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Verfahren zum Anfahren und/oder zur Erhöhung der Startleistung von
Triebwerken, die mit Gasturbinen arbeiten Gasturbinen treten als leicht und klein
zu bauende Kraftmaschinen immer mehr in den Mittelpunkt des Interesses, besonders
deshalb, weil es in neuester Zeit gelungen ist, hochwertige Werkstoffe und wirksame
Kühlmethoden für die heißen und hochbeanspruchten Bauteile zu finden, mit deren
Hilfe große Eintrittstemperaturen (bei einer von Fall zu Fall vorgesehenen gewissen
Lebensdauer) verarbeitet und damit thermodynamisch günstige Betriebisverhältnisse
ermöglicht werden.
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Zur Erzielung großer Fluggeschwindigkeiten auch ,in großen Höhen werden
neuerdings die Ottomotoren der Lu@ftfahrzeugtriebwerke mit Aufladeeinrichtunggen
versehen, zu deren Antrieb die Energie der Abgase in Abgasturibinen ausgenutzt wird,
nachdem neue Werkstoffe und wirksame Beanspruchungen bekanntgeworden sind. Zur Vereinfachung
der thermisch sehr hoch beanspruchten Turbinengehäuse wird von der Düsenregelung
in der Regel abgesehen und für jede Motorenseite der meisten in V-Form angeordneten
Arbeitszylinder je ein Düsensegment unveränderlichen Querschnitts angeordnet. Regeltechnisch
.ist diese Bauart ohne weiteres zulässig, da die Abgasturbine leistungsmäßig
bei
weitem den Kraftbedarf .des Laders bei den üblichen Überladungen des Motors decken
und die Steuerung des Ladedruckes vor den Ventilen durch Abblasen einer gewissen
Abgasmenge sehr einfach durchgeführt werden kann. Die Auslegegröße wird einerseits
von der thermischen und mechanischen Belastung von Laufschaufelung und Scheibe (bei
dem jeweils gewählten Kühlverfahren) begrenzt, soll aber mit Rücksicht auf möglichst
geringen Stau in der Albgasleitung immerhin so gewählt werden, @daß das in der Turbine
noch verfügbare Druckgefälle mit einer bestimmten, an den Düsen vorhandenen Gastemperatur
zur Deckung der Verdichterarbeit in allen Fällen ausreicht. Namentlich bei den neuzeitlichen
Durchspülmotoren hoher spezifischer Leistungen mit stark überschrittenen Steuerzeiten
ist es wichtig, daß der Auspuffgegendruck wegen der Spülvorgänge nicht allzu hoch
@ liegt. ' Beim Start entstehen nun Schwierigkeiten durch die.verschiedenen Erfordernisse
der Abgasturbine und des Motors. Diese sind r. Der Motor läuft während einer zeitlich
begrenzten Zeit mit höchster Last sowie mit thermischer und mechanischer Höchstbeanspruchung,
bedarf ferner infolge des hohen Ladedruckes einer großen Luftmenge, außer der noch-
:der Luft für die Ausspülung des Arbeitszylindertotraumes, und liefert dementsprechend
große Abgasmengen, und zwar um so größere, je mehr die Steuerzeiten des Motors überschnitten
sind. Das setzt voraus, daß der Durchspülvorgang ein gewisses Mindestmaß von Druckunterschied
zwischen Arbeitszylindersaugseite und Abgasseite vorfindet; zur Schonung des Motors
ist es sogar erwünscht, wenn dieser Druckunterschied groß ist.
