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Strahlantrieb mit Zuführung und Verbrennung von zusätzlichem Kraftstoff
Die Erfindung bezieht sich auf Strahlantriebe, insbesondere für Luftfahrzeuge, bestechend
aus einem Versdichter, einer den Verdicher antreibenden Gas,turhine mit einer Brennkammer
oder mehreren Brennkammern und einer Rückstoß,d@ii:se mit Zuführung und Verbrennung
von zusätzlichem Kraftstoff in dem nicht zur Verbrennung in der Turbinenbrennkammer
herangezogenen, aber durch die Turbinertbeschawfelung hindurchgeführtem Teil der
verdichteten Arbeitsluft.
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Strahlantriebe werden bekanntlich durch Veränderung des Kraftstoff-Luft-Genii-sches
in ihrer Leistung geregelt. Dabei stellt .der Zustand des Gemisches, bei welchem
die Verbrennurig infolge zu geringen Kraftstoffgehaltes aufhört, den einen Grenzw-,r"t
darr, während der andere Grenzwert in. .dein, Augenblick erreicht wird, in welchem
die Verbrennung durch zu starke übarfettiung,des Gemisches unvollständig würd. Es
liegt in der Natur der Brennfähigkeit eines Kraftstoff-Luft-Genri@sches, daß -der
durch diese beiden Grenzwerte eingeschlossene Bereich eng ist.
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Andererseits werden aber gerade bei Luft fahrzeuigen, für welche .diese
Art von: Triebwerken hauptsächlich bestimmt ist, z. B. -beim Start und beim Steigflug,
Leistungen verlangt, die erheblich über der normalen
Reiseleistung
liegen. Da diese Spitzenleistungen unmöglich durch bloße Änderung des Gemisches
in oben bezeichnetem Sinne erreicht werden können, ist vorgeschlagen worden, in
den nicht zur Verbrennung in den Brennkammern der Turbine herangezogenen Teil der
verdichteten Arbeitsluft vor oder nach Vermischung mit dem Abgasstrom der Gasturbine
zusätzlich Kraftstoff einzuführen und zu verbrennen und die dadurch in der Rückstoß
düse vorübergehend auftretende Vergrößerung der Rückstoßenergie zur Deckung des
zusätzlichen Vortriebsbedarfes heranzuziehen.
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Mit demEinführen von zusätzlichemX-ra.ftstoff in den Luft- oder Abgasstrom
sind jedoch erhebliche Nachteile verbunden. Es hat sich nämlich gezeigt, daß die
Geschwindigkeit der Gase beim Austritt aus der Gasturbine so hoch ist, daß sich
der dort zusätzlich eingeführte Kraftstoff nicht schnell genug mit dem von den Gasen
mitgeführten unverbrannten Sauerstoff mischen kann. Darüber hinaus tritt infolge
des unvermeidlichen Zündverzuges die völlige Durchzündung des gesamten Gemisches
erst so spät ein, .daß die Verbrennung des zusätzlich eingeführten Kraftstoffes
nicht wie beabsichtigt im Bereich des Turbinengegendruckes, d. h. unmittelbar hinter
der Turbine, sondern erst viel später im Bereich der Düsenmündung erfolgt. Hier
hat aber bereits die Beschleunigung der Gasmassen eingesetzt und mit ihr eine Druckverminderung
stattgefunden, so daß der thermische Wirkungsgrad, der bekanntlich mit fallendem
Druck erheblich absinkt, außerordentlich verschlechtert wird. Unter Umständen kann
sogar der Fall eintreten, daß sich Zündverzug und Abgasgeschwindigkeit so auswirken,
daß die Verbrennung des zusätzlichen Kraftstoffes erst außerhalb der Rückstoßdüse
beendet ist, wobei natürlich überhaupt keine Leistung mehr aus diesem Kraftstoff
gewonnen werden kann.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Strahlantrieb
mit zusätzlicher Kraftstoffzufuhr zu schaffen, bei welchem die oben angeführten
Nachteile vermieden sind.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Zufuhr
des zusätzlichen Kraftstoffes unter Vermeidung einer besonderen Brennkammer unmittelbar
voir oder innerhalb der Gasturbinenbeschaufelung erfolgt. Es ist dabei möglich,
den Kraftstoff unmittelbar vor oder innerhalb der Leitbeschaufelung zuzuführen oder
die Zufuhr des zusätzlichen Kraftstoffes zwischen Leit-und Laufradbeschaufelung
anzuordnen, beides ebenfalls unter Vermeidung einer besonderen Brennkammer.
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Der durch die Erfindung bedingte technische Fortschritt ist erheblich.
