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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.
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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.
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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.
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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.
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. Die Anordnung von radial getrennten Düsengruppen ist an sich bekannt
und auf diese allein wird in der vorliegenden Anmeldung kein Schutz begehrt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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..
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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.
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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.