DE3500447A1 - Gasturbine - Google Patents

Description

• Gasturbine
• Gegenstand der Erfindung ist eine Gasturbine mit axialem Brenngas-Strom,bei der die äußere Schaufelkühlung der Turbinenräder durch einen im abgeteilten Gehäuse-Sektor geführten Verdichter-Luftstrom erfolgt.-Diese optimale Schaufelkühlung vermindert aber die Turbinen-Leistung,weil die Turbinenräder während ihres Umlaufes nicht ständig vom Brenngas,sondern auch von der Kühlluft beaufschlagt sind.
• Eine derartige aber in der Leistung verbesserte Gasturbine ist mit der DDR-Patentschrift Nr. 99 416 bekanntgeworden.Dort ist die vorbeschriebene Schaufelkühlung auf nur wenige wärmemäßig zu hoch belastete Turbinenräder beschränkt,und im separaten Kühlluftkanal eine zweite Brennkammer zur Aufheizung des Kühlluftstromes vor den nachfolgenden Turbinenstufen angeordnet.Die beiden an den Brennkammern liegenden Turbinenräder haben aber eine unterschiedliche Leistungsabgabe.Die der ersten Turbinenstufe nachgeordneten Stufen können außerdem nur mit dem Rest-Sauerstoff des aus der ersten Stufe komnenden Brenngases arbeiten,was den Verzicht auf eine der ersten Stufe entsprechende Leistung bedeutet.Auch für den Betrieb mit dem leistungsstärkeren und umweltfreundlichen Wasserstoff oder Knallgas als Brennstoff reicht die im letztgenannten Patent angewandte beschränkte äußere Schaufelkühlung nicht aus,weil die der zweiten und im Rühlluftkanal angeordneten Brennkammer nachgeordneten Turbinenräder nicht mehr von der unmittelbar aus dem Verdichter kommenden und relativ kalten Kühlluft gekühlt werden können.
• In Industrie-Gasturbinen ist auch eine Folge-Aufheizung des Brenngases derart bekannt,daß dem aus der ersten Turbinenstufe kommenden Abgas in einer nachfolgenden Brennkaumer weiterer Brennstoff eingespritzt wird,weil hier noch ein Luftüberschuß besteht.Letzterer ist aber danach verbraucht.
• In Flugzeug-Gas turbinen sind vor der Schubdüse auch Nachbrenn-Einrichtungen angeordnet,in denen zusätzlich eingespritzter Brennstoff den Schub befristet vergrößert.In der Stratosphäre funktioniert dies wegen des zu geringen Sauerstoff-Anteiles der Luft nicht mehr,und das Abgas wird auch dadurch zu fett und umweltschädlich.
• Aufgabe dieser Erfindung war es,die Leistung einer Gasturbine der eingangs genannten Art mit mehreren,mindestens aber drei Turbinenstufen gleicher Leistung,welche die Halbbeaufschlagung der Turbinenräder mit Brenngas durch Zuführung von frischer Verdichterluft gleichen Druckes und gleicher Temperatur wie in der ersten Stufe ausgleichen sollen,wesentlich zu steigern und die Gasturbine mit anderen bekannten Strahlantriebs-Techniken derart zu einem Triebwerks-Verbund zu kombinieren,daß sie sowohl am Boden als auch in der Stratosphäre einen gleichbleibenden Schub erzeugen kann.-Weil sich die Gasturbine mit äußerer Schaufelkühlung durch den separaten Verdichter-Kühlluftstrom auch für den Betrieb mit Wasserstoff als Brennstoff besonders gut eignet,sollen auch die für den sauerstoffarmen Betrieb im Stratosphären-Flug benötigten Zusatz-Strahlantriebs-Einrichtungen für den vorgenannten Brennstoff eingerichtet sein,wobei die Knallgas-Verbrennungstemperatur von ca. 3500 Grad Celsius bei der Plazierung im Triebwerks-Verbund zu berücksichtigen war.
• Die Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben.
• Der mit dieser Erfindung erzielbare Fortschritt besteht in einer wesentlichen Leistungssteigerung,welche den Nachteil der Minderleistung von partiell mit Brenngas beaufschlagten Gasturbinen aufhebt,und der vorzugsweisen Eignung für den Wasserstoff-Betrieb ,was diese Gasturbine zum leistungsstärksten und zugleich umweltfreundlichsten Strahl-Triebwerk macht,welches in der hier beschriebenen Konstruktion sowohl am Boden,als auch in der Stratosphäre gleichstarken Schub ermöglicht.
• Ein Ausführungs-Beispiel der Erfindung ist mit den Abbildungen und der nachfolgenden Beschreibung erläutert.
