenrotor angeordnet, bekannt,
wobei jeweils eine Brennkammer mit einem steuerbaren Eintrittsquerschnitt und einem
zugeordneten offenen Segment des Turbinenleitapparates der ersten Turbinenstufe
ausgestattet ist.Der Eintritt der Brennkammer l,ßrd hierbei durch ein Ventil oder
einen Schieber geöffnet und geschlossen.Gleichzeitig wird in diesem bekannten Fall
das Brennkammervolum so groß dimensioniert,daß während dei kurzen Verbrennungszeit
nur eine anteilig geringe Kammergasmenge ausströmt. Zur Vel-besserung des Geschwindigkeitsverlaufes
über der Ausströmzeit wurde im vorliegenden bekannten Fall weiter die Vorlagerung
von nicht aufgeheizter Luft vor &en Heißgasen vorgeschlagen.
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Durch die DT-lS 1273263 ist weiter eine shnliche Verpuffungsgasturbine
bekannt,bei der -la die Fremdzeitzündungsfolge und die gleichgroße Ventil-, und
Einspritzfolge nicht propotional zur Triebwerksdrehzahl sein sollten- ein stufenloses
Reibradgetriebe zwischen dem Triebwerk und den Steuerantrieb vorgeschlagen worden
ist,um die Proportionalität zu ändern.
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Bei den angegebene ekannten Lösungen ist eine kontinuierliche Beaufschlagung
de ersten Turbinenstufe am ganzen Umfang noch nicht sichergestellt.Nach dem Abschluß
der Spülung einer Kammer sollte der Kammereintritt geschlossen werden.Wenn dann
nicht unmittelbar folgend die Zündung einsetzt,entsteht eine unbeaufschlagte Zone
am Laufrad der ersten Turbinenstufe.Schon allein dadurch treten erhebliche Verluste
auf,die sich noch erhöhen,wenn an benachbarten Leitapparatsegmenten sehr stark unterschiedliche
Strömungsgeschwindigkeiten vorhanden sind.Das vorgeschlagene, im bekannten Fall
nach der DT-PS 1273263 zusätzliche stufenlose Getriebe zur Steuerung der Eintrittsquerschnitte
ist wegen des konstruktiven und regeltechnischen Aufwandes unerwünscht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,die zu Eekanntem
vorgebrachten Nachteile zu beseitigen und eine Verpuffungsgasturbine zu schaffen
bei der die Durchsatzschwankungen möglichst gering gehalten und eine Teilbeaufschlagung
der ersten Turbinenstufe, begleitet von schroffen Geschwindigkeitsunterschieden
zwischen den Turbinensegmenten vermieden werden soll.Welter soll ein möglichst hoher
Turbinenwirkungsgrad erreichbar sowie ein stufenloses Getriebe zum Steuerantrieb
entbehrt werden können.
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Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,daß eine
Zündeinrichtung während der Dauer der Arbeitsperiode einer Verpuffungs kammer (
vom Zünden bis zum Spülen ) die Zündung aller,mindestens
fünf Kammern
einer Zündreihe in etwa gleichmäiiigen Zeitabständen der Reihe nach vornimmt,wobei
die Zündung,die Brennstoffeinbringung und die Einströmquerschnitts-Steuerung einer
Verpuffungskammer synchron, aber zweckmäßigerweise etwas thasenverschoben durchgeführt
werden Die Verstellung der Phasenverschiebungen der Einspritzung und Zündung gegenüber
der Ventilsteuerung in Abhängigkeit von der Triebwerksdrehzahl sind vorgesehen.
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In weiterer Ausbildung des Erfindergegenstandes soll der Steuerantrieb
1ür die Zündung, Prennstoff einbringung und den Eintrittsquerschnitt unabhängig
von der Triebwerksdrehzahl,beispielsweise durch einen Hydraulikmotor oder einen
Elektromotor mit Energie vom Triebwerk erfolgen.
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Erfindungsgemäß soll weiter die Triebwerksdrehzahl mittels der Einspritzmenge
pro Steuerantriebsdrehzahl zugehörig zur Steuerantriebsdrehzahl einstellbar sein.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll beim Verzögern des Treibwerkes
die Einspritzung bezw.Brennstoffeinbringung vorübergehend abgeschaltet werden.
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Eine zweckmäßige Ausführung der Erfindung besteht weiter darin, aus
Symetriegründen fallweise statt nur einer Zündreihe am Umfang der ersten urbinenstufe
eine zweite Zündreihe zu verwenden,wobei jeweils zwei gegenüberstehende Kammern
gleichzeitig zünden.
