DE672114C - Gleichdruckgasturbinentriebwerk, insbesondere fuer Flugzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Triebwerk für Fahrzeuge, insbesondere Flugzeuge, bei welchem der Antrieb mit Hilfe einer Gasturbine mit Gleichdruckverbrennung des Treibmittels erfolgt. Für solche Triebwerke ist es bekannt, die einzelnen Teile in der Reihenfolge Propeller, Verdichter, Axialturbine mit Auspuff nach hinten anzuordnen. Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß in einem Apparat mit hintereinander angeordnetem Verdichter und Turbine und gegebenenfalls noch vorgeschaltetem Propeller infolge der konischen Gestalt der Axialturbine nicht ohne weiteres ein außen glatter Körper von gedrängter Bauart ohne unnützen Raum sich bilden läßt. Die Erfindung beseitigt diesen Nachteil dadurch, daß bei dem Triebwerk mit der bezeichneten Reihenanordnung der einzelnen Teile in dem am Umfang der konischen Axialturbine frei bleibenden Raum die Verbrennungskammer untergebracht wird. Es ergibt sich somit als Erfindung die im Hauptanspruch angegebene Gesamtanordnung.

Die Anlage kann mit oder ohne Wärmeaustauscher arbeiten; ein solcher Wärmeaustauscher dient dabei in bekannter Weise zur weiteren Erwärmung der vom Verdichter kommenden Luft, bevor diese in die Verbrennungskammer eintritt. Bei Anwendung eines solchen Wärmeaustauschers wird dieser an der der Fahrtrichtung abgekehrten Seite gleichachsig hinter der Axialgasturbine angeordnet.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen und der zugehörigen Beschreibung.

'Es zeigen:

Fig. ι ein Flugzeug mit zwei Gleichdruckgasturbinentriebwerken,

Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt durch eine Gleichdruckgasturbine,

Fig. 3 eine Endansicht der der Fahrtrichtung abgekehrten Seite dieser Gasturbine,

Fig. 4 eine Gasturbinenanlage mit Wärmeaustauscher,

Fig. 5 einen Schnitt nach Linie V-V der Fig. 4.

An dem Flugzeug, dessen Rumpf mit 61, dessen Schwanz mit 62 und dessen Flügel mit 63 bezeichnet sind, ist rechts und links vom Rumpf je ein Gleichdruckgasturbinentriebwerk 64 angeordnet. Das Triebwerk besteht aus einem Propeller 69, einem Verdichter 65, einer 'konischein Axialturbine 66 und einer Verbrennungskammer 67, welche Teile in einem sie einschließenden Mantelgehäuse 68 untergebracht sind. Dieses Gehäuse 68 ist zweckmäßig stromlinienförmig ausgebildet.

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

AIf Lysholm in Stockholm.

Alle Triebwerkteile sind auf einer Welle gleichachsig hintereinander angeordnet.

Der Fahrwind tritt durch die ringförmige Ansaugleitung 70 des Verdichters 65 ein, in diesem verdichtet, gelangt dann zur brennungskammer 67, in welche in bekannte Weise Brennstoff eingespritzt wird, wird R durch hoch erhitzt, leistet in der Turbine 66' Arbeit und verläßt diese durch die Auslaß-Ieitung7i in axialer Richtung nach hinten. Aus der Zeichnung ist der gedrungene und einfache Aufbau der Anlage ohne weiteres ersichtlich, desgleichen die ideale Luftführung, derart, daß der Fahrwind axial entgegen der Flugrichtung eintritt und ebenso die Abgase axial entgegengesetzt der Flugrichtung die Turbinenanlage verlassen.

Der Turbinenverdichtersatz ist mit gewissen baulichen Abänderungen in den Fig. 2 und 3 in vergrößertem Maßstabe dargestellt. In einem gemeinsamen Gehäuse liegen ein Verdichter^ und eine Axialturbine B, beide auf derselben Weile. Die Welle ist eine Hohlwelle, die aus mehreren Rohrteilen besteht, die durch die Verbindungen 1, 2 miteinander verbunden und beiderseits in Endlagern 3 und 4 gelagert sind. Zur Unterstützung der Welle in der Mitte ist ferner noch ein Zwischenlager 5 vorgesehen.

