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Teilbeaufschlagte Verbrennungs- oder Abgasturbine Die Erfindung bezieht
sich auf eine teilbeaufschlagte Verbrennungs- oder Abgasturbine, bei welcher der
eine Teil von dem Treibmittel, der andere vom Kühlmittel durchströmt wird.
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Es ist bereits bekannt, die nicht vom Treibmittel beaufschlagten Schaufeln
solcher Turbinen durch Luft zu kühlen, -die mittels einer Pumpe oder eines Gebläses
durch eine geschlossene Rohrleitung einer Kammer des Turbinengehäuses zugeführt
wird, von wo sie durch den nicht beaufschlagten Teil des Turbinenschaufelkranzes
in eine andere Kammer strömt. Dadurch wird ein erheblicher Aufwand an Raum, Gewicht
und Leistung bedingt. Es ist ferner bereits bekannt, bei Fahrzeugturbinen den Fahrtwind
zur Kühlung des Turbinenrades zu benutzen. Dabei ist aber die Anordnung so getroffen,
daß die Turbine im Windschatten eines durch, sie angetriebenen Kreiselgebläses liegt
und daß die Kühlluft auf den mittleren Teil des Turbinenrades geleitet wird, von
wo sie radial an der Laufradscheibe und den Turbinenschaufeln nach außen strömt.
Dadurch ist eine wirksame Kühlung der Schaufeln nicht zu erreichen.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß beim Umlauf der zu
kühlenden Schaufeln im freien Raum ohne besondere Hilfsmittel, wie z. B. Pumpen
oder Gebläse, eine intensive Kühlung möglich ist, da auch
bei kleiner
Anströmgeschwindigkeit der Kühlluft durch das Zusammenwirken mit der hohen Umfangsgeschwindigkeit
der Schaufeln eine zur wirksamen Kühlung ausreichende hohe relative Anströmgeschwindigkeit
auf die Schaufeln entsteht. Die geringe erforderliche absolute Zuströmgeschwindigkeit
der umgebenden Luft ergibt sich ohne besondere Hilfsmittel, z. B. dadurch, daß die
umlaufenden Turbinenschaufeln bei unsymmetrischer Gestaltung eine Saugwirkung ausüben,
die die Kühlluft zwischen den Schaufeln hindurchsaugt. Unterstützt wird diese Wirkung
bei Fahrzeugen durch den Fahrtwind und gegebenenfalls durch Anordnung einer zweiten
vom Abgas des Turbinenschaufelkranzes angetriebenen Stufe hinter dem Turbinenrad,
deren nicht von Abgasen beaufschlagter Teil als Lüfter wirkt.
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Die Erfindung besteht demgemäß darin, daß bei einer teilbeaufschlagten
V erbrennungs- oder Abgasturbine, bei welcher der eine Teil von dem Treibmittel,
der andere vom Kühlmittel durchströmt wird, der zu kühlende Teil frei in einen Luftstrom
ragt, der nicht durch besondere 'Titte' verdichtet ist, so daß die Kühlluft ungehindert
den zu kühlenden Turbinenschaufeln zu- und zwischen ihnen hindurch strömen kann,
hierbei kann die Kühlluft durch Leitvorrichtungen mit einer Komponente in Richtung
der Läuferachse gegen die Schaufeln gelenkt werden.
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Das beschriebene Prinzip der Kühlung ist auch ohne weiteres für Abgasturbinen
verwendbar, wodurch sich deren Deaufschlagungstemperatur erheblich steigern läßt.
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Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in vereinfachter
Darstellung. Hierin zeigt Abb. i eine Gasturbine für den Antrieb eines Flugzeugpropellers
von der Seite gesehen, teilweise in Ansicht und teilweise im Schnitt, Abb. 2 eine
Ansicht von vorn, aus der insbesondere die gegenseitige Lage des Propellers, des
Getriebegehäuses und des Gasturbinenlaufkranzes in Richtung des Fahrtwindes herv
orgelst, und Abb.3 einen Schaufelplan und Geschwindigkeitsdreiecke für die gasseitige
BeaufschIagung beider Laufkränze, woraus hervorgeht, daß der OOuerschnitt der Schaufeln
des zweiten Kranzes gestreckt ist, wenn die Umfangsgeschwindigkeit desselben der
des Turbinenrades entgegengesetzt gerichtet ist.