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Einfügung S.3a In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll das Öffnen
und Schlleßen des Eintrittsventils einer Verpuffungskammer automatisch durch die
Druckdifferenz am Ventil erfolgen.
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Zur Verbesserung des Leistungsverhaltens der Verpuffungsgasturbine
können von der G eichdruckasturbine bekannte Maßnahmen herangezogen
werden,die
in diesem Zusammenhang noch nicht erwogen worden waren, wie - die Querschnittsverstellung
einer dem Gaserzeuger einer Ve rpuffungsgasturbine nachgeschalteten Arbeitsturbine
- die Kühlung der Gaserzeuger-Beschaufelung - die Ausführung der ersten Turbinenstufe
mit relativ geringer Reaktion - Erwähnt ei,daß der Betrieb mit flüssigen und tJasförmigen
Brennstoffen möglich ist.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin,die Arbeitsperiode
einer Verpufftngskammer über eine relativ lange Zeit zu erstrecken und zum Ausgleich
der Geschwindigkeitsunterschiede am Umfang des Turbinenleitapparates besonders der
ersten Stufe heranzuziehen. Die Geschwindigkeitsunterschiede von einem Leitapparatsegment
zum nächsten werden dann relativ klein, wenn noch bevor der Höchstdruck einer Kammer
erreicht ist,die benachbarte Kammer gezündet wird Dieser Vorgang soll während des
Arbeitszyklus einer Kammer oftmals am Umfang fortgesetzt werden.
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Um ohne die Zuordnung von Steuer- und Triebwerksdrehzahl nach DT-iS1273263
auszukommen,ist es vorzuziehen die Steuerdrehzahl vorzugeben und die Brennstoffmenge
pro Brennkammerfüllung so zu ändern bis sich eine gewünschte stabile Turbinen-bezw.
Gaserzeugerdrehzahl einstellt .Um die Einstellung der Turbinen-,bezw.Gaserzeugerdrehzahl
zu erleichtern,wird zweckmäßigerweise die optimierte,vorerprobte Zuordnung von Nv/VN1
zu Nst /(#Tt1 zugrundegelegt. Dabei ist Nv..Verdichterdrehzahl,Nst ..Steuerdrehzahl,Tt1
Triebwerkseintrittstemperatur in Kelvin,Die obige Zuordnung soll auch beim uebergang
von einer zu einer anderen Steuerdrehzahl eingestellt werden.
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Die Maximal-und Minimalbrenns toffmenge pro Brennkammerfüllung
wird
fiir as Beschleunigen und Verzögern so vorgegeben, daß die zulässige Turbineneintrittstemperatur
und die Zündgrenze nicht überschritten werden.Durch diese Zuordnungen ist gleichzeitig
der synchrone Antrieb für die Steuerung der Erennkammereintrittsquerschnitte, der
Einspritzpumpe und das Zündaggregates mitbedingt, der jeweils mit der Arbeitsperiode
der Kammer in Einklang steht.
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Beim Beschleunigen ist mehr Brennstoff einzubringen als zum stabilen
Betrieb erforderlich ist.Zur voreilenden Durbinen-bezw. Gaserzeugerdrehzahl ist
jeweils die Steifrdretizahl nachzuführen,damit die Abweichung von der optimalem
Zuordnung nicht zu groß wird.Diese Anpassung gewährleistet eine unterschiedliche
Einstellung der Brennstoffmenge je nach dem Betriebszustand des Triebwerkes d.h.ob
es noch kalt oder schon warmgefahren ist und berücksichtigt auch andere Veränderungen.
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Verzögert wird die Verpuffungsgasturbine durch die Verminderun der
Brennstoffmenge auf eine Größe,die noch zündfähig ist.Ist die dann erzielte Verzögerung
zu gering,dann wird die Brennstoffmenge vorübergehend ganz abgeschaltet,bis die
gewünschte abgesenkte Gaserzeugerdrehzahl und die zugehörige nachgeführte Steuerdrehzahl
erreicht oder fast erreicht sind.Zur Stabilisierung wird dann mit einer normalen,über
der Zündmenge liegenden Einspritzmenge weitergefahren.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend darge tellt und
werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig.1 ein erstes Diagramm über
den Geschwindigkeits-,und Druckveriauf der Verpuffungskammer über der Zeit Fig.2
ein zweites Diagramm über das Öffnen und Schließen des Kammer eintrittsquerschnittes
Fig.3
einen Längsschnitt durch eine Verpuffungsgasturbine für Wellenleistungsabgabe Fig.4
einen Querschnitt durch die Prennkammerpartie zu Fig. 3 und Fig.S einen Längsschnitt
eines Verpuffungsgasturbinentriebwerkes für den Strahlvortrieb in Zweistrombauweise.