3.0 Der Verdichter saugt die bei 6 eintretende Luft an und verdichtet sie auf beispielsweise 3 atü. Die verdichtete Luft tritt am Ende des Verdichters durch den Ringspalt 7 aus, geht in Richtung der Pfeile um die Brennkammer 8 herum nach hinten, um durch die Öffnung 9 in das Innere der Brennkammer einzutreten. Dieser ist eine Mehrzahl von Trichtern 10 vorgeschaltet, durch deren Öffnung 11 ein Primärluftstrom eintritt, in den mittels einer Anzahl gleichmäßig über dem Umfang verteilter Düsen 12 Brennstoff, z. B. Rohöl, eingespritzt wird. Der Brennstoff wird in bekannter Weise gezündet. Infolge der Verbrennung des Brennstoffes in der Brennkammer 8 wird die verdichtete Luft auf 8oo° abs. und höher erhitzt. Sie tritt mit dieser Temperatur durch den an die Brennkammer 8 anschließenden Ringkanal 13 in die Turbine ein. Der mittlere Durchmesser der ersten Räder ist so niedrig wie möglich gehalten, er sei z.B. bei einer Turbine gemäß Fig. ι 200 mm. Die Schaufellänge χ sei gemäß der Erfindung 20 °/o des mittleren Schaufeldurchmessers, also 40 mm. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann die Gasturbine als Antriebsmaschine für ein Propellerfahrzeug, z.B. ein Flugzeug, verwendet werden. Für diesen P*all braucht nicht die volle ausnutzbare Energie des heißen Treibmittels in den Turbinenschaufeln verwertet zu werden. Man kann aus der letzten Stufe der Axialturbine die Gase mit hoher Geschwindigkeit nach außen austreten lassen. Die Rückstoßkraft treibt das Flugzeug nach i'vorn. In diesem Falle wird zweckmäßig das "^chaufelverhältnis an der Auslaßseite ein toiideres als an der Eintrittsseite sein, derart, ,»daß hier die Schaufellänge, bezogen auf den mittleren Durchmesser, geringer wird als an der Einlaßseite.

Die Verbrennungskammer 8 ist in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ein ringförmiger Behälter, dessen Querschnitt aus Fig. 1 ersichtlich ist und der sozusagen wie ein hohler Mantel das Turbinengehäuse umgibt. Durch die Verbrennungskammer 8 führen auf der dem Verdichter benachbarten Seite Kanäle 32 hindurch, so daß die vom Verdichter 7 kommende Luft, durch diese Kanäle 32 streichend, zwischen Turbinengehäuse und der inneren Wandung 15 der Verbrennungskammer hindurchstreichen kann. Ein Teil der vom Verdichter gelieferten Luft geht auf dem durch den Pfeil 16 angedeuteten Wege um die Außenwandung der Verbrennungskammer 8 herum und tritt vor der ersten Laufschaukel 17 in den gemäß Pfeil 18 in die Turbine eintretenden heißen Treibmittelstrom ein. Diese Abscheidung eines Teiles der Verdichterluft entlang dem Wege des Pfeiles 18 hat den Zweck, die Dichtung 19 und das Lager 5 gegen Hitzeeinstrahlung von der Verbrennungskammer aus zu schützen. Der Gesamtaufbau ist folgender: Das Verdichtergehäuse besteht in an sich bekannter Weise aus Gehäuseabschnitten 20 bzw. 21,.. 22. Der vordere, 22, enthält den Lufteinlaßkanal 6 und auf der Stirnseite das Lager 3. An den Gehäuseabschnitt 21 ist ein Blechkonus 23 angeschweißt, der in der Mitte das Zwischenlager 5 trägt. An dem Blechkonus ist ein Ring 24 befestigt, z. B. angeschweißt, der dazu dient, um das Turbinengehäuse zu halten und zu zentrieren, und zwar in folgender Weise:

Die Eintrittsseite des Turbinengehäuses 25 läuft in einen Konus 26 aus, der in einen Ringflansch 27 endet. Dieser Ringflansch 27 umschließt den Ring 24, wird mit diesem verbunden durch eine ausdehnungsfähige Stiftverbindung 54, so daß etwaige radiale Ausdehnungen und daraus sich ergebende Veränderungen der Durchmesser des Ringes 24 und des Ringflansches 27 sich angleichen können.

