DE69002283T2 - Gasturbinen-triebwerkseinheit. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinen-Triebwerkseinheit mit einer Nutzleistungsturbine, und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Gasturbinen-Triebwerkseinheit mit einem regenerativen Wärmeaustauscher, der im heißen Abgasauslaß der Nutzleistungsturbine der Einheit angeordnet ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Es ist in gewissen Fällen bei der Konstruktion von Gasturbinen-Triebwerkseinheiten, insbesondere bei solchen, die für industrielle Zwecke oder für Anwendung in der Schiffahrt bestimmt sind und regenerative Wärmeaustauscher aufweisen, erforderlich, das Gasturbinentriebwerk mit Brennkammern auszurüsten, deren Achsen radial gegenüber der Längsachse des Triebwerks ausgerichtet sind. Derartige Triebwerke erfordern die Anwendung von Leitungen, die dazu dienen, Luft zu sammeln, die vom Kompressor des Triebwerks ausgeblasen wurde, bevor jene Luft nach dem Wärmeaustauscher gerichtet wird, und außerdem sind Leitungen vorgesehen, die zum Auffangen der Luft dienen, die vom Wärmeaustauscher zurückgeführt wird, bevor jene Luft in die Brennkammer des Triebwerks eingeblasen wird.
• Eine zweckmäßige Anordnung für derartige Leitungen besteht darin, daß eine Leitung in der anderen untergebracht wird, so daß die Leitung, die die heiße Luft enthält, welche vom Wärmeaustauscher zurückgeführt wird, innerhalb der Leitung liegt, die kühlere Luft enthält, welche vom Kompressor des Triebwerks ausgeblasen wurde. Eine solche Anordnung führt jedoch zu Problemen, die den hohen thermischen Gradienten bei gewissen Zwischenflächen der Teile zugeordnet sind und die Spannungen ergeben, welche von solchen thermischen Gradienten herrühren. Außerdem können Schwierigkeiten dann auftreten, wenn gewährleistet werden soll, daß die Brennkammern und die Düsen für den Eintritt von Brennstoff in die Brennkammer und zum Auslaß der Verbrennungsprodukte aus den Brennkammern sämtlich ausgerichtet bleiben, ungeachtet des Vorhandenseins derartiger thermischer Gradienten.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinen- Triebwerkseinheit zu schaffen, die eine Verbrennungseinrichtung besitzt, welche die erwähnten Probleme im wesentlichen vermeidet.
• Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Gasturbinen- Triebwerkseinheit mit einem regenerativen Wärmeaustauscher und einem Gasturbinentriebwerk, welches mehrere Brennkammern aufweist, deren Achsen zur Längsachse des Triebwerks in einem Winkel angestellt sind, mit einer ersten Ringleitung, die außerhalb des Gehäuses des Triebwerks koaxial zur Längsachse des Triebwerks angeordnet ist und Luft empfängt, die vom Kompressor des Triebwerks ausgeblasen wurde, mit Mitteln, die Luft aus der ersten Ringleitung nach dem regenerativen Wärmeaustauscher führen, mit Mitteln, die die vom regenerativen Wärmeaustauscher erhitzte Luft von diesem nach einer zweiten Ringleitung zurückführen, die völlig innerhalb der ersten Ringleitund koaxial zu dieser verläuft, wobei jede der Brennkammern kammern innerhalb eines allgemein rohrförmigen Teils angeordnet und allein von diesem abgestützt ist. Gemäß der Erfindung ist die Anordnung derart getroffen, daß jede der allgemein rohrförmigen Teile allein an seinem radial äußeren Ende von der ersten Ringleitung abgestützt wird und wenigstens teilweise innerhalb der zweiten Ringleitung angeordnet ist, um gleitbar in entsprechende Öffnungen einzugreifen, die in der zweiten Ringleitung vorhanden sind, um dadurch eine Abstützung für die zweite Ringleitung herzustellen, während eine relative thermische Expansion und Kontraktion zwischen der zweiten Ringleitung und dem rohrförmigen Teilen möglich bleibt, wobei zusätzlich Öffnungen vorgesehen sind, um eine Luftströmung von der zweiten Ringleitung nach den Brennkammern zu bewirken, um in diesen die Verbrennung zu tragen, und daß das Gehäuse derart mit Öffnungen versehen ist, daß jeder rohrförmige Teil berührungslos aufgenommen wird, um das Ausblasen von Verbrennungsprodukten aus den Brennkammern nach der Turbine des Triebwerks zu ermöglichen.
• Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
• Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Gasturbinen-Triebwerkseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung,
• Fig. 2 eine Schnittansicht eines Teils des Verbrennungssystems der Gasturbinen-Triebwerkseinheit gemäß Fig. 1,
• Fig. 3 in größerem Maßstab einen Teil der Schnittansicht gemäß Fig. 2.
