DE873465C - Verfahren zum Anfahren und/oder zur Erhoehung der Startleistung von Triebwerken, diemit Gasturbinen arbeiten - Google Patents

Verfahren zum Anfahren und/oder zur Erhoehung der Startleistung von Triebwerken, diemit Gasturbinen arbeiten

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DE873465C
DE873465C DED5420D DED0005420D DE873465C DE 873465 C DE873465 C DE 873465C DE D5420 D DED5420 D DE D5420D DE D0005420 D DED0005420 D DE D0005420D DE 873465 C DE873465 C DE 873465C
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DE
Germany
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gas
air
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fuel
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DED5420D
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English (en)
Inventor
Christian Dipl-Ing Schoerner
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VERSUCHSANSTALT fur LUFTFAHRT
Original Assignee
VERSUCHSANSTALT fur LUFTFAHRT
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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/26Starting; Ignition
    • F02C7/268Starting drives for the rotor, acting directly on the rotor of the gas turbine to be started
    • F02C7/27Fluid drives

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH: Verfahren zum Anfahren und/oder zur Erhöhung,der Startleistung von Triebwerken, die mit Gasturbinen arbeiten, welche neben den Gasdüsen Luftdüsen am Beaufschlagungsbogen aufweisen, insbesondere für Luftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet; da$ in einem Luftzuführungsanal ein oder mehrere Strahldüsen angeordnet sind, denen beim Anfahren oder während .des Startes aus einem druckfesten beheizten Behälter -durch Wärmeeinwirkung vorzugsweise leicht verdampfbarer Brennstoff zuggeführt wird, der gezündet wird.
DED5420D 1940-12-07 1940-12-07 Verfahren zum Anfahren und/oder zur Erhoehung der Startleistung von Triebwerken, diemit Gasturbinen arbeiten Expired DE873465C (de)

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