In der Wandung des konischen Endkörpers 26 befinden sich Durchbrechungen 27, durch welche Rohrstutzen 32 hindurchgehen, die ihrerseits wieder an einen Ringraum 31 anschließen, dessen rechte ringförmige Öffnung 13 unmittelbar gegen.die Eintrittsseite der Turbine öffnet.

Gemäß der Erfindung ist das ganze Turbinengehäuse einteilig ohne Trennfugen hergestellt und eignet sich daher besonders gut für die außerordentlich hohen Betriebstemperaturen, für welche sich ein geteiltes Turbinengehäuse weniger eignen würde. Der Durchmesser des Turbinengehäuses 25 nimmt, wie Fig. ι erkennen läßt, von Stufe zu Stufe treppenförmig zu, auch das Innere des Gehäuses ist treppenförmig ausgebildet. Die Wandungen sind verhältnismäßig schwach, was wegen der ungeteilten Ausführung des Gehäuses zulässig ist und den Vorteil mit sich bringt, daß die Gehäusewandungen die Betriebstemperatur sehr schnell annehmen können und in gleicher Weise erwärmt werden wie die Welle, bei welcher die Wärmezufuhrverhältnisse günstiger liegen. Der Läufer besteht aus einer Hohlwelle 33, auf deren äußerem Umfange, aus einem Stück mit ihr bestehend, die Scheiben 34 angeordnet sind. In diesen sind die Laufschaufeln in geeigneter Weise mit Hilfe von bekannten Verbindungen, z. B. Schwalbenschwanz und Nut, befestigt und diese Verbindung durch zusätzliche Schweißung, insbesondere gegen ungünstige Einflüsse der Kriechung gesichert.

An das Verdichtergehäuse schließt sich nach hinten ein Außengehäuse 41 an, das hinten in einen Ringflansch 42 endet, der mit dem Gehäuse beispielsweise durch Schweißung bei 43 verbunden ist. An diesen Flansch angeschlossen ist ein ringförmiges Blech 44, an welches der trichterförmige Auslaß 45 des Turbinengehäuses 25 angeschlossen ist. Innerhalb des trichterförmigen Auslasses 45 sind zweckmäßig mit stromlinienförmigem Querschnitt ausgestattete Tragrippen 46 angeordnet, die mit Hilfe eines Ringbleches 47 das Endlager 4 tragen. Die Nabe der Turbine und das Endlager sind mit einer stromlinienförmig nach hinten verlaufenden Kappe 48 nach außen abgedeckt, deren größter Außendurchmesser dort liegt, wo die Kappe an den letzten Schaufelkranz anschließt. Nach hinten ist die Kappe in eine gut abgerundete Spitze 49 ausgezogen. Die Ausbildung dieser Kappe hat den Zweck, eine verlustlose Abströmung der Abgase aus der Turbine nach hinten zu ermöglichen, was insbesondere dann wichtig wird, wenn die Abgase durch Rückstoß wirken sollen.

Die Scheibe 44, an deren innerem Umfang das Turbinengehäuse mit seinem Auslaßteil 45 befestigt ist, wird gemäß der Erfindung mit solcher Nachgiebigkeit ausgestattet, indem der Blechring 44 entsprechend dünn gemacht wird, daß die verschiedenen Ausdehnungen des äußeren Gehäuses 41 und des inneren Turbinengehäuses 25 hier ausgeglichen werden können. Da das Endlager 4 als Axiallager ausgebildet ist und seinerseits wieder im Turbinenauslaß 45 liegt, so ist dadurch gewährleistet, daß einerseits auch die Welle sich ungehindert ausdehnen kann, und zwar in gleichem Maße wie das Gehäuse, wodurch Ausdehnungsunterschiede in axialer Richtung zwischen Läufer und Gehäuse auf ein Minimum herabgesetzt werden.