Einerseits gelingt es durch die erfindungsgeruäße Wahl der Eintrittsstelle des zusätzlichen
Kraftstoffes, Zündverzug und Gasgeschwindigkeit so aufeinander abzustimmen, daß
die Verbrennung des zusätzlichen Kraftstoffes dort eintritt, wo sie die größtmögliche
Leistung entwickelt, d. h. den besten thermischen Wirkungsgrad hat, nämlich im Bereich
des Gasturbinengegen.druckes. Andererseits wird innerhalb der Gasturbinenh,-#schaufelung
oder zum mindesten innerhalb des Laufrades eine gute Durchmischung de.s zusätzlichen
Kraftstoffes mit dem Gasstrom, der den noch unverbrannten Sauerstoff enthält, erzielt,
und es werden dadurch Kraftstoffverluste durch unvollkommene Verbrennung infolge
ungenügender Durchmischung mit Sicherheit vermieden. Ferner ergibt sich durch die
zusätzliche Beaufschlagung dar Turh.inenschaufeln durch in ihrem Bereich verdampfenden
Kraftstoff infolge des Verbrauches an Verda.mpfungswärme eine zusätzliche Kühlung
der Turbinenschaufeln.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt;
es zeigt Abb. i einen Mittellängsschnitt durch einen Strahlantrieb mit zusätzlicher
Kraftstoffzufuhr gemäß der Erfindung, Ab@b. 2 einen Teilausschnitt einer Einrichtung
ähnlich derjenigen nach Abb. x, lief welchem die Zufuhr von Kraftstoft innerhalb
der Leitvorrichtung erfolgt, und Ab.b. 3 einen Teilausschnitt einer weiteren ähnlichen
Einrichtung mit Zufuhr von Kraftstoff zwischen I..eitvo,rriclitung und Laufrad.
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Innerhalb der windschnittigen Verkleidung i des Strahlantriebes sind
in bekannter Weise die Einsträmd'üse z, der Verdichter 3 mit der anschließenden
Brennkammer 4. angeordnet. In die Brennkammer wird durch die Kraftstoffzuführungseinrichtung
5 Kraftstoff eingespritzt und dort mit der vom Verdichter 3 kommenden verdichteten
Luft gemischt. Das Gemisch wird mittels der Zündvorrichtung 6 entzündet. Das in
der Brennka:mmer erzeugte Treibmittel beaufschlagt die aus de:r Leitvorrichtung
7 und dem Läufer 8 bestehende Gasturbine, an welche sich die Rückstoßdüse 9 mit
der Ausströmmündung 1o anschließt. Im Innern der Rückstoßdüse befindet sich ein
Verdrängerkörper i i, dessen keg elig zulaufendes Ende. 12 zwecks regelbarer Veränderung
des Austrittsquerschnittes io axial verschiebbar ist.
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Vor der Leitvorrichtung 7 der Gasturbine befindet sich die Zuführungseinrichtung
13 für den zusätzlichen Kraftstoff. Die Geschwindigkeit des an dieser Stelle in
die Leitvorrichtung einströmenden Treibmittels ist so groß, daß .die Verbrennung
des zusätzlichen Kraftstoffes infolge des Zündverzuges erst
hinter
der Turbine 7, 8 erfolgt, und zwar an einer Stelle der Rückstoßdüse j, an welcher
die weitere Beschleunigung der Gasmassen noch nicht eingesetzt hat, wo a15o noch
ein guter othermi@scher Wirkungsgraderzielt werden (kann.
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Abb.. 2 zeigt einen Aussdhnitt eines Strahlantriebes ähnlich demjenigen
nach Abb. i, und zwar dien Teil, welcher die Gasturbine mit der Leitvorrichtung
17 und das Laufrad 18 enthält. Hier ist die zurr Einspritzung zusätzlichen Kraftstoffes
dienende Zuführungseinrichtung 23 im Bereiich,der Leitvorrichtung 17 angeordnet,
damit bei der vorliegenden Treibmittelgeschwindigkeit und bei dem sich aus der Art
dies Kraftstoff-Luft-Gemisches ergebenden Zündverzug die Zone, in welcher der zusätzliche
Kraftstoff verbrennt, nicht zu nahe an die Laufschaufaln der Gausturbine heranreicht.
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Inn Abh. 3 ist eine Anordnung dargestellt, bei oder außerdem noch
eine zusätzliche Kühlung .der thermisch hoch beanspruchten Laurfradschaufealn erzielt
wind. Hier Ist nämlich die Zuführungseinricihtung 33 für den zusätzlichen: Kiraifüstoff
in dem Raum zwischen der Lei@tvoririchtüng 27 und dien Schaufeln des Turbinenläufers
28 angeordnet. Infolge der an der Einspritzstelle erfolgenden Verd-aanpfung dies
Kraftstoffes wird hier eine erhebliehe Verdampfungswärme verbraucht, die, zum großen
Teil den heißen Laufrad-schaufeln entzogen wird,. Die Schaufeln werden also in wirksamer
Weise ,gekühlt. Auch ?bei dieser Anordnung ist es möglich, Treibrnnttelgeschwindigkeit
und Zündverzug so aufeinandier abzustimmen, daß die Verbrennung des zusätzlichen
Kraftstoffes in einem solchen Bereich der RückstoßdÜse 29 nahe dem Turbinenaustritt
erfolgt, daß einguter ühermtiseher Wirkungsgrad mit Sicherheit erzielt wird.