DE4006982C2 - Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasturbinentriebwerk nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Gasturbinentriebwerk ist aus der DE-PS 10 23 276 bekannt. Hierbei sind der Brenner und der Wärmetauscher bzw. Rekuperator konzentrisch zueinander angeordnet, wobei der Bren­ ner sich innerhalb des Wärmetauschers bzw. Rekuperators befin­ det.

Ein Beispiel eines Gasturbinentriebwerkes aus dem Stand der Technik ist in der Zeitschrift "Gas Turbine World", März-April 1987, S. 24, 25 und auch in Fig. 7 der vorliegenden Anmeldungsunterlagen dargestellt. Bezug nehmend auf diese Figur enthält ein Gasturbinentriebwerk 41 einen Kompressor 42, eine Brennkammer bzw. einen Verbrennungsraum 49 und eine Turbine 43, verbunden mit dem Kompressor 42 durch eine Welle 44, um so eine Last 46 durch ein Untersetzungsgetriebe 45 anzutreiben.

Ein Rekuperator 47 enthält einen Strömungskanal 47a, um, wie durch die Pfeile angegeben ist, ein Hochtemperatur-Gas von der Turbine 43 zu leiten, sowie einen Strömungskanal 47b, um komprimierte Niedrigtemperatur-Ansaugluft aus dem Kompressor 42 zu leiten. Die Strömungskanäle 47a und 47b sind nebeneinander angeordnet mit einer wärmeleitfähigen dünnen Wand zwischen beiden Kanälen, so daß die Wärme des Abgases von der Turbine 43 zu der Ansaugluft geleitet und auf diese übertragen wird, um hierdurch die Leistungsfähigkeit des Triebwerkes, d. h. den Kraftstoffverbrauch, zu verbessern.

Solch ein rekuperatives bzw. mit Wärmeaustauscher versehenes Gasturbinentriebwerk erfordert ein Wärmeisoliermaterial 51 zum Isolieren des Verbrennungsraumes 49, der Turbine 43 und einer Leitung 50 zur Verbindung zwischen diesen, um eine gute Leistungsfähigkeit bzw. Wirkungsgrad zu erreichen und gleichzeitig die benachbarten Teile und Einrichtungen vor der Wärme des Triebwerkes zu schützen. Infolgedessen ist ein Raum zur Anordnung des Wärmeisoliermateriales 51 erforderlich, der zu einer erhöhten Größe und Abmessung des Gasturbinentriebwerkes und einer erhöhten Anzahl von Bestandteilen führt und daher erhöhte Montage- und Herstel­ lungskosten nach sich zieht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Gasturbi­ nentriebwerk der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine verbesserte Luftführung mit hoher Effizienz des Wärmeübergangs von dem erhitzten Abgas auf die komprimierte Ansaugluft ermög­ licht und eine kompakte Anordnung der Bauteile aufweist, die eine einfache und wirtschaftliche Montage und Wartung des Triebwerks erlaubt.

Diese Aufgabe wird bei einem Gasturbinentriebwerk der ein­ gangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Brenner in direkte nebeneinanderliegender, radial beabstande­ ter Anordnung zu dem Rekuperator innerhalb des Gehäuses ange­ ordnet ist und der Rekuperator in hintereinanderliegender, koaxialer Anordnung zu dem Kompressor und der Turbine ange­ ordnet ist, wobei der Rekuperator und der Brenner in dem Ge­ häuse derart angeordnet sind, daß ein Raum des Gehäuses als Ansaugkanal für die von dem Kompressor komprimierte Ansaug­ luft zu dem Rekuperator dient, hohlzylindrisch ausgebildet und an einem axialen Ende durch einen Flansch verschlossen ist, der Kompressor und die Turbine an dem einen axialen Ende des Gehäuses angeordnet sind, derart, daß der Flansch zwi­ schen dem Kompressor und der Turbine angeordnet ist und der Rekuperator eine Axialführung des Abgases zum gegenüberlie­ genden Ende des Gehäuses vorsieht.

Bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Gastur­ binentriebwerkes nach einem Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine schematische Draufsicht des Gasturbinentrieb­ werkes nach Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Explosionsdarstellung des Gas­ turbinentriebwerkes nach Fig. 1,

Fig. 4 eine vergrößerte Teil-Schnittdarstellung des Gas­ turbinentriebwerkes nach Fig. 1,

Fig. 5 eine Seitenansicht eines Gasturbinentriebwerkes nach einem weiteren Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 eine Draufsicht des Gasturbinentriebwerkes nach Fig. 5, und

Fig. 7 eine schematische Schnittdarstellung eines Gas­ turbinentriebwerkes nach dem Stand der Technik.

Bezug nehmend auf die Fig. 1 bis 4 wird ein Gasturbinentriebwerk bzw. ein Gasturbinenmotor nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutert, das bzw. der allgemein durch das Bezugszeichen 1 bezeichnet ist und einen Kompressor 2, einen Brenner 3 und eine Turbine 4 enthält. Die Turbine 4 enthält einen Turbinenläufer 11, der durch das Hochtemperatur-Abgas von dem Brenner 3 angetrieben wird. Der Turbinenläufer 11 ist in Reihe mit einem Zentrifugal-Kompressorläufer 12 angeordnet und mit diesem durch eine Welle 13 verbunden. Die Welle 13 ist in auskragender Weise durch ein Paar Kugellager 15 gelagert und an einem Ende mit einem Ritzel bzw. Getriebeteil 14 zur Antriebsverbindung mit einer Last versehen. Das Abgas wird von einem Turbinengehäuse 26 der Turbine 4 emittiert und strömt in einen Wärmetauscher bzw. Rekuperator oder Vorwärmer 5 durch einen Verteiler 25, wie dies durch die großen Pfeile angedeutet ist, so daß die Wärme das Abgases auf die ankommende Ansaugluft von dem Kompressor 2 übertragen wird, wie dies durch die kleinen Pfeile angegeben ist.

Der Verteiler 25 ist durch eine Luftkammer oder Staudruckkammer 27 mit dem Turbinengehäuse 26 verbunden. In dieser Verbindung ist der Verteiler 25 mit einem kreisförmigen Flansch 25A zur Verbindung mit der Luft- oder Staudruckkammer 27 sowie mit einem rechteckigen Flansch 25B zur Verbindung mit dem Wärmetauscher bzw. Rekuperator 5 versehen. Zu diesem Zweck ist die Luft- oder Staudruckkammer 27 mit einem Flansch 27A zur Verbindung mit dem Flansch 25A des Verteilers 25 versehen. Die Luft- oder Staudruckkammer 27 ist auch mit einem Flansch 27B zur Verbindung mit dem Brenner bzw. Verbrennungsraum 3 verbunden.

Der Rekuperator 5 ist mit einem Abgaskanal parallel zur axialen Richtung der Welle 13 versehen, um durch diesen hindurch das Abgas, das von der Turbine 4 kommt, zu leiten. Der Rekuperator 5 ist auch mit einem Luftkanal im wesentlichen parallel zu dem Abgaskanal versehen, um die komprimierte Ansaugluft, die von dem Kompressor 2 kommt, zu leiten. Der Abgaskanal und der Luftkanal des Rekuperators 5 sind nebeneinander angeordnet, getrennt durch eine dünne, wärmeleitende Wand.

Der Rekuperator 5 und der Brenner 3 sind nebeneinander und in paralleler Anordnung zueinander in Bezug auf die Strömungsrichtung des Abgases durch den Rekuperator 5 angeordnet. Der Rekuperator 5, der Brenner 3 und die Turbine 4 sind innerhalb einer Kammer bzw. eines Gehäuses 21 angeordnet, derart, daß ein Raum 21a des Gehäuses 21, der den Rekuperator 5, den Brenner 3 und die Turbine 4 umgibt, und als ein Luftkanal für die Führung und Leitung der komprimierten Ansaugluft vom Kompressor 2 zum Rekuperator 5, dient. Insbesondere wird die Ansaugluft durch einen Kompressorläufer 12 verdichtet und von dem Kompressor 2 emittiert. Die komprimierte Ansaugluft strömt anschließend, wie durch die kleinen Pfeile angedeutet, durch einen Ringkanal 23, ausgebildet in einem Flansch 22 zum Schließen eines Endes der Kammer in den Raum 21a des Gehäuses 21. Das Gehäuse 21 und der Flansch 22 sind miteinander durch eine Mehrzahl von Schrauben verbunden bzw. befestigt.