In den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 4 und 5 ist ein Wärmeaustauscher vorgesehen. Es ist dies ein Wärmeaustauscher, in welchem die Abgase der Turbine dazu benutzt werden, um die von dem Verdichter kommende Luft vor ihrem Eintritt in die Ver- -brennungskammer vorzuwärmen. Die äußere Gehäusewand, welche die Verbrennungskammer ummantelt, ist wiederum mit 41 bezeichnet. An sie schließt sich oben und unten, durch Ringflanschverbindung J2 angeschlossen, ein Kanalgehäuse JS ^an> das oben und unten durch Flanschverbindung 74 an den Wärmeaustauscher angeschlossen ist. Von dem Kanalgehäuse 73 zweigen Teilkanäle 75 und 75' ab, die, wie die Fig. 5 erkennen läßt, gegeneinander versetzt sind. Diese Kanäle gehen durch den Wärmeaustauscher JJ hindurch und enden auf der anderen Seite in Endkanäle 76 bzw. 76', die mit inneren Warmluftkanälen 78 bzw. 78' in Verbindung stehen. Die Zwischenwandungen 79, welche die Begrenzung der Kanäle 78, 78' bilden, enden in der Ebene der Ringflanschverbindung 72 und stoßen hier in offene Taschen 80 der äußeren Brennkammerwandung 81. Die innere Brennkammerwandung^ weist ebenfalls Taschen 83 auf, in die die innere Begrenzungswand 84 der Kanäle 78 bzw. 78' eingreift.

Die von den Verdichtern geförderte Luft tritt, wie die eingezeichneten Pfeile zeigen, außen um die Wandung 81 der Brennkammer herum und in den Wärmeaustauscher JJ ein. Nachdem sie hier vorgewärmt ist, streicht sie durch die Kanäle 78 bzw. 78' zurück in die Ringöffnung 84 der Verbrennungskammer und gelangt dann von hier aus zur Turbine, deren Abgase durch den Ringauslaß 85 die Turbine verlassen und in der Pfeilrichtung durch den Wärmeaustauscher strömen, wo sie am Ende schließlich austreten.

Wesentlich für diesen Wärmeaustauschereinbau ist, daß die Z wischen wandungen 81 bzw. 79 und die inneren Begrenzungswandungen 84 bzw. 82 nur durch lose Steckverbindung in den Taschen 80 bzw. 83 gehalten werden, während der gesamte Wärmeaustauscher durch die äußere Ringflanschverbindung 72 mit dem anschließenden Maschinensatzgehäuse verbunden ist. Nur diese Ringflanschverbindung 72 braucht dicht zu sein. Bei den Taschenverbindungen genügt ein ein-

faches Einlegen in die Taschen, weil keine wesentlichen Druckunterschiede vorhanden sind. Ein wesentlicher Vorteil besteht auch darin, daß die vom Verdichter kommende Luft auf dem äußeren Umfange der Wärmeaustauschvorrichtung liegt und dadurch sozusagen als Isolierung für den Wärmeaustauscher nach außen dient, während die im Wärmeaustauscher erhitzte Luft durch die ίο Innenkanalführungen 78,78',. also durch die Abkühlung von außen her geschützt, strömt.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   i. Gleichdruckgasturbinentriebwerk mit Verdichter für Fahrzeuge, insbesondere für Flugzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar an der der Fahrtrichtung abgewendeten Seite des Verdichters eine von ihrer Verbrennungskammer eingeschlossene konische Axialturbine mit der im Durchmesser kleineren (Einlaß-) Seite angeschlossen ist, wobei an der Stirnseite des Verdichters ein Propeller angeordnet sein kann.
2. 2. Gleichdruckgasturbinentriebwerk nach Anspruch i, bei welchem die Abgase der Axialturbine zum Betrieb eines Wärmeaustauschers benutzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher mit Bezug auf die Fahrtrichtung gleichachsig hinter der Axialturbine angeordnet ist.
3. 3. Gleichdruckgasturbinentriebwerk nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher in einem Gehäuseteil (73) untergebracht ist, der an ein das Turbinengehäuse und die Verbrennungskammer einhüllendes Gehäuse (41) angeflanscht ist, wobei die Zu- und Abfuhrkanäle (73, 73' bzw. 78, 78') für die zum und vom Wärmeaustauscher strömende Luft als Ringkanäle ausgebildet sind, deren Kanten gegen entsprechend bemessene Kanten (Taschen 80, 83) des die Turbine einschließenden Gehäuses anstoßen.
4. 4. Gleichdruckgasturbinentriebwerk nach Anspruch ι und 3, gekennzeichnet durch eine solche Anordnung und Führung der vom Verdichter verdichteten Luft, daß diese die Verbrennungskammer, das Turbinengehäuse sowie die vom Wärmeaustauscher zur Verbrennungskammer führenden Kanäle nach außen wärmeisoliert.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen,