DE943440C - Auslasssteuerung aus intermittierend arbeitenden Brennkammern fuer Flugzeugduesentriebwerke, Pulso-Triebwerke oder Gasturbinen - Google Patents

Description

• Auslaßsteuerung aus intermittierend arbeitenden Brennkammern für Flugzeugdüsentriebwerke, Pulso-Triebwerke oder Gasturbinen Bei der Mehrzahl der entwickelten Turbinen-Triebwerke wird das zur Umsetzung in Nutzenergie notwendige Arbeitsmittel fast ausschließlich in kontinuierlich arbeitenden Gleichdruck-Brennkammern erzeugt. Die leistungs- und verbrauchsmäßigen Vorteile der Gleichraumverbrennung sind schon lange bekannt, und es existieren zahlreiche Ausführungsvorschläge. Es sind z. B. Vorschläge bekanntgeworden, bei denen die Verbrennung in einer durch Ventile abgeschlossenen Kammer nach -dem Gleichraumverfahren abläuft und durch Steuerung der Ventile mehrere unabhängige Turbinenstufen bzw. Turbinenräder in verschiedenen Druckbereichen beaufschlagt werden. In einem anderen Ausführungsbeispiel wird in ähn- _ lic.her Form mit Hilfe einer Ventilsteuerung das Verbrennungsgas in dem Druckbereich oberhalb des Ladedruckes intermittierend einer ersten Turbinenstufe zugeführt, während über einen Sammelraum bei gleichbleibendem Druck in der Höhe des Ladedruckes das Arbeitsgas kontinuierlich durch die zweite Turbinenstüfe geleitet wird.
• Bei den Triebwerken, die mit Einzelbrennkammern arbeiten, erfolgt das Ausströmen aus jeder Einzelbrennkammer. in das Leitschaufelgitter der Turbine im allgemeinen gleichmäßig über die gesamte Länge der Schaufeln. Dies führt dazu, daß die Beanspruchung des unteren Teils@der Schaufel verhältnismäßig hoch ist. Bei annähernd gleicher Temperatur über die Schaufellänge ist die Beanspruchung, bezogen auf die zulässige Beanspruchung in der Nähe des Schaufelfußes, wegen der dort höheren Fliehkraftbeanspruchung wesent-, lieh höher als am oberen Teil der Schaufel. Um die Festigkeitseigenschaften des Materials im Sinne des Grundsatzes gleicher Festigkeit besser auszunutzen, sind Vorschläge bekanntgeworden, nach denen die Turbinenschaufel in radialer Richtung von verschiedenen Gasströmen verschiedener Temperatur beaufschlagt 'wird, wobei aus Festigkeitsgründen am Schaufelfuß die Temperatur am geringsten, gewählt wird. Es ist hierbei notwendig, die verschiedenen Gasströme unabhängig voneinander in verschiedenen Brennkammern zu erzeugen. Weiterhin sind auch Vorschläge bekannt, bei denen die Leitschaufeln' in radialer Richtung so unterteilt sind, daß zur Vermeidung,der Verwindung der Schaufeln in der Nähe des Schaufelfußes ein kleineres Druckgefälle verarbeitet wird als an der Schaufelspitze. Auch hierfür werden zwei voneinander getrennte Brennkammern verwendet.
• Zusammenfassend ist zu sagen, daß in den bisher vorliegenden Vorschlägen der Gasstrom entweder aus einer Brennkammer in zwei Laufräder einer Turbine oder die Gasströme aus zwei Brennkammern in ein Laufrad einer Turbine geleitet wird. Es, ist hierbei und im fal@genden-unter einer Brennkammer nicht unbedingt eine einzelne zu verstehen, sondern es kann sich auch um mehrere parallel geschaltete Brennkammern handeln, wobei aber die austretenden Gase alle den gleichen Zustand haben. Das Wesentliche des hier vorliegenden neuen Systems besteht darin, daß der Ausströmvorgang einer Brennkammer, die annähernd -nach dem Gleichraumverfahren arbeitet, durch eine spezielle Ausführungsform einer Auslaßsteuerung stufenweise in ein Turbinenrad aufgeteilt wird.
• Der erfindungsgemäße Vorschlag. geht also dahin, daß bei Brennkammern, in denen der Druck während des Ausströmvorganges sinkt, wie z. B. bei Brennkammern oder Brennkammersystemen, die nach einem, dem Gleichraumprozeß ähnlichen Verfahren arbeiten, das Wärmegefälle unter Arbeitsabgabe stufenweise abgebaut wird und den dabei entstehenden Gasgeschwindigkeiten entsprechend in sinnvoller Weise in einem einzigen, in radialer Richtung unterteilten Leitgitter einer Gasturbine verarbeitet wird. Dabei wird der Auslaßvorgang in einige Abschnitte unterteilt, die stufenweise in sinkenden Druckbereichen, aber nur auf ein Turbinenrad oder auf ein Turbinenrad und auf eine Schubdüse arbeiten. Damit wird erreicht, daß die verfügbare höhere Energie derjenigen Gasanteile, deren Expansion beim Ausströmen aus ein und derselben Brennkammer bei höheren Drücken beginnt, .durch Einführung einer Auslaßsteuerung, die den Auslaßvorgang in mehrere Stufen unterteilt, nutzbar gemacht wird. Bei den höchsten auftretenden Drücken wird also .zunächst. nur ein Teil des Auslasses freigegeben, durch welchen ein Kanalsystem gespeist wird, das seinerseits zu den äußeren Turbinenschaufelhälften führt. Bei Erreichen eines geringeren Druckes in der Brennkammer im Verlaufe des Ausströmvorganges wird diese erste Auslaßöffnung abgesperrt und eine zweite Ausströmöffnung freigegeben. Durch diesen zweiten AuslaBkanal werden die inneren Laufschaufelhälften beaufschlagt. Durch den gleichzeitigen Abschluß der ersten Ausströmöffnung wird in dem dahinterliegenden Kanalsystem ein im Durchschnitt höherer Druck aufrechterhalten, als der Einströmdruck in die Brennkammer.
• . Die Anordnung von radial getrennten Düsengruppen ist an sich bekannt und auf diese allein wird in der vorliegenden Anmeldung kein Schutz begehrt.
• Bei dem beschriebenen erfindungsgemäßen Vorschlag wird es also ermöglicht, mit Hilfe eines . rotierenden Auslaßsteuerorgans aus einer intermittierend arbeitenden Brennkammer am größeren Umfang des.Turbinenlaufrades höhere Temperaturen zuzulassen. Außerdem werden die bei Beginn des Ausströmvorganges aus der Brennkammer mit höherem Druckausströmenden Anteile des Arbeitsgases den bei größerem Umfang liegenden Teil der radialunterteilten Leitschaufelgitter zugeleitet.
• Diese Maßnahme bringt den Vorteil, daß der Außenteil der Laufschaufel mit größeren Expansionsverhältnis beaufschlagt wird, so daß der Einströmwinkel längs der Eintrittskante der Turbinenschaufel viel gleichmäßiger wird, und die Verwindung der Schaufel unter Umständen ganz wegfallen kann. Die Verwirklichung dieser Vorschläge ist besonders dann möglich, wenn während des Ausströmens aus der Brennkammer eine starke Druckänderung erfolgt, wie dies z. B. bei intermittierend arbeitenden Brennkammern der Fall ist.-Die Steuerung kann so angeordnet werden, daß die ausströmenden Gase mehreier ringförmig angeordneter Einzelbrennkammersysfieme von dem rotierenden Steuerungskörper laufend in da's Leitschaufel-Kanalsystem gesteuert werden, so daß ein annähernd kontinuierlicher Gasstrom zustande kommt.
• Dasselbe Regelungssystem kann auch für reine Pulso-Triebwerke verwendet werden, ,wobei dann ein geeigneter Teilstrom aus dem hohen. oder, geringen Druckbereich in eine Hilfsgasturbine geführt wird, welche ihrerseits das Steuerungssystem . antreibt. Diese Hilfsgasturbine kann weiterhin so bemessen werden, daß zusätzlich "ein ein- oder zweistufiger Vorverdichter angetrieben werden kann, wodurch der Spülvorgang des Brennkammersystem wesentlich verbessert wird. Außerdem ist eine Leistungssteigerung mit dieser Überladung verbunden, und im Gegensatz zum üblichen Verpuffungsrohr lassen sich wegen des höheren Druck-Verhältnisses, z. B. bei Flugzeugtri4werken, höhere Fluggeschwindigkeiten erzielen. Im einzelnen wird ein Ausführungsbeispiel des Anmeldungsgegenstandes in den Zeichnungen näher erläutert. Abb. i zeigt ein Beispiel für eine Auslaßsteuerung aus intermittierend arbeitenden Brennkammern für Flugzeugdüäen''riebwerke, Pulso-Triebwerke oder Gasturbinen, Abb. 2 a ein Beispiel für die Anwendung der Auslaßsteuerung aus interm.ittierend arbeitenden Brennkammern auf Pulso-Triebwerke; Ausführung mit Hilfsturbine, Abb.-2b ein Beispiel- für die Anwendung der Auslaßsteuerung aus intermittierend arbeitenden Brennkammern auf Pulso-Triebwerke; Auslaßsteuerung mit Turbosegment, Abb. 3 a ein Beispiel eines Steuerdiagramms für eine Brennkammerauslaästeuerung, Abb. 3 b ein Beispiel für Formgebung der Auslaßsteuerscheibe bei radialer Überströmkanalanordnung, Abb. 3 c ein Beispiel für Formgebung der Auslaßsteuerscheibe bei verwundenen überströmkanälen.