Der Rekuperator 5 ist mit einem Einlaßanschluß 5A zur Einführung der komprimierten Ansaugluft in diesen, die von dem Raum 21a des Gehäuses 21 kommt, versehen. Die komprimierte Ansaugluft, die durch den Einlaßanschluß 5A in den Rekuperator 5 eingeführt wird, wird durch die ankommenden Abgase erwärmt und ändert seine Strömungsrichtung an einem Kopfteil 5C. Von diesem strömt die komprimierte Ansaugluft in den Brenner bzw. Verbrennungsraum 3 durch einen Auslaßanschluß (nicht gezeigt), der in einem Flansch 5B des Rekuperators 5, vorgesehen zur Verbindung mit dem Brenner 3, ausgebildet ist.

Obwohl der Wärmetauscher bzw. Rekuperator 5 hier als ein Rekuperator vom Gegenstrom-Typ erläutert wurde, ist dies nicht in einem begrenzenden Sinne zu verstehen, z. B. kann ein Querstrom-Rekuperator anstelle des Gegenstrom-Rekuperators verwendet werden.

Der Brenner 3 ist mit einer Kraftstoff-Einspritzeinrichtung 6 und einer Zündkerze 7 versehen. Die Einspritzeinrichtung 6 spritzt Kraftstoff in die Brennkammer 3 ein. Der Kraftstoff wird mit der komprimierten Ansaugluft vermischt, die von dem Rekuperator 5 kommt, um ein Luft/Kraftstoff-Gemisch zu bilden. Das Luft/ Kraftstoff-Gemisch wird durch die Zündkerze 7 gezündet und zu Heißgas verbrannt. Das Heißgas wird vom Brenner 3 emittiert, wie dies durch die großen Pfeile angegeben wird. Das von dem Brenner 3 emittierte Heißgas ändert seine Strömungsrichtung an einem Strömungskanal 28, gebildet durch die Staudruckkammer 27 und ein Isoliermaterial 33 und strömt in einen Spiralströmungskanal 29, gebildet durch das Turbinengehäuse 26. Das Heißgas wird anschließend zu einem Turbinenläufer 11 geführt, um diesen anzutreiben und anschließend als Abgas entlassen. Das Isoliermaterial 33 ist mit dem Flansch 22 anhaftend verbunden bzw. verklebt und isoliert den Strömungskanal 28 in der Staudruckkammer 27.

In Fig. 4 ist eine Kappe 35 gezeigt, die das andere Ende des Brenners 3 entgegengesetzt zu dem Ende verschließt, das durch den Flansch 22 verschlossen ist, wobei an der Kappe die Kraftstoff-Einspritzeinrichtung 6 und die Zündkerze 7 vorgesehen sind. Die Kappe 35 ist hohl und mit einem Strömungskanal 36 versehen, in den durch einen Einlaßanschluß 37 die komprimierte Ansaugluft eingeführt wird. Die komprimierte Ansaugluft strömt anschließend durch eine Mehrzahl von Auslaßöffnungen 38 und eine äußere Umfangskammer 3a des Brenners 3 in eine Verbrennungskammer 3b des Brenners 3. Hierdurch wird es möglich, die Kraftstoff-Einspritzeinrichtung 6 und die Zündkerze 7 zu kühlen und gleichzeitig den Brenner 3 zu isolieren.

Im Betrieb wird die Wärme, die von dem Brenner 3, der Turbine 4 und dem Rekuperator 5 abgestrahlt wird, auf die komprimierte Ansaugluft geleitet, die durch den Raum 21a des Gehäuses 21 strömt. Entsprechend ist der Raum 21a des Gehäuses 21 wirksam, um nicht nur als zusätzlicher Wärmetauscher oder Vorwärmeinrichtung zu dienen, sondern um als Wärmeisolator zu dienen und es hierdurch möglich zu machen, nicht nur die Leistungsfähigkeit und den Wirkungsgrad des Triebwerkes zu verbessern, sondern auch die Menge an Wärmeisoliermaterial beträchtlich zu vermindern, die erforderlich ist, um den Brenner 3, die Turbine 4 und den Rekuperator 5 zu isolieren. Das Gasturbinentriebwerk bzw. der Gasturbinenmotor 1 kann daher in seiner Größe kompakt und in seinem Gewicht leicht sein.