• Abb.l ist der Längsschnitt durch die Gasturbine Abb.2 ist der Querschnitt C-D Abb.3 ist ein Teilschnitt A2-B2 durch das Heck der Gasturbine Abb.4 ist die Ansicht mit der Bug-Spitze Zu Abb.l Im Turbinen-Gehäuse(l) sind in bekannter Weise der vielstufige Axial-Hochdruck-Verdichter (20),die Brennkammern( 13) und die Turbinenräder (6) angeordnet.Das Turbinen-Gehäuse(l) ist durch die Trennwand(2) in einen Brenngaskanal(3) und den Luftkanal(4) geteilt.Zwischen dem Verdichter(20) und dem Turbinen-Gehäuse(l) ist ein Luft-Verteilergehäuse(33) angeordnet,von welchem die Luft-Verbindung sowohl zur Brennkanrner(l3) der ersten Turbinenstufe und über die Luft-Verbindungsrohre(ll) zu den Brennkamnern(13-2) beziehungsweise(13-3) der zweiten und dritten Turbinenstufe,als auch zum Luftkanal(4) und über die Luft-Verbindungsrohre (11) zu den Turbinenstufen 2 und 3 hergestellt ist.Die Luft-Verbindungsrohre(ll) münden in schräg am Turbinen-Gehäuse(l) angebrachten Slischen(l-l) in die betreffenden Kanäle des Turbinen-Gehäuses(l).Durch die Luft-Verbindungsrohre(ll) erhalten auch die der ersten Turbinenstufe nachgeordneten Turbinenstufen einen ausreichenden Luft-Uberschul3,der bekanntlich mit einem niedrigen Brennstoff-Anteil ein mageres und umweltfreundliches Abgas ermöglicht.Die Turbinenräder der Turbinenstufen 1 bis 3 haben den gleichen Durcrmesser.Die anschließenden Turbinenstufen sind in bekannter Weise mit größer werdenden Turbinenrädern(6-4) ausgestattet.Vor dem Hochdruck-Verdichter(20) ist in bekannter Weise eine von der Welle(S) über ein nicht dargestelltes Untersetzungs-Getriebe angetriebene Luftschraube(39) angeordnet,welche bekanntlich auch den FIantel-Luftstrom erzeugt.Im Luft-Verteilergehäuse(33) sind vor dem Luftkanal(4) radiale Kühlrippen(35) angeordnet,welche auch in den Ringkanal(37) für den Luft-tIantelstrom hineinragen,sodaß dort aus der verdichteten Luft Kompressions-Wärme in den Luft-Mantelstrom abgeleitet werden kann,und die für die Kühlung der Turbinenrad-Schaufeln bestimmte Luft ihre Funktion ausüben kann.
• Zu Abb.2 Diese Abbildung zeigt die Teilung des Turbinen-Gehäuses(l) durch die Trennwand(2)in den Brenngaskanal(3) und Luftkanal(4),sowie die Lage der radialen Kühlrippen(35),welche sowohl in den Lu£tkanal(4),als auch in den Ringkanal(37) für den Luft-Mantelstrom hineinragen.Auch die Vielzahl der Luft-Verbindungsrohre(ll) ist ersichtlich,ebenso die Anordnung der Brennkammern(13) im Brenngaskanal(3).
• Zu Abb.3 In diesem Bild sind die für die Erreichung der Stratosphäre notwendigen Zusatz-Brennkammern(13-4) und (13-5) dargestellt.Die für den Betrieb mit flüssigem Wasserstoff und Sauerstoff eingerichtete Zusatz-Brennkammer(13-4) ist im nac'n hinten verlängerten Innenkegel(38) der Schubdüse angeordnet.Sie wird in großen Flughöhen selbsttätig beim Nachlassen des von der Gasturbine erzeugten Antriebs-Schubes in Betrieb gesetzt und unterstützt sonit die Gasturbine bei der Schub-Erzeugung,wobei die Steuerung der Brennstoff-Einspritzung in die Brennkammern der Gasturbine und der Zusatz-Brennkammer(13-4) derart erfolgt,daß die Gasturbinen-Brennstoff-Zufuhr beim Abfallen des Verdichtungsdruckes gedrosselt und die Brennstoff-Zufubr der Zusatz-Brennkarrmer(l3-4) erhöht wird.An der letztgenannten Brennkammer sind in bekannter Weise die Sauerstoff-Einspritzdüse(40) und die Wasserstoff-Einspritzdüse(41) angeordnet.Nach Erreichen der Uberschall-Geschwindigkeit werden die auSoerhalb der Außenhaut(36) über deren Unfang gleichmäßig verteilten Zusatz-Brennkammern(13-5) in Betrieb gesetzt,welche mit der bekannten Staudruck-Verdichtung der Luft arbeiten und wahlweise den üblichen Brennstoff Kerosin oder flüssigen WasserstofX zugeführt bekommen.An den Zusatz-3rennkammern(13-5) sind in bekannter Weise die Brennstoff-Einspritzdüse(41) und die Zündeinrichtung(42) angeordnet.Mit dem Einsetzen des Staudruck-Strahl-Antriebes wird die Brennstoff-Zufuhr in die Brennkammern(13) der Gasturbine abgestellt'sodaß von diesem Zeitpunkt an allein die Zusatz-Brennkanrnern(l3-5) den Antriebs-Schub erzeugen. So ergänzen sich höhenabhängig alle vorgenannten Brennkammern in ihrer Funktion und bilden somit einen Strahl -Triebwerks-Verbund.