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2. Da .die Abgasturbine den Kraiftbedarf des Laders decken muß, der
die Verbrennungs- und Spülluft auf den zu obiger Motorenhöchstleistung gehörenden
Ladedruck verdichtet, ist dazu ein gewisses Druckverhältnis des Gasdruckes vor und
nach der Abgasturbine notwendig, dem eine bestimmte Abgasmenge entspricht; @da der
Druckunterschied nicht besonders groß ist, - tritt noch das geringe Y
= f (PI/P2) in der für den Durchfluß maßgebenden Abhängigkeit: stündliches
Gasgewicht = y - Querschnitt # hinfzu, .d. h. es wird in den meisten Fällen ein
Druck vor den Gasturbinendüsen erforderlich sein, rder höher ist als der Gegendruck
hinter dem Ottomotor, welcher im Interesse einer guten Durchspülung, wie sie die
Höchstleistung des Motors verlangt, erwünscht ist.
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Um den Druck vor der Gasturbine in niedrigen Grenzen zu halten und
trotzdem eine für die Startaufladung ausreichende Treibgasmenge hindurchzubringen,
kann man den Düsenquerschnitt außerordentlich groß machen; diese Auslegung bedeutet
aber bei Ausführung einer ziemlich großen Düsenneigung und großem Austrittswinkel
an der Laufschaufelung eine starke Beeinträchtigung des Wirkungsgrades über den
ganzen bei Ausführung einer entsprechend großen Düsenhöhe eine während der ganzen
übrigen Betriebszeit unnötig hohe mechanische Belastung des Turbinenlaufrades infolge
der zu einer größeren Düsenhöhe gehörigen längeren Laufschaufel. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, nur für den Start einen zuschaltbaren Düsenquerschnitt vorzusehen,
der während der übrigen Betriebszeit unbenutzt bleibt; das bedingt die Anordnung
eines zusätzlichen Steuerorgans, Mehraufwand an Rohrleitungen und wie im obererwähnten
Fall auch eine längere Laufschaufel.
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Diese grundsätzlichen, in der Eigenart der Bauelemente begründeten
Schwierigkeiten sind aber schwerwiegend, da die Leistung des Triebwerkes beim Start
von schwer beladenen schnellen Flugzeugen mit großer Flächenbelastung von ausschlaggebender
Bedeutung ist, andererseits die Forderungen einer angemessenen Lebensdauer von Motor-
und Abgasturbine, dargestellt durch gute Durchspülung auch bei Höchstleistung des
Motors sowie günstigste Auslegung,des hochbeanspruchten Turbinenläufers, nicht zu
vernachlässigen sind.
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Bei Luftfahrdurdhflußtriebwerken sind weiterhin für den Antrieb durch
Luftschraube oder Strahl Anordnungen vorgeschlagen und versucht worden, die aus.
Lader, Brennkammer -und Gasturbine bestehen, wobei letztere außer dem Kraftbedarf
des Laders den Luftschraubenantrieb oder _ den Strahlenantrieb decken muß. In diesem
Falle bereitet das Anfahren einer solchen Anlage, namentlich bei Luftfahrzeugen,
Schwierigkeiten, weil dort in der Regel keinerlei Speichergefäße ausreichender Größe
mit Überdruck, wie z. B. Preßluftflaschen, zur Verfügung stehen.
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Man könnte daran denken, durch Wärmezufuhr, (d. fi. - durch Einspritzen
von Brennstoff in einen von Luft durchströmten Kanal, dieser Schwierigkeit Herr
zu werden. Man hat auch, wie bekannt, anläßlich von Vorschlägen, zur Durchführung
eines Gasturbinenprozesses mit isothermer Expansion und Vorwärmung der verdichteten
Luft durch die Abgase die Temperaturabsenkung bei der Expansion der heißen Arbeitsluft
durch allmähliche Brennstoffzufuhr wieder ausgleichen wollen. Diese Art der Zwischenerh
itzung durch stufenförmige Verbrennung mag einige thermodynamische Vorteile in sich
schließen, in offenen Durchflußkanälen ist aber infolge der erhöhten urgerichteten
inneren Wärmebewegung der Gasteilchen keine eindeutig gerichtete Beschleunigung
des Gasstromes in Bewegungsrichtung zu erwarten. Wenn der durch die Wärmezufuhr
entstandenen Volumenvergrößerung nicht Rechnung getragen wird, sind erhöhte Widerstände
und eine Bremsung des Durchflusses durch Iden Rückstau die Folge. Nachdem also in
einem offenen Kanal keine gerichtete kinetische Energie erzeugt werden kann, ohne
daß durch Absperrung etwa eine Druckerhöhung damit verbunden wäre, läßt sich .dieser
einfache Weg für den beabsichtigten, kurzzeitig erforderlichen Zweck auch nicht
einschlagen; vielmehr muß eine Einrichtung gewählt werden, die eine gerichtete Beschleunigung
auf das Treibmittel der Gasturbine ausübt bzw. beim Anfahren von reinen Durchflußtriebwerken
das
Ingangbrin.gen eines Durchfl:usses .des Arbeitsmittels einleitet.
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Die vorliegende Erfindung gibt einen einfachen Weg an, die Triebwerke
mit geringem Bauaufwand schnell in Gang zu versetzen und bei Ottomotoren mit Abgasturbolader
für die zum Start notwendige Höchstleistung zu sorgen.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Anfahren und/oder
zur Erhöhung der Startleistung von Triebwerken; die mit Grasturbinen arbeiten, welche
neben: den Gasdüsen Luftdüsen am Beaufschlagungsbogen aufweisen, insbesondere für
Luftfahrzeuge. Das erfinderische Neue bestecht darin, @daß innerhalb des Leitschaufelkranzes
in einem der neben den Gasdüsen am Beaufschlagungs:bogen vorhandenen Luftzufüllrungskanäle
ein oder mehrere Strahldüsen angeordnet sind, denen beim Anfahren oder während des
Startes aus einem druckfesten beheizten Behälter durch Wärmeeinwirkung vorzugsweise
leicht verdampfbarer Brennstoff zugeführt wird, der gezündet wird. Hierdurch wirkt
ein genügend großes Gemisch von Luft und Brenngasen beschleunigend auf das noch
stillstehende Laufschaufelgitter der Gasturbine, und dieses kann so in Umdrehung
versetzt werden.
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Der Feuergasstrahl entsteht an einer oder mehreren Brenndüsen eines
entsprechend großen druckfesten Behälters, der zum Zwecke .der Ingangsetzung der
Anlage über einen Sicherheitshahn mit leicht ver.dampfbarem Brennstoff vor dem Start
gefüllt wird, um die Möglichkeit von Bränden während der normalen Betriebszeit des
Trieb-,verkes weitgehendst auszuschalten, und. nach dem Schließen desselben durch
entzündeten, von erwähntem Behälter abgezapften Brennstoff geheizt wird, so daß
der verdampfte und unter Druck gesetzte leichtsiedende Brennstoff en der Austrittsdüse
unter dem Ein:fluß der einsetzenden Verbrennung mit großer Geschwindigkeit austritt.
Bei geeigneter Anordnung der Luftquerschnitte um diesen Feuergasstrahl kann eine
größereLuftmenbe durch Ejektorwirkung beschleunigt werden. Das entstandene Brenngas-Luft-Gemisch
besitzt auf diese Weise für das Ingangbringen des stillstehenden Laufrades, z. B.
eines -Durchflußtriebwerkes, eine erträgliche Temperatur und genügend große Maße
von nicht allzu hoher Geschwindigkeit. Ist durch :diese Maßnahme eine gewisse Umlaufzahl
von Gasturbine und Lader erreicht, so wird der Umlauf durch die normalen Einrichtungen
des Triebwerkes sichergestellt und eine weitere Beschleunigung der umlaufenden Teile
durch die allmählich einsetzende Verbrennung in der aufgeladenen Brennkammer gewährleistet.
Andererseits kann das Laufschaufelgitter über eine genügend lange Zeit, die ungefähr
der zulässigen Beanspruchungsdauer des Ottomotors mit Startleistung u.dgl. entspricht,
entweder allein .durch die Energie dieses Brenngas-Luft-Gemisches oder nur zusätzlich
durch dieses angetrieben werden, und zwar neben der Energie der Motorabgase, von
denen man nur so viel durch -die A'hgasturhinendüsen strömen läßt, als bei einem
für den Motor wegen des geordneten Ablaufs der Durchspülvorgänge zulässigen Auspuffgegendruckes
durch den gewählten Düsenquerschnitt strömen.
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Die Anordnung des Kanals erfordert zwar bei gegebenem Schluckvermögen
der Gasturbine eine kleine Erhöhung der Düsen- und damit der Lau.fschaufelhöhe,
wenn mit Rücksicht auf höchste Leistung der Gasturbine (bei gegebenem Gefälle) die
Güte der Umsetzung der kinetischen Energie in mechanische Arbeit nicht durch Aufdrehen
der Winkel von Düse und Laufschaufel leiden soll. Aber ,der Kanal kann für einstufige
Turbinen während der übrigen normalen Betriabsze,it, wo die Einrichtung gemäß der
Erfindung überflüssig geworden ist, bei geeigneter Verlegung des Kanaleintritts
an die Zellenoberfläche des Flugzeuges sehr wirksam zur Laufschaufelkühlung mittels
des Fahrwindes ausgenutztwerden. Ist'für dieKühlung der .heißen Bauteile sowieso
Teilbeaufschlagung des Laufschaufelgitters durch den Fahrwind vorgesehen, so wird
man die Feuerstrahlbeschleunigungseinrichtung innerhalb des Künlluftkanals anordnen.
Die Trie@blverksbelastung durch die unbedeutend verlängerte Laufschaufel wird also
für ,die eigentlichen Dauerbetriebszustände mit hoher Drehzahl zum größten Teil
durch die Kühlmöglichkeiten des Gitters von außen ausgeglichen.
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An Hand der Abb. i a und i @b, von denen die Abb. i b einen Schnitt
durch die Abb. i a in Richtung _d-B zeigt, soll der grundsätzliche Aufbau der Einrichtung
gezeigt werden. Die Laufschaufel i wird zwischen den Gasleitkanälen 2,1,
2b durch die Leitkanäle 3 beaufschlagt, welche am Ende eines in der Mitte
verengten Rohrkanals 4. sitzen, dessen Anfang d.a zum Auffangen des Fahrwindstaues
der Flugrichtung entgegengekrümmt ist. In der Nähe der engsten Stelle ist, in den
Kanal etwas eingelassen, ,der kleine Kraftstoffbehälter 5 angeordnet, dessen beispielsweise
drei stromlinienförmig gestaltete Düsenfortsätze 6 bis in die Kanalmitte reichen.
Das Brennstoffgefäß 5 wird vor Inbetriebnahme der Einrichtung aus dem Tank 7 über
den Sicherheitshahn 8 gefüllt; der Brennstoff, der an den beiden Heizrohren 9 austritt,
wird mittels der Glühkerze i.oß gezündet und so der Gefäßinhalt beheizt. Durch den
steigenden Überdruck (vor unzulässigen Überdrücken schützt das Überdruckventil ii)
öffnet sich das Ventil 12, welches den Kraftstoffzutritt zu den Strahldüsen 6 abschließt,
und der mit Überdruck dort austretende Brennstoff gibt, entzündet von,der Glühkerze
iob, einen Feuerstrahl hoher Energie, der diese an eine ver'hältnismäßig große Luftmenge
überträgt. Die Einrichtung wird zweckmäßig unter Ausführung einer passenden schlanken
Erweiterung so weit entfernt von den Leitschaufeln 3 im Kanal angeordnet, daß die
Abgleichung -der kinetischen Energien von Brenngas und Luft so weit durchgeführt
ist, daß das Turbinenrad von nicht allzu heißen, nicht zu schnell, aber nicht zu
langsam strömenden, verhältnismäßig großen Gasmassen beaufschlagt wird, wodurch
günstige thermodynamrische Verhältnisse
für die Umsetzung der kinetischen
Energie in mechanische Arbeit -geschaffen werden.