Der Rekuperator 5 ist in Reihe mit der Turbine 4 durch den Verteiler 25 verbunden und ist durch den Flansch 5a in Parallelschaltung mit dem Brenner 3 verbunden. Hierdurch ist eine raumfordernde Verrohrung zur Verbindung dieser Teile nicht erforderlich, wobei dies zu einer kompakten Ausführung des Motors beiträgt.

Das Gehäuse 21 ist in einer hohlzylindrischen Form ausgeführt und vorgesehen, um mit dem Flansch 22 und der Kappe 35 jeweils an den entgegensetzten Enden verbunden zu werden. Solch ein zylindrisches Gehäuse 21 kann eine ausreichende Steifigkeit erhalten, um den Rekuperator 5, den Brenner 3 etc. zu lagern und kann eine Festigkeit besitzen, die erforderlich ist, um als Druckbehälter zu dienen, selbst dann, wenn ein verhältnismäßig dünnes Blechmaterial zur Herstellung des Gehäuses verwendet wird, so daß es möglich ist, das Gewicht des Gasturbinenmotors zu vermindern.

Außerdem kann das Gehäuse 21 aus Blech umformtechnisch durch Pressen hergestellt werden, wobei dies ebenfalls zu einer Kostenverminderung beiträgt.

Die Fig. 5 und 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in dem ein Kanal 40 außerhalb eines Gehäuses bzw. einer Kammer 43 zur Leitung von komprimierter Ansaugluft von einem Spiralkanal 42 eines Kompressors 41 zum Inneren einer Kammer 43 vorgesehen ist. Die Kammer bzw. das Gehäuse 43 ist zylindrisch und durch einen Flansch 44 mit einem Gehäuse des Kompressors 41 verbunden. Obwohl nicht gezeigt, ist die Kammer bzw. das Gehäuse 43 vorgesehen, um ebenfalls einen Brenner, eine Turbine und einen Rekuperator zu umschließen, die in vergleichbarer Weise wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel angeordnet sind.

Dieses Ausführungsbeispiel macht es möglich, die Gestaltungsschranken für den Gasturbinenmotor zu vermindern, z. B. um ein Lager oder mehrere Lager in dem Raum zwischen dem Kompressor und der Turbine anzuordnen.

Aus den vorstehenden Erläuterungen ist deutlich, daß erfindungsgemäß ein Rekuperator bzw. Wärmetauscher (Vorwärmeinrichtung) und ein Brenner parallel zueinander angeordnet sind und umschlossen werden durch eine Kammer bzw. ein Gehäuse, so daß ein Raum der Kammer bzw. Innenraum des Gehäuses, der den Rekuperator und den Brenner umgibt, als ein Kanal dient, um durch diesen hindurch komprimierte Ansaugluft, die von dem Kompressor kommt, zu dem Wärmetauscher zu führen, wodurch der vorerläuterte Raum der Kammer bzw. des Gehäuses wirksam ist, um nicht nur als zusätzliche Wärmetauscheinrichtung zur Leitung von Wärme des Abgases auf die komprimierte Ansaugluft zu dienen, sondern um ebenso als Wärmeisolator zu dienen, so daß es möglich ist, die Leistungsfähigkeit des Triebwerkes bzw. Motors zu erhöhen und es nicht länger erforderlich ist, eine beträchtliche Menge an Isoliermaterial, Verrohrung etc. aufzubringen, um hierdurch den Gasturbinenmotor in seiner Größe kompakt und mit niedrigem Gewicht auszuführen sowie in seinen Herstellungskosten niedrig zu halten.

