DE29504476U1

DE29504476U1 - Kleinstgasturbine im Modellformat

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Publication number: DE29504476U1
Application number: DE29504476U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-03-16
Filing date: 1995-03-16
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2005-03-17

Description

Thomas Kamps 15.03.1995

Dekan-Hilpisch-Str.9

56337 Simmern

Kleinstgasturbine im Modellformat

Die Erfindung betrifft eine Kleinstgasturbine im Modellformat, mit einer firontseitigen Verdichterstufe zur Komprimierung von angesaugter Luft, einer rückwärtig angeordneter Turbinenstufe und mit einer zwischengeschalteten Brennkammer.

Unter Kleinstgasturbinen im Sinne der Erfindung sind Triebwerke wie Strahltriebwerke, Wellenleistungstriebwerke sowie Gaserzeuger, insbesondere Triebwerke zum vorbildgetreuem Antrieb von Modellen aller Art zu verstehen. Bei Kleinstgasturbinen dieser Art kommt es wegen der kleinsten Abmessungen im besonderen Maße auf eine gleichmäßige Verbrennung des der Brennkammer zugeführten Kraftstoffes an. Die Ausbildung der Brennkammer, insbesondere hinsichtlich der Gemischaufbereitung und der Kraftstoffzuföhreinrichtung, kommt daher eine große Bedeutung zu.

Brennkammern von Gasturbinen haben generell die Funktion, die vom Verdichter gelieferte komprimierte Luft durch Verbrennung von Kraftstoff zu erhitzen. Somit wird die Enthalpie der Luft, also das Vermögen Arbeit zu leisten, gesteigert.

Diesen Gewinn an Arbeitsfähigkeit wird in der, der Brennkammer folgenden Turbinenstufe genutzt. Dabei ist es für die in Rede stehende Brennkammer ohne Belang, ob die Gasturbine zum Gewinn einer Wellenleistung oder im Falle eines Strahltriebwerkes zum Gewinn einer Vortriebskraft genutzt wird.

Die in bekannten Kleinstgasturbinen zum Einsatz kommenden Brennkammern werden vornehmlich mit gasförmigen Brennstoffen betrieben. Diese ermöglichen eine einfache Gemischbildung und eine saubere Verbrennung. Nachteilig an der Verwendung gasförmiger oder unter Druck verflüssigter Brennstoffe ist ihre

Feuergefährlichkeit und die auf das Tankvolumen bezogene geringe Energiedichte.

Bekannte Kleinstgasturbinen, deren Brennkammern mit flüssigen Kraftstoffen wie Dieselöl oder Kerosin betrieben werden können, verwenden bislang einen Kraftstoffverdampfer. Dabei wird der Kraftstoff durch eine, in der Brennkammer liegenden Rohrschlange verdampft und gasförmig in die Verbrennungszone eingebracht. ( Schreckling, Kurt: Strahlturbine für Flugmodelle im Selbstbau. Baden Baden: Verlag für Technik und Handwerk, 1992)

Nachteilig an dieser Technik ist die geringe Standzeit des Verdampfers. Durch Ablagerungen und Rückstände im Kraftstoff setzen sich die feinen Einblasöffhungen schnell zu. Auch ist der Wirkungsgrad der Verbrennung, der Ausbrand, wegen der unzureichenden Durchmischen des Gemisches unbefriedigend. Daraus ergibt sich auch eine ungleichmäßige Temperaturverteilung am Brennkammeraustritt, die oft zu punktuellen Überhitzungen (Hot Spots) führt.

Die maßstäbliche Verkleinerung bereits existierender Brennkammern großer Flugtriebwerke auf Modellgröße führt in der Regel nicht zu funktionsfähigen Aggregaten. Darüber hinaus zögen die, durch die Miniaturisierung entstehenden kleinen Strukturen, einen hohen Fertigungsaufwand nach sich. Ebenso verschlechtern sich bei der Verkleinerung nach den physikalischen Gesetzmäßigkeiten der Ähnlichkeitslehre die Strömungsverhältnisse in der Brennkammer und den dazugehörigen Kraftstoffsystemen so stark, daß die Funktionstüchtigkeit nicht mehr gegeben wäre.

Auch die von großen Triebwerken bekannte Methode der Kraftstoff-Luft-Vorvermischung kann nicht ohne weiteres auf kleine Triebwerke übertragen werden. Kleinstgasturbinen erreichen im Vergleich zu großen Strahltriebwerken sehr geringe Druckverhältnisse. Daher heizt sich die angesaugte Luft bei der Verdichtung nur geringfügig auf. Anders als bei großen Triebwerken kommt es so nicht zu einem spontanen Verdampfen des Kraftstoffes in der vom Verdichter gelieferten Luft.

