DE3534859A1 - Gasturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine zur Erzeugung von Rotationsenergie, bei der ein am Gaseinlaß liegender Kom­ pressor mit der eigentlichen Turbine mechanisch gekoppelt ist und bei der die Gase nacheinander den Kompressor, eine Brennzone und die Turbine durchströmen.

Gasturbinen werden seit Jahrzehnten zur Erzeugung von Rückstoß­ energie, also zum Antrieb von Fahrzeugen und Flugzeugen, aber auch zur stationären oder nichtstationären Erzeugung von Rota­ tionsenergie eingesetzt. Bekannte derartige Turbinen besitzen eine Welle, die parallel zum Gasstrom in einem Turbinengehäuse gelagert ist. Über diese Welle sind Turbinenräder, deren Schau­ feln vom Gasstrom getroffen werden, mit einem ein- oder mehr­ stufigen Kompressor mechanisch gekoppelt, der den Einlaßgas­ strom verdichtet, ehe das Gas in die Brennkammern und von dort auf die Turbinenschaufeln gelangt.

Bei der Erzeugung von Rotationsenergie kommt es darauf an, die kinetische Energie des parallel zur Welle aus der Turbine austretenden Gases möglichst weit zu reduzieren, was durch eine Kaskadenanordnung von Hochdruck- und Niederdruckturbinen­ stufen weitgehend erreicht wird. Um einen thermischen Wirkungs­ grad von über 30% zu erreichen, muß man jedoch einen großen Kosten- und Raumaufwand treiben.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gasturbine anzugeben, die in einer kompakten, doch einfachen Anordnung Rotationsenergie mit einem wesentlich höheren Wirkungsgrad als bekannte Turbinen erzeugt.

Diese Aufgabe wird durch die eingangs definierte Gasturbine erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kompressor im zentralen Bereich einer rotierend gelagerten Scheibe angebracht ist, in deren peripherem Bereich die Schaufeln der Turbine befestigt sind, und daß die Brennzone zwischen diesen beiden Bereichen liegt, wobei Leitschaufeln am die Scheibe umgebenden Gehäuse vor und/oder hinter der Brennzone so befestigt sind, daß die vom Kompressor verdichteten Gase spiralförmig nach außen strö­ men und das Gehäuse tangential verlassen.

Die Erfindung läßt sich in verschiedenen Varianten realisieren. Eine bevorzugte Variante betrifft ein Strahltriebwerk zum Antrieb eines Flugzeugs, bei dem die erfindungsgemäße Gastur­ bine nur zum Antrieb des Kompressors eines klassischen Strahl­ triebwerks verwendet wird. Die Scheibe der erfindungsgemäßen Gasturbine besitzt dann zentrale Kanäle, durch die ein Teil der im Kompressor komprimierten Gase unmittelbar einer Brenn­ kammer zur Strahlerzeugung zugeführt wird, während ein anderer Teil an der Scheibe entlang radial nach außen zu den Turbinen­ schaufeln am Scheibenrand gelangt.

In einer anderen bevorzugten Variante wird die erfindungsgemäße Gasturbine als reiner Drehantrieb hohen Wirkungsgrads verwen­ det. In diesem Fall wird die Scheibenwelle aus dem Gehäuse herausgeführt und dient als Abtriebswelle.

Die Brennzone kann bevorzugt aus einer Mehrzahl von winkelmäßig verteilt auf der Scheibe angeordneten, der Spiralform der Gasströmung angepaßten Brennrohren bestehen, in die Brenn­ stoff-Einspritzdüsen münden. Die Brennzone kann aber auch durchgehend eine Toroidform aufweisen.

Die Erfindung wird nun anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine erfin­ dungsgemäße Gasturbine zur Erzeugung von Rotationsenergie.

Fig. 2 zeigt eine schematische Prinzipansicht der drehenden Scheibe der Gasturbine aus Fig. 1 in kleinerem Maßstab, wobei zusätzlich die drehfest angeordneten Brennrohre angedeutet sind.

Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine weitere erfindungsgemäße Gasturbine, die in Verbindung mit einer Strahlturbine verwendet wird.

Die Gasturbine, die im Schnitt in Fig. 1 gezeichnet ist, be­ steht im wesentlichen aus einer um eine Achse 1 auf zwei Wellenstutzen 2 und 3 drehbar gelagerten Scheibe 4 und einem diese Scheibe umgebenden Gehäuse 5. Die Scheibe trägt im Achs­ bereich auf einer Scheibenseite einen axial anströmbaren Kom­ pressor 6 und im peripheren Bereich auf derselben Scheibenseite die Laufschaufeln 7 einer Turbine. Das Gehäuse 5 besitzt einen Gaseinlaß 8 um den Wellenstutzen 3 herum sowie einen Gasauslaß 9 im Bereich des Scheibenrandes. Dieser Auslaß kann beispiels­ weise aus einer Vielzahl von Löchern in der Peripherie des Gehäuses bestehen. Auf der den Laufschaufeln 7 der Turbine zugewandten Seite trägt das Gehäuse zwei Gruppen von Leitschau­ feln 10 und 11, die dem Gasstrom, der vom Einlaß 8 kommt und vom Kompressor 6 radial umgelenkt wurde, eine spiralförmige Bahn entlang der Scheibe 4 nach außen aufprägen. Zwischen den beiden Gruppen von Leitschaufeln 10 und 11 sind mehrere Brennrohre 12 winkelmäßig verteilt am Gehäuse befestigt, in die Brennstoff-Einspritzdüsen 13 münden. Diese Rohre sind, wie aus Fig. 2 besser zu erkennen ist, gemäß den spiralförmigen Bahnen des Gases ausgerichtet.