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In der Fig.1 ist über der Zeit t der Geschwindigkeits-( v1 ) und Druckverlauf
( g ) für die Verpuffungskammer 1 voll ausgezogen angegehen.Strichliert ist der
Geschwindigkeitsverlauf aus der Kammer 2 dargestellt. Die erste Geschwindigkeitszunahme
(a) beim Ausströmvor-(b) gang ist durch die Verpuffung und die zweite durch die
Kaltluftvorlagerung bedingt. Während der Spülung sinkt der Druck in der Verpuffungskammer
Pk unter der Ladedruck F2. Die Geschwindigkeitsunterschiede zweier benachbarter
Kammern sind durch Pfeile angedeutet.
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Sie werden umso kleiner je mehr Kammern der Reihe nach während der
Arbeitsperiode einer Rammer zünden.Mindestens fünf, vorteilhafterweise jedoch acht
bis zehn Kammern sollten in einer Reihe hintereinander gezündet werden.Nur am Verpuffungsbeginn
ist eine hohe aeschwindigkeitsdifferenz gegenüber dem vorhergehenden Nachbarsegment
unvermeidbar.Im übrigen läuft zu jedem Zeitpunkt eine Geschwindigkeitsvertei lung
am Umfang ab,die etwa d em dem Geschwindigkeitsverlauf einer Einzelkammer über ihrer
Arbeitsperiode entspricht.Sie läuft mit der Steuerdrehzahl um.Das abgegebene Drehmoment
ist sehr gleichförmig,obwohl die einzelnen Laufschaufeln unterschiedlichen Umfangskräften
unterliegen.
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Die Fig.2 läßt im Prinzip für die Kammer 1 die Kammer-eintrittsquerschnittsöffnung
A über der Arbeitsperiodenzeit t,die Einspritzzeit E Z und den Zündzeitpunkt erkennen.
Der Nocken, der die verschiedenen Kammereintrittsquerschnitte steuert,ist lür alle
der gleiche. Durch
das Zusammenarbeiten mehrerer Kammern ist ein
ständiger fast konstanter Durchsatz vorhanden, da einige Kammern immer gleichzeitig
geöffnet sind.Wie noch gezeigt wird,lassen sich die erforderlichen Steuereinrichtungen
konstruktiv relativ einfach verwirklichen.
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Die Fig.3 zeigt einen Kombinationsverdichter 1 bestehend aus einer
Axial-2 und einerRadialstufe 3 mit einem unterteilkn Diffusor 4 und 5.Die verdichtete
Luft strcmt in den Ringraum 6.
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In diesem sind mehrere (hier gezeichnet 9 Stück ) Verpuf£iungskammern
10 im Kreise um den Verdichter- Turbinenläufer angeordnet.
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Die vom Verdichter kommende Luft strömt durch ein Umlenkgehäuse 11
zum jeweiligen Eintrittsventil 12 einer Verpuffungsiammer,das von einem Nockenring
13 aus betätigt wird.Der Nockenring ist in Kugellagern 14 gelagert und wird über
eine Verzahnung 15 am Außendurchmesser des Nockenringes von einem Zahnrad 16 über
die Welle 17 von einem Motor 18 angetrieben.Der Motor treibt auch ein Zündgerät
29 und eine Einspritzpumpe 31.Die letztere fördert Brennstoff zum Einspritzventil
19, das ähnlich wie bekannte Einspritzdüsen von Kolbenmotoren eine Düsennadel mit
aufgesetztem Magnetanker besitzt.( siehe Zeitschrift E(ectronik 1973,Heft9' Seite
311-314 ). Damit wird bei der Ventilöffnung kurz vor der Zündung,die vom Regler
zugemessene Brennstoffmenge eingespritzt.
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Der in die Verpuffungskammer eingespritzte Brennstoff wird durch die
Zündkerze2iezündet,kurz bevor das Ventil 12 ganz geschlossen ist.Durch die Verpuffung
entsteht in der Kammer ein Druckanstieg.
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Dadurch werden die Gase mit hoher Geschwindigkeit aus dem Turbinenleitapparatsegment
21 austreten und das Gas erzeuger-Turbinenrad 22 beaufschlagen.Fallweise kann eine
mehrstufige Turbine eingebaut werden.Uber ein Zwischengehäuse 23 strömen die Gase
zum
Verstelleitapparat 24 der Arbeitsturbine 25 und von dort über einen Austrittsdiffusor
26 ins Freie.J)er letztere kann als Schalldämpfer ausgebildet sein. Während die
Turbine 22 den Verdichter 1 antreib, wird die Nutzleistung der Arbeitsturbine 25
über die Kupplung 27 abgegeben.Vom Motor wird'wie schon erwähnt, ein Zundgerät 29
angetrieben, das einen nicht gezeichneten Zündverteiler 30 enthält.Er sorgt für
die Zündreihenfolge.tJber Zündkabel 33 werden die einzelnen Zündkerzen 20 versorgt.llit
dem Zündgerät 29 ist das Einspritzgerät 31 verbunden,das die Einspritzung der einzelnen
Einspritzdüsen über Leitungen 32 besorgt.
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Das Getriebe 15,16 zum Antrieb der Nockenscheibe 13ist mit dem Zusatzgerät
28 auf die gleiche Drehzahl abgestimmt, so daß1wie schon ausgeführt, die Ventilsteuerung,die
Zündung und die Einspritzung synchron laufen.
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Zur Drehzahlregelung des Motors 18 gehört noch ein Drehzahlregler.
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der in den nicht gezeichneten Triebwerksregler integriert ist.
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Aus der Fig.4 ist ein Querschnitt durch die Verpuffungskammern, in
Richtung auf die Ventile gesehen,zu entnehmen.Dargetellt ist auch dielüber Kegelräder
50,51,52 und 53 erfolgende Verstellung der ArbeitsturbinenLLeiträder 24.Der Verstellantrieb
erfolgt über die Welle 54.
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zeigt Eine reine Luftfahrtanwendung der Verpuffungsgasturbine die
Fig. 5 in Form eines Zweiwellen-Zweistromtriebwerkes.Der Verdichter 35 beliefert
über automatische Rückschlagventile 36 und 37 die um den Verdichter-Turbinenrotor
47 angeordneten Verpuffungskammern 3
in die nacheinander am Umfang
Brennstoff über die Einspritzdüsen 39 eingeführt und durch die Zündkerzen 40 gezündet
wird.Durch die zeitlich voröffnenden Ventile 37ist eine Vorlagerung kalter Spülluft
möglicn.Auch hier gehört zu je einer Verpuffungskamrner 38 ein Leitapparatsegment
41.Vom letzteren aus wird die Gaserzeugerturbine 42,die auch mehrstufig sein kann,
beaufschlagt.Es folgt die Turbine 43 zum Antrieb des Bläsers 34,dessen Stufenzahl
vom gewählten ebenstromverhältnis abhängt.Die in den Nebenstrom 44 geförderte Luft
wird den Gasen zugemischt,die vom Gaserzeuger kommen.Der gemischte Strom tritt aus
der Schubdüse 43 mit hoher Geschwindigkeit aus.
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Erwähnt sei noch,daß die Eintrittsventile 36 geöffnet werden, wenn
der Druck in den Verpuffungskammern 38 kleiner wird als der Verdichterdruck.
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Uber einen Antrieb 46, der nicht linear von der Triebwerksdrehzahl
z.B. über einen Elektro-oder Hydraulikmotor erfolgt,wird das Zünd- und Einspritzaggregat
47 angetrieben.Das Letztere versorgt die einzelnen Einspritzdüsen 39 mit Brennstoff
und zündet der Reihe nach die Verpuffungskammern 38 über die Zündkerzen 40 mit der
zum Einspritzrythmus gehörenden Vorzündung.Ublicherweise wird der Triebwerksregler
48,der zugehörig zur Triebwerksdrehzahl die Steuerdrehzahl des Zünd-und Einspritzaggregates
vorgibt,vom Hauptrotor des Strahltriebwerkes über einen Geräteantrieb 49 angetrieben.
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Normalerweise wird ein Anlasser einbaut sein,durch den auch der Steuerantrieb
in Gang kommt,indem Energie z.B. über das Elektrosystem auf den Steuerantrieb übertragen
wird.Im Prinzip wird aber der Steuerantrieb,der seine Energie von einer Batterie
bekommt,ausreichen,um durch eingeleitete Verpuffungen den Gaswechsel und damit auch
den Triehwerksrotor in Gang zu setzen,
Erfindungsgemäß soll weiter
die Zündfolge-in bestimmter Richtung erfolgen und zwar bevorzugt entgegen der Umfangsgeschwindigket,
um die Geschwindigkeitsverteilung am Laufradeintritt besser auszugleichen.
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L e e r s e i t e