Um eine im Modellmaßstab gutfunktionierende Brennkammer zu konstruieren waren daher neue Wege zu beschreiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die genannten Mangel der bekannten Systeme zu beseitigen. Sie soll besonders die Verwendung flüssiger Kraftstoffe wie Diesel, Petroleum oder Kerosin in einer sehr kleinen Brennkammer ermöglichen. Dabei soll eine gleichmäßige Temperaturverteilung am Ausgang der Brennkammer und eine saubere Verbrennung erzielt werden. Zudem soll durch eine sehr einfache Konstruktion und durch Rückgriff auf allgemein verfugbare Bauteile eine einfache Fertigung ermöglicht werden.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung dadurch, daß die Brennkammer, bestehend aus

einem frontseitigen, geschlossenen Stimteil,

einem sich daran anschließenden Brennkammermantel, der Öffnungen zum Durchtritt der verdichteten Luft und einen Verbrennungsraum und einen rückwärtigen Auslaß des erhitzten Gases zur Turbinenstufe aufweist und

einer Zufuhrungseinrichtung zum Einbringen von Krafftstoff in den Verbrennungsraum, dadurch gekennzeichnet daß, die Zufuhrungseinrichtung mehrere bogenförmige Mischröhrchen aufweist, die eintrittsseitig an dem Stimteil, dieses durchdringend, befestigt sind, in deren Eintrittsöffhungen jeweils ein Kraftstoffeinspritzröhrchen einmündet und deren Austrittsöffnung im Brennraum gleichsinnig schräg gegen das Stimteil geneigt sind.

In den Mischröhrchen werden flüssiger Kraftstoff, der mittels der Einspritzröhrchen eintrittsseitig in die Mischröhrchen eingespritzt wird, und Frischluft vorvermischt. Dabei verdampft bereits ein Teil des Kraftstoffes. Anschließend wird der noch flüssige Rest durch die schräg endenden Mischröhrchen unter Drall gegen das Stimteil der Brennkammer gespült. Dort schlägt sich der noch flüssige Kraftstoff nieder und verteilt sich wegen des, durch den Anströmwinkel der Mischröhrchen hervorgerufenen Dralles, gleichmäßig über das gesamte Stimteil.

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Die Verbrennungswärme in der Brennkammer und rezirkulierende heiße Verbrennungsgase verdampfen nun den am Stirnteil befindlichen Kraftstoffilm und stecken das entstehende Gemisch in Brand.

Das Wesen der Erfindung ist die besondere Form und Anordnung der Mischröhrchen. Der fur die Verbrennung notwendige Luftquerschnitt wird auf einige wenige Mischröhrchen aufgeteilt. Um dennoch eine radialsymmetrische Verbrennung und somit am Brennkammerausgang eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu erhalten ist die beschriebene, einen Drall erzeugende Anordnung notwendig. Nur so gelingt es, bereits mit drei bis sechs Röhrchen eine befriedigende Temperaturverteilung zu erreichen.

Durch die Erfindung werden zahlreiche Vorteile erzielt. Wegen des durch die Mischröhrchen erzeugten Dralles kommt es zu einer gleichmäßigen Verteilung des Kraftstoffes und in der Folge zu einer sauberen Verbrennung.

Die Einspritzung des Kraftstoffes erfolgt durch simples Einleiten in die Mischröhrchen. Dazu ist nur der Brennkammerüberdruck zu überwinden, was einen geringen Aufwand für die Kraftstofförderpumpe bedeutet. Insbesondere kann auf komplizierte Einspritzdüsen verzichtet werden. Das Kraftstoffördersystem mitsamt allen Installationen kann in Folge sehr einfach und leicht ausgeführt werden.

Durch den beschriebenen Drall erreicht man schon mit wenigen Mischröhrchen eine befriedigende Temperaturverteilung, was eine einfache Herstellung ermöglicht.

Das Zusetzen der Kraftstoffeinspritzröhrchen durch Verdampfungsrückstände des Kraftstoffes kann nicht stattfinden, da diese kaum erhitzt werden und folglich dort keine Verdampfung stattfindet. Es kann somit eine hohe Standzeit erreicht werden.

Die Verwendung von Mischröhrchen bei Gasturbinen ist nicht neu. Große Triebwerke benutzen in der Regel 24 Stück oder mehr. Nur einige kleine Triebwerke kommen bereits mit zwölf Mischröhrchen aus. Der Unterschied zu Kleinstgasturbinen liegt in folgendem:

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Bei großen Triebwerken verdampft der Kraftstoff fast vollständig in den Mischröhrchen. In der Kleinstgasturbine verdampft der Kraftstoff wegen der genngeren Temperaturen und Drücke vorwiegend erst an der Brennkarnmerstimwand.

Die Brennkammer ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung mit einer Anzahl von Düsen bestückt, die einen Luftstrahl entlang dem Brennkammerstirnteil strömen lassen. Der aus dieser Strömung resultierende Sog fördert die Rezirkulation heißer Gase aus dem Verbrennungsbereich. Die so mitgerissenen, teilweise noch im Verbrennungsprozeß befindlichen Gase unterstützen den beschriebenen Verdampfungsprozeß an der Brennkammerstirnwand.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Einspritzung des Kraftstoffes in die Mischröhrchen mittels dünner Kanülen, die an einen Ringyerteiler angeschlossen sind. In Folge der kleinen Abmessungen der Kanülen und der wegen der für Kleinstgasturbinen typischen geringen Kraftstoffflüsse, stellt sich eine laminare Strömung ein. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußmenge des Kraftstoffes proportional mit dem Kraftstoffdruck ansteigt. Im Unterschied dazu erhielte man bei der Kraftstoffeinspritzung mittels einer einfachen Bohrung oder einer Düse eine quadratische Beziehung zwischen Einspritzmenge und Einspritzdruck. In der Folge vereinfacht sich bei der erfindungsgemäßen Ausbildung die Regelung der Brennkammer erheblich, da der Einspritzdruck hier lediglich linear mit der Kraftstoffmenge anwächst.

Durch diese Anordnung kann auch ein höherer Kraftstoffdruck im Leerlaufbereich eingestellt werden. Dies ist sinnvoll, da im Verteilerring ein geringer hydrostatischer Druckunterschied herrscht. So fließt in die gerade unten liegenden Kraftstoffeinspritzröhrchen immer etwas mehr Flüssigkeit, was eine ungleichmäßige Verbrennung zur Folge hätte. Bei einem genügend hohen Kraftstoffdruck ist der beschriebene Druckunterschied im Verteilerring nicht mehr von Bedeutung. In der Folge erreicht man über einen weiten Betriebsbereich der Brennkammer eine sehr gleichmäßige und saubere Verbrennung.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispieles eines Strahltriebwerkes zur Gewinnung einer Vortriebskraft.

Es zeigen:

Figur 1 ein erfindungsgemäß ausgebildetes Strahltriebwerk im Längsschnitt.

Figur 2 die Brennkammer des Triebwerkes nach Figur 1 in z.T. geschnittenen Zustand.

Figur 3 eine brennraumseitige Draufsicht auf die Stirnwand der Brennkammer nach Figur 2 mit einem Teilausschnitt zur Darstellung der Anordnung der Mischröhrchen.

Die Figur 1 zeigt in einem schematischen Längsschnitt eine Kleinstgasturbine im Modellformat, wie sie z.B. zum Antrieb eines Modellflugzeuges Anwendung finden kann. In einem Gehäuse 1 ist frontseitig eine Verdichterstufe, bestehend aus einem Radialverdichter 2 mit zugehörigem Lufteinlaß 3 angeordnet. Der Radialverdichter sitzt auf einer Welle 4, die das Gehäuse 1 axial durchdringt und an deren rückwärtigem Ende eine Turbinenstufe, hier in Form einer Axialturbine 5, befestigt ist. Die Verdichterstufe 2 dient zur Komprimierung von angesaugter Luft, die einer Brennkammer 6 zuführbar ist, deren Brennkammermantel 7 Öffnungen 8 zum Durchtritt der verdichteten Luft in einen Verbrennungsraum 9 aufweist. Die Brennkammer besitzt ferner einen rückwärtigen Auslaß 10 für die erhitzte Luft zur Turbinenstufe 5, wobei die ausströmende Luft in einer Schubdüse 11 weiter beschleunigt wird, und so der gewünschte Schub entsteht. Ein derartiges Modell-Strahltriebwerk ist durch die Deutsche Gebrauchsmusterschrift G 93 09 377.2 bekanntgeworden und wird dort in grösseren Einzelheiten beschrieben, so daß darauf Bezug genommen werden kann.