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In Abb. i ist die Brennkammer mit ä bezeichnet, aus der der Gasstrahl
durch die Düsen la den Schaufeln der teilweise beaufschlagten Gasturbine zuströmt,
deren Laufrad mit a bezeichnet ist. Die Nutzleistung der Turbine wird über ein Zahnradgetriebe
b auf den Propeller c übertragen. Auf der Austrittsseite der Schaufeln der Gasturbine
ist ein Gebläseschaufelkranz d angeordnet, der mittels Kugel- oder Rollenlagern
auf der Nabe des Turbinenlaufrades a gelagert ist. Dieser Schaufelkranz stellt gewissermaßen
eine zweite Stufe der Turbine dar, die jedoch nicht eine Leistung auf die Welle
überträgt, sondern in dem von der Kühlluft bestrichenen Sektor eine Saugwirkung
auf diese hervorruft. Wenn das Gebläse in entgegengesetzter Richtung wie das Turbinenrad
angetrieben wird, wird das Kreiselmoment der Turbinenwelle in entsprechendem 'Maße
verringert. 'Mit i sind Leitbleche bezeichnet, die vor und hinter den Schaufeln
der Gasturbine zur Verbesserung der Kühlströmung angeordnet sind. Diese Leitvorrichtungen
auf der Vorderseite (z. B. Leitrad, Leitring oder Spiralgehäuse) können derart angebracht
werden, daß der Kühlstrom die Schaufel in der Richtung trifft, die für gute Kühlung
und geringe Wirbel- und Pumpcerluste am geeignetsten ist. Bei Anwendung insbesondere
im Flugzeug- und Luftfahrzeugbau können die Leitvorrichtungen in bekannter Weise
verstellbar angeordnet sein, um den Anströmwinkel entsprechend verschiedenen Umfangsgeschwindigkeiten
verändern zu können.
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Ordnet man auf der Austrittsseite statt des umlaufenden Gebläseschaufelkranzes
(oder außer demselben) feststehende Leitvorrichtungen (z. B. Leitrad, Leitring oder
Spiralgehäuse) in spitzem Winkel gegen die Drehrichtung an, so kann hierdurch die
Luft abgelenkt und verzögert und somit durch Diffusorwirkung eine Drucksenkung davor,
also eine Saugwirkung, ausgeübt werden. Schließlich lassen sich auch die Turbinenschaufeln
selbst so ausbilden, daß sie auf dem von Gas nicht beaufschlagten Bogen eine Gebläsewirkung
ausüben.
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Die Gasturbine treibt auf bekannte Weise außerdem einen Stromerzeuger
k und einen Verdichter e, der zur Verdichtung der Verbrennungsluft dient. Mit f
ist ein Vorwärmer bezeichnet, in dem die Verbrennungsluft durch die Abgase der Gasturbine
vorgewärmt wird.
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In der Stirnansicht der Abb.2 ist mit A der Drehkreis des Propellers
c bezeichnet, während der Außenumfang des Getriebegehäuses das Bezugszeichen B trägt.
Durch zwei konzentrische Kreise mit radial eingezeichneten Strecken ist der Schaufelkranz
der Gasturbine d angedeutet. Auf dem Bogen C, in dessen Bereich der Schaufelkranz
waagerecht schraffiert ist, sind die Schaufeln mit Gas beaufschlagt, -während die
Schaufeln auf dem Kreisbogen D nicht beaufschlagt und so dem Kühlluftstrom ausgesetzt
sind.
In dem Schaufelplan der Abb. 3 stellen die oberen gekrümmten
Querschnitte die Schaufeln der Gasturbine dar, während die unteren gestreckten Querschnitte
die Schaufeln des an ihrem Austrittsende angeordneten Gebläseschaufelkranzes zeigen.
Hierin bedeutet: c1 die Austrittsgeschwindigkeit des Gases aus der Düse, w1 die
relative Eintrittsgeschwindigkeit in die Turbinenlaufschaufel, u die Umfangsgeschwindigkeit
der Turbinenlaufschaufeln, w2 die relative Austrittsgeschwindigkeit aus der Laufschaufel,
c2 die absolute Austrittsgeschwindigkeit aus der Laufschaufel, w3 die relative Eintrittsgeschwindigkeit
des Gases in die Schaufel des Gebläseschaufelkranzes, u,, die Umfangsgeschwindigkeit
des Gebläseschaufelkranzes, w4 die relative Austrittsgeschwindigkeit aus der Gebläseschaufel,
c, die absolute Austrittsgeschwindigkeit aus der Gebläseschaufel.
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Die Darstellung des Schaufelplanes weicht im übrigen in keiner Weise
von der üblichen ab.