Gemäß einer Variante kann auch der ganze Ringraum zwischen den beiden Gruppen von Leitschaufeln als Brennkamnmer ausgebil­ det sein, in die über eine Vielzahl von Einspritzdüsen Brenn­ stoff injiziert wird.

Das den Einlaß 8 durchströmende Gas, z.B. Luft, wird im Kom­ pressor 6 verdichtet und radial umgelenkt. Die Leitschaufeln 10 verleihen dem Luftstrom eine spiralförmige Bahn, auf der er in eines der Brennrohre 12 gelangt. Die aus den Brennrohren ausströmenden Abgase werden schließlich durch die Leitschaufeln 11 auf die Schaufeln 7 der Turbine gelenkt und treiben somit die Scheibe an. Schließlich strömen die Abgase tangential über die ganze Peripherie verteilt aus dem Gehäuse ab. Die Rotationsenergie kann an dem aus dem Gehäuse herausragenden Wellenstutzen 3 abgenommen werden.

Der Hauptvorteil dieser Turbine gegenüber axial durchströmten klassischen Turbinen, bei denen ein separater Kompressor am Gaseinlaß liegt und über eine Welle von der hinter den Brenn­ kammern liegenden Turbine angetrieben wird, liegt darin, daß die Abgase keine nutzlose Schubkraft mehr entwickeln. Daraus resultiert ein erhöhter Wirkungsgrad der erzeugten Rotations­ energie und ein verringerter Brennstoffbedarf.

In Fig. 3 ist eine Anwendung der erfindungsgemäßen Gasturbine gezeigt, bei der die Rotationsenergie nur für den Antrieb eines Kompressors 14 eines Strahltriebswerks 15 benötigt wird. Das Strahltriebwerk besteht z.B. aus Brennkammern 16 und einer freilaufenden Turbine 17 und liegt in Gasflußrichtung hinter der Scheibe 4 der erfindungsgemäßen Gasturbine. Die Luft für die Brennkammern 16 wird von dem mit der Scheibe mechanisch gekoppelten Kompressor 14 komprimiert und strömt durch Kanäle 18, die die Scheibe 4 in der Nähe der Achse 1 durchziehen. Ein Bruchteil der in das Triebwerk eindringenden Luft wird von den Schaufeln des Kompressors 6 erfaßt, der wie im Fall der Fig. 1 unmittelbar auf der Scheibe 4 angeordnet ist und nur die Aufgabe hat, die Verbrennungsbedingungen in den Brenn­ rohren 12 zu optimieren. Anschließend strömen die dort erzeug­ ten Abgase auf die Schaufeln 7, die sich an der Peripherie der Scheibe 4 befinden, so daß die Scheibe in Drehung versetzt wird.

Die Erfindung ist nicht auf die im einzelnen dargestellten Ausführungsformen beschränkt. So kann, falls ein größerer Kompressor 6 benötigt wird, dieser als mehrstufiger Axialkom­ pressor ausgebildet sein, der sich entlang des Wellenstutzens 3 ausdehnt. Die am Scheibenrand ausgebildete Arbeitsturbine kann außerdem auch eine mehrstufige Radialturbine sein.

Claims (5)

1. Gasturbine zur Erzeugung von Rotationsenergie, bei der ein am Gaseinlaß liegender Kompressor mit der eigentlichen Turbine mechanisch gekoppelt ist und bei der die Gase nachein­ ander den Kompressor, eine Brennzone und die Turbine durch­ strömen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (6) im zentralen Bereich einer rotierend gelagerten Scheibe (4) ange­ bracht ist, in deren peripherem Bereich die Schaufeln (7) der Turbine befestigt sind, und daß die Brennzone (12) zwischen diesen beiden Bereichen liegt, wobei Leitschaufeln (10, 11) am die Scheibe umgebenden Gehäuse vor und/oder hinter der Brennzone (12) so befestigt sind, daß die vom Kompressor ver­ dichteten Gase spiralförmig nach außen strömen und das Gehäuse (5) tangential verlassen.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennnzeichnet, daß die Brennzone aus mehreren winkelmäßig verteilt auf der Scheibe (4) angeordneten, der Spiralform der Gasströmung ange­ paßten Brennrohren (12) besteht, in die Brennstoffeinspritz­ düsen (13) münden.

3. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekenzeichnet, daß die Brennzone Toroidform hat und sich zur Drehachse (1) kon­ zentrisch im Gehäuse zwischen dem zentralen Kompressorbereich (6) und dem peripheren Turbinenbereich (7) befindet.

4. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (3), auf der die Scheibe sitzt, als Abtriebswelle aus dem Gehäuse herausgeführt ist.

5. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der Rotationsenergie nur zum Antrieb des Kompressors eines Strahl­ triebswerks benötigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (4) mit den peripheren Turbinenschaufeln (7) im Gas­ strom zwischen einem mit der Scheibe (4) mechanisch gekoppelten Kompressor (14) und dem Strahltriebwerk (15) liegt und daß ein Teil des komprimierten Einlaßgasstroms durch Kanäle (18), die die Scheibe axial durchqueren, unmittelbar zu den Brenn­ kammern dieses Triebwerks geführt wird, während der Rest des Gases radial entlang der Scheibe strömt (Fig. 3).