Die Erfindung betrifft einen Gasturbinenmotor mit einem Wärmetauscher und einem Brenner, die in paralleler Anordnung zueinander, bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgases durch den Rekuperator, angeordnet sind. Der Wärmetauscher bzw. Rekuperator und der Brenner sind in einer Kammer bzw. einem Gehäuse umschlossen, so daß ein Raum des Gehäuses, der den Rekuperator und den Brenner umgibt, als ein Kanal zur Einführung von komprimierter Ansaugluft von einem Kompressor zu dem Wärmetauscher bzw. Rekuperator dient.

Claims (5)

1. Gasturbinentriebwerk mit einem Brenner zum Verbrennen ei­ nes Ansaugluft/Kraftstoff-Gemisches zu Heißgas, einem Kom­ pressor zum Zuführen von komprimierter Ansaugluft zu dem Brenner, einer Turbine zur Aufnahme des Heißgases von dem Brenner und zur Abgabe von Abgas, einem Rekuperator zur Über­ tragung von Abgaswärme des Abgases von der Turbine auf die von dem Kompressor komprimierte Ansaugluft, wobei der Rekupe­ rator in bezug auf die Strömungsrichtung des Abgases durch den Rekuperator parallel zu dem Brenner angeordnet ist und der Rekuperator sowie der Brenner in einem gemeinsamen Gehäu­ se angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (3) in direkte nebeneinanderliegender, radial beabstandeter Anordnung zu dem Rekuperator (5) innerhalb des Gehäuses (21, 43) angeordnet ist und der Rekuperator (5) in hinterein­ anderliegender, koaxialer Anordnung zu dem Kompressor (2, 41) und der Turbine (4) angeordnet ist, wobei der Rekuperator (5) und der Brenner (3) in dem Gehäuse (21, 43) derart angeordnet sind, daß ein Raum (21a) des Gehäuses (21, 43) als Ansaugkanal für die von dem Kompressor (2, 41) komprimierte Ansaugluft zu dem Rekuperator (5) dient, hohlzylindrisch ausgebildet und an einem axialen Ende durch einen Flansch (22, 44) verschlossen ist, der Kompressor (2, 41) und die Turbine (4) an dem einen axialen Ende des Gehäuses (21, 43) angeordnet sind, derart, daß der Flansch (22, 44) zwischen dem Kompressor (2, 41) und der Turbine (4) angeordnet ist und der Rekuperator (5) eine Axialführung des Abgases zum gegenüberliegenden Ende des Ge­ häuses (21, 43) vorsieht.

2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das dem Flansch (22, 44) gegenüberliegende, ande­ re axiale Ende des Gehäuses (21, 43) durch eine Kappe (35) verschlossen ist, die hohl ist und wobei an der Kappe (35) eine Kraftstoff-Einspritzeinrichtung (6) und eine Zündkerze (7) gelagert sind und die Kappe (35) mit einem Strömungskanal (36) zum Einführen der von dem Kompressor (2, 41) komprimier­ ten Ansaugluft zu dem Brenner (3) versehen ist.

3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (3) eine Verbrennungskammer und eine äußere Umfangskammer (3a), die die Verbrennungskam­ mer umgibt, aufweist, wobei der Strömungskanal (36), der in der Verschlußkappe (35) ausgebildet ist, mit der äußeren Um­ fangskammer (34) des Brenners (3) kommunizierend verbunden ist.

4. Gasturbinentriebwerk nach zumindest einem der vorherge­ henden Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Stau­ druckkammer (27) innerhalb des Gehäuses (21), wobei die Stau­ druckkammer (27) mit dem Flansch (22) zusammenwirkt, um einen Strömungskanal (28) zur Führung des Heißgases von dem Brenner (3) zu der Turbine (4) zu bilden, wobei der Flansch (22) mit einem Kanal (23) zum Einführen der komprimierten Ansaugluft von dem Kompressor (2) in den Raum (21a) des Gehäuses (21) versehen ist.

5. Gasturbinentriebwerk nach zumindest einem der vorherge­ henden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ka­ nal (40) außerhalb des Gehäuses (43) zum Einführen von kom­ primierter Ansaugluft von dem Kompressor (41) zu dem Raum (21a) des Gehäuses (43) vorgesehen ist.