• Die Wirkungsweise der beschriebenen erfindungsgemäßen Auslaßsteuerung aus intermittierend arbeitenden Brennkammern wird an Hand eines Ausführungsbeispieles (Abb..i) ersichtlich. Das Arbeitsgas strömt unter hohem Druck aus dem Brennkammersystem i durch - den Überströmkanal 2, durch den von dem Auslaßsteuerorgan 3 freigegebenen; Querschnitt in das Kanalsystem q., gelangt von dort in den Leitschaufelkranz 5 und beaufschlagt den äußeren Umfang des Laufschaufelgitters 6. Im Verlaufe der weiteren Rotation des Auslaßsteuerorgans 3 wird der Brennkamrnerraum 2 abgesperrt, nachdem' das Arbeitsgas erst teilweise expandiert und auch erst ein Teil desselben übergeströmt ist. Gleichzeitig wird das Kanalsystem q. abgesperrt, wodurch in diesem der vorhandene Druck annähernd aufrechterhalten -wird bzw. zur Expansion durch die Leitschaufeln 5 zur Verfügung steht.
• Die weitere Expansion im Brennkammersystem i erfolgt nunmehr durch den inneren Überströmkanal 7. Die Überströmkanäle 2 und 7 sind in Umfangsrichtung versetzt 'angeordnet, so daß durch die Ausnehmungen des Auslaßsteuerorgans nach Abb. 3 c die beiden Überströmkanäle 2 und 7 zeitlich nacheinander durch das Auslaßsteuerorgan 3 freigegeben werden. Der zweite Anteil der Verbrennungsgase expandiert von dem nunmehr kleineren Druck in das innere Kanalsystem 8, durch den inneren Leitschaufelkranz 9 und beaufschlagt den inneren Umfang des Lauf schaufelgitters 6. Die Drucksenkung erfolgt bis zum Verdichtungsenddruck oder im Interesse einer besseren Spülung und Füllung, evtl. unter Ausnutzung der kinetischen Energie des ausströmenden Gases bis zu einem noch geringeren Druck. Dann wird durch das Auslaßsteuerorgan 3 der Überströmkanal 7 und das Kanalsystem 8 abgesperrt.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Anwendung der im Patent beschriebenen Brennkammer-Auslaßsteuerung auf Pulso-Triebwerke zeigt Abb. 2 a. Aus einer intermittierend arbeitenden Brennkammer i i wirkt der größte Teil des Expansionsverhältnisses durch die Auslaßsteuerung 12 direkt auf die Schubdüse, während ein kleiner Teil des Expansionsverhältnisses in einen Nebenstrom in einer Hilfsgasturbine 13 ausgenutzt und dann wieder dem Hauptstrom zugeleitet wird. Durch, die Hilfsgasturbine 13 werden Auslaßsteuerorgan i2 und evtl. weitere Steuerungsorgane 1q. und 15 des Brennkammersystems und evtl. noch ein Vorverdichter 16 angetrieben. Die Größe und der Druckbereich des Hilfsgasturbinen-Teilstromes richten sich nach Art und Größe der Turbine.
• In Abb. 2 b erfolgt z. B. der Antrieb von Auslaßsteuerorgan 17 des Brennkammersystems, etwaiger weiterer Steuerorgane 18 und i j und evtl. Vorverdichter 2, (Radial- oder Axiallader mit geringer Stufenzahl) durch Laufschaufelgitter-Segmente 2i, welche unmittelbar am Auslaßsteuerorgan 17 angebracht sind..
• In Abb. 3 a ist ein Beispiel eines .Steuerdiagramms für eine Brennkammer-Auslaßsteuerung dargestellt. Es bedeutet hierin: a = Vorauslaß öffnet, b = Hauptauslaß öffnet, c = offen, d = geschlossen.