• Gemäß Fig. 1 weist eine Gasturbinen-Triebwerkseinheit, die allgemein mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist, ein Gasturbinentriebwerk 11 herkömmlicher Konstruktion auf, welches in axialer Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlaß 12, einen Kompressor 13, eine Verbrennungseinrichtung 14 und eine Turbine 15 aufweist. Die Abgase des Triebwerks 11 werden einer Nutzleistungsturbine 16 zugeführt, die ihrerseits eine Nutzleistungsabtriebswelle 17 antreibt. Aus der Nutzleistungsturbine 16 werden die Abgase über eine Leitung 18 einem regenerativen Wärmeaustauscher 19 zugeführt, bevor sie bei 20 in die Atmosphäre austreten.
• Der regenerative Wärmeaustauscher 19 ist mit dem Gasturbinentriebwerk 11 über erste und zweite Leitungen 21 bzw. 22 verbunden, obgleich auch mehrere Leitungen bzw. 22 verbunden, obgleich auch mehrere Leitungen vorgesehen werden können, falls dies erforderlich ist. Die erste Leitung 21 führt Luft, die vom Kompressor 13 ausgeblasen wird, dem Wärmeaustauscher 19 zu, wo sie in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Heißgasausfluß aus der Nutzleistungsturbine 16 gelangt. Jene Luft, die im Wärmeaustauscher 19 erhitzt wurde, wird dann dem Gasturbinentriebwerk 11 über die zweite Leitung 22 zugeführt und in die Verbrennungseinrichtung 14 eingeführt, wo sie mit Brennstoff vermischt und in dieser Mischung verbrannt wird. Die resultierenden Verbrennungsprodukte werden dann der Turbine 16 zugeleitet und treiben diese an.
• Die Art und Weise, auf die die Luft über die erste und zweite Leitung 21 bzw. 22 vom Gasturbinentriebwerk 11 abgeführt und diesem wieder zugeführt wird, ist deutlicher aus Fig. 2 ersichtlich. Luft, die vom stromabwärtigen Ende 23 des Kompressors 13 austritt, wird in eine Ringkammer 24 geleitet, von der eine Wand durch das äußere Triebwerksgehäuse 25 definiert ist. Mehrere Öffnungen 26 im Gehäuse 25 ermöglichen eine Luftströmung in eine ringförmige axial langgestreckte erste Leitung 27, die außerhalb des Außengehäuses 25 des Triebwerks liegt und eine Wand besitzt, die durch das Außengehäuse 25 des Triebwerks definiert ist. Die erste Leitung 21 steht mit dem Inneren der ersten Leitung 27 in Verbindung, so daß die Luft von der ersten Leitung 27 in die Leitung 21 einströmt und dann nach dem regenerativen Wärmeaustauscher 19 gelangt, der von herkömmlicher Bauart ist.
• Wie oben beschrieben, wird die Luft dann vom regenerativen Wärmeaustauscher 19 über die zweite Leitung 22 zurückgeführt, nachdem diese im Wärmeaustauscher erhitzt wurde. Die zweite Leitung 22 richtet die erhitzte Luft in eine zweite ringförmige Leitung 28, die vollständig innerhalb der ersten Leitung 27 angeordnet ist.
• Die zweite Leitung 28 wird allein von mehreren radial verlaufenden Rohren 29 abgestützt, von denen jedes seinerseits allein von dem radial äußeren Abschnitt der ersten Leitung 27 getragen wird. Die zweite Leitung 28 ist mit einer Anzahl von mit Flanschen versehenen Öffnungen 30 ausgestattet, die gleitbar mit den Rohren 29 in Verbindung stehen. Es ist demgemäß ersichtlich, daß die zweite Ringleitung 28 in der Lage ist, sich radial thermisch auszudehnen und zusammenzuziehen, und zwar relativ zu den Rohren 29, während sie von diesen noch abgestützt wird.
• Die Art der Befestigung eines jeden Rohres 29 an der ersten Leitung 28 ist deutlicher aus Fig. 3 ersichtlich. Der radial äußere Abschnitt der ersten Leitung 27 ist mit mit Flanschen versehenen Öffnungen 31 versehen, die an einem entsprechenden Flansch 32 angreifen, der im radial äußeren Teil des Rohres 29 vorgesehen ist. Das radial innere Ende eines jeden Rohres 29 erstreckt sich berührungslos durch eine entsprechende Öffnung 41 im Triebwerksgehäuse 25.
• Jedes Rohr 29 enthält eine Brennkammer 33. Das radial äußere Ende jeder Brennkammer 33 ist mit einem kegelstumpfförmigen Trägerring 34 versehen, der an seinem radial äußersten Ende mit einem Flansch 35 versehen ist, der an dem Flansch 32 des Rohres 29 angreift. Eine Kappe 36 dichtet das radial äußerste Ende eines jeden Rohres 29 ab und ist bei 37 mit einem Flansch derart versehen, daß die Flansche 32 und 35 zwischen den Flanschen 37 und 31 zu liegen kommen. Jede Kappe 36 trägt außerdem einen Brennstoffinjektor 37 für die Brennkammer 33.
• Das radial innere Ende einer jeden Brennkammer 33 ist mit einem Ring 38 versehen, dessen Wand im Querschnitt gekröpft ausgebildet ist. Der Ring 38 ist integral mit der Brennkammer 33 verbunden, steht jedoch in Gleitberührung mit der inneren Oberfläche des Rohres 29. Es ist daher ersichtlich, daß die Brennkammer 33 sich relativ zu dem sie lagernden Rohr 29 thermisch ausdehnen und zusammenziehen kann.
• Jedes der Rohre 29 ist mit einer großen Zahl von Öffnungen 39 in der Wand ausgestattet. Die Öffnungen 39 lassen heiße Luft innerhalb der zweiten Leitung 28 in das Rohr 29 einströmen. Ein Teil dieser Luft strömt durch Öffnungen 40 im kegelstumpfförmigen Trägerring 34 und tritt in die Brennkammer 33 über den Brennstoffinjektor 37 ein, wo diese Luft mit Brennstoff vermischt wird. Der Rest der Luftströmung tritt in die Brennkammer 33 über Löcher ein, die über ihre Länge angeordnet und nicht dargestellt sind, um die Verbrennung zu tragen, die innerhalb der Brennkammern 33 stattfindet, und um eine gewisse Kühlung der Wand der Brennkammer 33 zu bewirken.
• Obgleich jedes der Rohre 29 gemäß der Zeichnung zwei Abschnitte unterschiedlichen Durchmessers mit einem Stufenabschnitt zwischen diesen beiden Abschnitten aufweist, sind auch andere Ausgestaltungen möglich. Beispielsweise könnte das Rohr 29 allgemein kegelstumpfförmig ausgebildet sein.
• Unter bestimmten Umständen kann es möglich sein, daß der Luftdruck innerhalb der zweiten Leitung 28 über dessen Umfang hin nicht gleichmäßig ist. Wenn dies der Fall ist, können die Luftströme in die Brennkammern 33 nicht gleichmäßig sein, mit dem Ergebnis, daß einige Brennkammern 33 entweder mehr oder weniger Luft als die anderen erhalten. Geschieht dies, können die Größen der Öffnungen 39 in den Rohren 29 geändert werden, so daß die gewünschte Strömungsrate erhalten wird.
• Das radial innere Ende jeder Brennkammer 33 steht in Gleitberührung mit der Innenhaut 42 eines allgemein im Querschnitt L-förmig gestalteten doppelwandigen Verbindungskanals 43. Die Außenhaut 44 des Verbindungskanals 43 greift am inneren Ende des Rohres 29 gleitbar an. Auf diese Weise ist eine gewisse relative Radialbewegung möglich zwischen jeder Kombination von Brennkammer 33 und Rohr 29 und dem entsprechenden Verbindungskanal 43.
• Die heißen Verbrennungsprodukte aus jeder Brennkammer 33 strömen in den jeweiligen Verbindungskanal 43. Die Wände des Verbindungskanals 43 sind jedoch gegenüber den Wirkungen dieser Heißgasströmung durch eine Kühlluftströmung durch den Raum zwischen der Innenhaut 42 und der Außenhaut 44 geschützt.
• Der Verbindungskanal 43 richtet die Verbrennungsprodukte in die Turbine 15 des Gasturbinentriebwerks über mehrere in geeigneter Weise angeordnete Leitschaufeln, von denen eine 45 aus Fig. 2 ersichtlich ist.
• Es ist daher ersichtlich, daß die Lagerung der Brennkammern 33 und der ersten und zweiten Leitungen in der oben beschriebenen Weise gewisse Vorteile ergibt:
• (1) Die heiße zweite Leitung 28 wird in der Weise abgestützt, daß sie sich frei thermisch ausdehnen und zusammenziehen kann, ohne wesentliche Beanspruchungen auf andere benachbarte Bauteile auszuüben und ohne daß Befestigungsmittel benutzt würden.
• (2) Das radial innere Ende eines jeden Rohres 29 bildet eine Abstützung sowohl für das radial innere Ende der zugeordneten Brennkammer 33 als auch für das radial äußere Ende des zugeordneten Verbindungskanals 43. Infolgedessen werden der Auslaß der Brennkammer 33 und der Einlaß des zugeordneten Verbindungskanals 43 in Ausrichtung zueinander gehalten.