Bei Kleinstgasturbinen dieser Art kommt, wie eingangs erwähnt, der Ausbildung der Brennkammer, insbesondere der Gemischaufbereitung in der Brennkammer eine besondere Bedeutung zu. Die entsprechende erfindungsgemäße Brennkammerausbildung ist dabei besonders deutlich in den Figuren 2 und 3 zu erkennen. Gemäß der Erfindung weist die Zufuhreinrichtung zum Einbringen des Kraftstoffes in den Verbrennungsraum 9

bogenförmige Mischröhrchen 12 auf. Diese Misehröhrchen sind eintrittsseitig mit dem Stirnteil 13 der Brennkammer verbunden und durchdringen dieses. Die Austrittsöffnung der Misehröhrchen im Brennraum 9 sind gleichsinnig schräg gegen das Stirnteil 13 geneigt, um einen gewissen Drall zu erzeugen.
Die Kraftstoffeinspritzung in die Misehröhrchen 12 erfolgt mittels der Kraftstoffeinspritzröhrchen 14, die die Form von Kanülen haben. Die Zuleitung des Kraftstoffes erfolgt über die Zuleitung 15 und den Verteilerring 16.

In den Misehröhrchen 12, werden flüssiger Kraftstoff und Frischluft vorvermischt. Dabei verdampft bereits ein Teil des Kraftstoffes. Anschließend wird der noch flüssige Rest durch die schräg endenden Misehröhrchen unter Drall gegen das Stirnteil 13 der Brennkammer gespült. Dort schlägt sich der noch flüssige Kraftstoff nieder und verteilt sich wegen des, durch den Anströmwinkel der Misehröhrchen hervorgerufenen Dralles, über das gesamte Stirnteil. Die Verbrennungswärme in der Brennkammer und rezirkulierende heiße Verbrennungsgase verdampfen nun, den am Stirnteil befindlichen Kraftstoffilm und stecken das entstehende Gemisch in Brand.

Zur Optimierung der Gemischaufbereitung sind Düsen 17 vorgesehen, die von der verdichteten Luft angeströmt werden und im Verbrennungsraum für eine intensive Verwirbelung des Gemisches Sorge tragen. Die Düsen sind gleichmäßig am Umfang des Brennkammermantels 7 verteilt und strömen den Verbrennungsraum schräg radial an. Bevor die heißen Verbrennungsgase die Brennkammer verlassen, erfolgt eine Abkühlung durch die mittels der Sekundärluftzufuhr 18 zugeleitete Kühlluft.

Das Wesen der Erfindung ist die besondere Form und Anordnung der Misehröhrchen 12. Der für die Verbrennung notwendige Luftquerschnitt wird auf einige wenige Misehröhrchen aufgeteilt. Um dennoch eine radialsymmetrische Verbrennung und somit am Brennkammerausgang eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu erhalten ist die beschriebene, einen Drall erzeugende Anordnung notwendig. Nur so gelingt es, bereits mit drei bis sechs Röhrchen eine befriedigende Temperaturverteilung zu erreichen.

Claims

Thomas Kamps 15.03.1995 Dekan-Hilpisch-Str.9 56337 Simmern Schutzansprüche

1. Kleinstgasturbine im Modellformat, mit einer frontseitigen Verdichterstufe (2) zur Komprimierung von angesaugter Luft, einer rückwärtig angeordneter Turbinenstufe (5) und mit einer zwischengeschalteten Brennkammer (6), bestehend aus

- einem frontseitigen, geschlossenen Stirnteil (13),

- einem sich daran anschließenden Brennkammermantel (7), der Öffnungen (8,18) zum Durchtritt der verdichteten Luft und einen Verbrennungsraum (9) und einen rückwärtigen Auslaß (10) des erhitzten Gases zur Turbinenstufe (5) aufweist und

- einer Zufuhrungseinrichtung (12,14,15,16) zum Einbringen von Kraftstoff in den Verbrennungsraum (9), dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungseinrichtung mehrere bogenförmige Mischröhrchen (12) aufweist, die eintrittsseitig an dem Stirnteil (13), dieses durchdringend, befestigt sind, in deren Eintrittsöffiiungen jeweils ein Kraftstoffeinspritzröhrchen (14) einmündet und deren Austrittsöfmung im Brennraum (9) gleichsinnig schräg gegen das Stirnteil (13) geneigt sind.

2. Kleinstgasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischröhrchen (12) gleichmäßig über den Umfang des Stirnteiles (13) verteilt angeordnet sind.

3. Kleinstgasturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im frontseitigen Bereich des Brennkammermantels (7) eine Anzahl von Düsen (17) vorgesehen ist, derart, daß ein Luftstrahl schräg entlang dem Brennkammer-Stirnteil richtbar ist.

4. Kleinstgasturbine nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstofifeinspntzröhrchen (14) durch gleichlange dünne Kanülen gebildet sind, die ausgangsseitig in den Mischröhrchen (12) enden und die eingangsseitig mit dem Ringverteiler (16) verbunden sind, der an einer Kraftstoffzufuhr (15) angeschlossen ist.