• In Abb. 3 b ist als Beispiel der Formgebung der Auslaßsteuerscheibe entsprechend Steuerdiagramm (Abb. 3a) wiedergegeben für den Fall, daß die Überströmkanäle radial angeordnet sind. Bei verwundener Anordnung der überströmkänäle, wie in Abb. i bis 2 b dargestellt, läßt sich die Auslaßsteuerscheibe festigkeitsmäßig günstiger ausbilden, wie in Abb. 3 c dargestellt. Um die Absperrzeiten entsprechend der Breite des Ausströmkanals zu gewährleisten, müssen die absperrenden Teile des Steuerorgans unter Umständen die Kanalbreite berücksichtigen, wie in Abb. 3 b und 3 c durch gestricheIte Liirien angedeutet ist.

Claims (7)

1. PATENTAI`ISpRÜCIIr; i. Auslaßsteuerung für intermittierend arbeitende Brennkammern von Flugzeugdüsentriebwerken, Pulso-Triebwerken oder Gasturbinen, bei denen während des Auslaßvorganges aus den Brennkammern eine Drucksenkung erfolgt, wobei der Auslaßvorgang durch ein oder mehrere rotierende Bauelemente oder Scheiben mittels darin vorgesehener Kanäle oder Aussparungen geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die ausströmenden Gase aus jeder. Verbrennungskammer durch diese Steuerscheibenkanäle zeitlich aufeinanderfolgend jeweils in zwei oder mehrere feststehende Überströmkanäle geleitet werden, welche in radial getrennte Düsenabschnitte einer Gasturbinenscheibe oder teils in solche und teils in eine Schubdüse münden.
2. 2. Auslaßsteuerung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der erste unter wesentlich höherem Druck als der Einströmdruck in die Brennkammer aus dem Verbrennungskammersystem strömende Anteil des Gases in ein Kanalsystem oder eine Düsengruppe strömt, in der ständig ein höherer Druck als der Enddruck des Verdichters herrscht, von welchem aus der Teil der Turbinenschaufeln mit größerem Durchmesser beaufschlagt wird.
3. 3. Auslaßsteuerung nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausströmen aus jeder Brennkammer in mehreren Stufen in mehrere Kanalsysteme oder Düsengruppen erfolgt, in denen stufenweise jeweils höhere Drücke als der Enddruck des Verdichters herrschen.
4. 4. Auslaßsteuerung nach Anspruch i bis 3, da(lurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des au-strömenden Gases im Hinblick auf die veränderlichen Drücke in der Brennkammer so erfolgt, daß die Anströmwinkdl' an den äußeren und inneren Durchmessern der Turbinenschaufel annähernd gleich werden, so daß keine oder nur eine geringe Verwindung der Laufschaufel erforderlich wird.
5. 5. Auslaßsteuerung nach Anspruch i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die für verschiedene Druckbereiche vorgesehenen überströmkanäle in Umfangsrichtung -um den Verschiebungswinkel zwischen Vorauslaß und Hauptauslaß versetzt. angeordnet sind, so daß das Auslaßsteuerorgan festigkeitsmäßig günstig ausgebildet werden kann, z. B. keine 'in Umfangsrichtung überkragenden Steuerkanten dem äußeren Steuerungsring besitzt.
6. 6. Auslaßsteuerung nach Anspruch i und 5 bei Anwendung des Brennkammersystems auf Düsentriebwerke von Flugzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß der bei .höchsten Drücken ausströmende Anteil des Verbrennungsgases unter Umgehung der Gasturbine mittels Steue,-rung durch rotierende Steuerungselemente direkt der. Hauptschubdüse öder einer zusätzlichen Schubdüse zugeleitet wird.
7. 7. Auslaßsteuerung nach Anspruch i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausläßsteuerorgan zum Zwecke der Kühlung mit Luft hohl ausgeführt wird. B. Auslaßsteuerung nach Anspruch i bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz des Auslaßsteuerorgans gegen thermische Überbeanspruchung,das Kammersystem so ausgebildet wird, daß während des Verbrennungsvorganges in den dem Steuerorgan benachbarten Teilen der Brennkammern kältere Luft vorgelagert wird. g. Auslaßsteuerung nach Anspruch i bei Anwendung des Brennkammersystems auf Pulso-Triebwerke, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch die Steuerung abgespaltener Teilstrom eine Hilfsgasturbine oder ein aus der Steuerscheibe angebrachtes Hilfsschaufelgitter antreibt, die ihrerseits den Steuermdchanismus betätigt. io. Auslaßsteuerung nach Anspruch i und g, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsgasturbine außerdem einen ein- oder zweistufigen Vorverdichter antreibt, durch den die Spülung des Brennkamrnersystems .verbessert und eine geringe Auf ladung ermöglicht wird. Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 190 917, 555 56o, 557 856, 595 537, 596 025, 6o6 883, 644 633, 737 170; britische Patentschriften Nr. 61g 171, 656 930; USA.-Patentschrift Nr. 2 557 198.