• (3) Es besteht keine körperliche Berührung zwischen dem relativ kühlen Triebwerksgehäuse 25 und dem relativ heißen stromabwärtigen Ende eines jeden Rohres 29. Infolgedessen wird eine thermische Beanspruchung zwischen jedem Rohr 29 und dem Gehäuse 25 vermieden.
• (4) Jeder Brennstoffinjektor 37 wird in Ausrichtung zu seiner zugeordneten Brennkammer 33 gehalten.
• Obgleich die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einem Gasturbinentriebwerk beschrieben wurde, bei dem die Achsen der Brennkammern 33 im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Triebwerks stehen, ist erkennbar, daß dies nicht wesentlich ist, und daß die Brennkammerachsen auch gegenüber der Längsachse des Triebwerks unter gewissen anderen Winkeln angestellt sein könnten.

Claims (9)

1. Gasturbinen-Triebwerkseinheit (10) mit einem regenerativen Wärmeaustauscher (19) und einem Gasturbinentriebwerk (11), das mehrere Brennkammern (33) aufweist, deren Achsen zur Längsachse des Triebwerks (11) in einem Winkel angestellt sind, mit einer ersten Ringleitung (27), die außerhalb des Gehäuses (25) des Triebwerks (11) koaxial zur Längsachse des Triebwerks (11) angeordnet ist und Luft empfängt, die vom Kompressor (13) des Triebwerks (11) ausgeblasen wurde, mit Mitteln (21), die Luft aus der ersten Ringleitung (27) nach dem regenerativen Wärmeaustauscher (19) führen, mit Mitteln (22), die die vom regenerativen Wärmeaustauscher (19) erhitzte Luft von diesem nach einer zweiten Ringleitung (28) zurückführen, die völlig innerhalb und koaxial zur ersten Ringleitung (27) angeordnet ist, wobei jede der Brennkammern (33) innerhalb eines entsprechenden allgemein rohrförmigen Teils (29) angeordnet und allein von diesem abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der allgemein rohrförmigen Teile (29) allein an seinem radial äußeren Ende von der ersten Ringleitung (27) getragen wird und wenigstens teilweise innerhalb der zweiten Ringleitung (28) angeordnet ist, um gleitbar in entsprechende Öffnungen, die in der zweiten Ringleitung (28) vorgesehen sind, einzugreifen und um dadurch die zweite Ringleitung (28) abzustützen, während eine relative thermische Ausdehnung und Zusammenziehung zwischen der zweiten Ringleitung (28) und den rohrförmigen Teilen (29) ermöglicht wird, wobei zusätzliche Öffnungen vorgesehen sind, um eine Luftströmung aus der zweiten Ringleitung (28) nach den Brennkammern (33) zu ermöglichen und um die Verbrennung darin zu tragen, und daß das Gehäuse (25) gelocht ausgebildet ist, um jedes allgemein rohrförmige Teil (29) berührungslos so abzustützen, daß ein Ausblasen der Verbrennungsprodukte aus den Brennkammern (33) nach der Turbine (15) des Triebwerks (11) ermöglicht wird.
2. 2. Gasturbinen-Triebwerkseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Brennkammern (33) senkrecht zur Längsachse des Triebwerks (11) verlaufen.
3. 3. Gasturbinen-Triebwerkseinheit nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Brennkammer (33) an ihrem radial äußeren Ende festgelegt ist und gleitbar an ihrem inneren Ende gegenüber dem zugeordneten rohrförmigen Teil (29) gelagert ist, so daß eine relative thermische Ausdehnung und Zusammenziehung dazwischen erfolgen kann.
4. 4. Gasturbinen-Triebwerkseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der ersten Leitung (27) durch das Triebwerksgehäuse (25) definiert ist.
5. 5. Gasturbinen-Triebwerkseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Verbindungskanäle (43) vorgesehen sind und jeder Kanal (43) eine der Brennkammern (33) mit der Turbine (15) des Gasturbinentriebwerks (11) verbindet.
6. 6. Gasturbinen-Triebwerkseinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verbindungskanal (43) und die zugeordnete Brennkammer (33) über Gleitberührung verbunden sind, so daß eine Ausrichtung unabhängig von relativer thermischer Ausdehnung und Zusammenziehung dazwischen aufrechterhalten wird.
7. 7. Gasturbinen-Triebwerkseinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Verbindungskanäle (43) doppelwandig ausgebildet ist, und daß die Außenwand in Gleitberührung mit der entsprechenden Brennkammer (33) steht.
8. 8. Gasturbinen-Triebwerkseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand in Gleitberührung mit dem rohrförmigen Teil (29) steht, der die entsprechende Brennkammer (33) enthält.
9. 9. Gasturbinen-Triebwerkseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der Öffnungen (39) in den rohrförmigen Teilen (29) so gewählt sind, daß jede der Brennkammern (33) etwa die gleiche Luftströmungsmenge aus der zweiten Leitung (28) empfängt.