• Zu Abb.4 In dieser Abbildung ist die Gasturbine mit allen Zusatz-trennkammern (13-4) und (13-5) dargestellt.Die Bugspitze(43) deckt mit ihrer Grundfläche die Gasturbinen-Frontfläche ganz ab,sodal3 letztere durch den Staudruck nicht beschädigt werden kann,und ihr Luft-Widerstand wesentlich vermindert ist.In der Nähe ihrer Grundfläche hat die Bugspitze(43) eine bestimnte Anzahl Luft-Eintritts-Öffnungen(44),welche den Lufteintritt in den Hochdruck-Verdichter(20) ermöglichen.
• Die Montage der kompletten Gasturbine am Flugzeug ist mit den strichpunktierten Linien angedeutet.Das Gestell(45) ist das Verbindungsteil zwischen der Gasturbine und der Flugzeug-Tragfläche(46).
• Die Verwendung dieser Gasturbine soll als umweltfreundliches Strahl-Triebwerk für Stratosphären-Flugzeuge erfolgen.
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Claims (3)

1. Patentanspruch 1 Gasturbine mit äußerer Schaufelkühlung durch einen im Turbinengehäuse separat geführten Verdichter-Luftstrom,mehreren Turbinenstufen,einer weiteren Brennstoff-Zuführung in das Brenngas nach der ersten Turbinenstufe,einer Kühleinrichtung für die aus dem Verdichter kommende Luft,einer Zusatz-Brenneinrichtung für die befristete Schubvergrößerung,einer Luftmantelstromführung um das Turbinengehäuse und einer Schubdüse für den Betrieb als Flugzeug-Strahltriebwerk,dadurch gekennzeichnet,daß 1.1 vor mehreren Folge-Turbinenrädern(6-2) und (6-3) in den Brenngaskanal(3) gerichtete Folge-Brennkanmern(l3-2) und (13-3) angeordnet sind,welche über Luft-Verbindungsrohre(ll) und das Luft-Verteilergehäuse(33) mit dem Hochdruck-Verdichter(20) in Verbindung stehen sodaß auch in diesen nachgeordneten Turbinenstufen der gleiche Brenngasdruck und dieselbe Leistung wie in der ersten Turbinenstufe ermöglicht ist,wobei die betreffenden Turbinenräder(6-2) und (6-3) den gleichen Durchmesser wie das erste Turbinenrad haben , und 1.2 auch der Luftkanal(4) vor den letztgenannten Turbinenrädern über die Luft-Verbindungsrohre(ll) mit dem Verdichter verbunden ist , sodaß die Folge-Turbinenräder(6-2) und (6-3) ebenfalls mit Frischluft gekühlt werden können.
2. 2.1 Gasturbine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß mehrere außerhalb der Gasturbine an ihr befestigte Zusatz-Brennkaninern(l3-4) und (13-5) für die zusätzliche Schuberzeugung angeordnet sind,welche unabhängig vom Hochdruck-Verdichter(20) funktionieren, wobei die Zusatz-Brennkniner(l3-4) in bekannter Weise für den Betrieb mit flüssigem Wasserstoff und Sauerstoff eingerichtet ist , und die Zusatz-Brennkamnern( 13-5) mit durch Staudruck verdichteter Luft in ebenfalls bekannter Weise arbeiten , und 2.2 die für Knallgas-Betrieb eingerichtete Zusatz-Brennkaniir(l3-4) in sauerstoffarmen Flughöhen bei erheblicher Linderung des von der Gasturbine erzeugten Antriebs-Schubes automatisch in Betrieb gesetzt wird und diesen erst bei Erreichen von Überschall-Geschwindigkeit wieder selbsttätig abschaltet,wobei 2.3 zum gleichen Zeitpunkt die für Staudruck-Luftverdichtung gestalteten Zusatz-Brennkammern(13-5) ihre Funktion als Schubantrieb aufnehmen.
3. 3. Gasturbine nach den Ansprüchen 1 und 2 , dadurch gekennzeichnet , daß an der Gasturbine eine bekannte spitzwinklige Bugspitze(43) mit Luft-Eintrittsöffnungen(44? angeordnet ist,deren Grundfläche die ganze Stirnfläche der Gasturbine überdeckt.