DE955377C - Mit fluessigen, gasfoermigen oder staubfoermigen Treibmitteln oder Kontaktstoffen arbeitende Brennkraftturbine - Google Patents

Mit fluessigen, gasfoermigen oder staubfoermigen Treibmitteln oder Kontaktstoffen arbeitende Brennkraftturbine

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DE955377C
DE955377C DEL11262A DEL0011262A DE955377C DE 955377 C DE955377 C DE 955377C DE L11262 A DEL11262 A DE L11262A DE L0011262 A DEL0011262 A DE L0011262A DE 955377 C DE955377 C DE 955377C
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internal combustion
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fuel
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Werner Stoltz
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    • 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
    • F02C3/00Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/14Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid characterised by the arrangement of the combustion chamber in the plant
    • F02C3/16Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid characterised by the arrangement of the combustion chamber in the plant the combustion chambers being formed at least partly in the turbine rotor or in an other rotating part of the plant
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/38Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply comprising rotary fuel injection means

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

  • Mit flüssigen, gasförmigen oder staubförmigen Treibmitteln oder Kontaktstoffen arbeitende Brennkraftturbine Es sind gegenläufigeBrennkraftturbinenbekannt, bei denen dem Laufrad ein sich um seine Achse drehendes Düsenrad vorgeschaltet ist, welches aus zirka 3 umlaufendeh Brennkammern besteht. In die Brennkammern tritt die Verbrennungsluft ein und wird durch die Umfangsgeschwindigkeit und durch die Form des Einströmkanals auf den Verbrennungsdruck komprimiert. Die Verbrennung erfolgt innerhalb der Brennkammer. Die ausströmenden Gase beaufschlagen die Laufschaufeln und erzeugen einen Rückstoß auf die Brennkammer, so daß sich das vorgeschaltete Düsenrad im entgegengesetzten Sinne dreht. Der Wirkungsgrad derartiger Einheiten ist naturgemäß gering, da das Laufrad nicht voll beaufschlagt wird. Die Durchsatzmenge, damit die Leistung und die Rückstoßwirkung der Brenngase, die erst bei Mach = i einen fühlbaren Vorschub erzeugt, ist gering.
  • Andererseits sind Brenngasturbinen mit festen Leit- oder Düsenrädern und mit in den Leiträdern bzw. am Leitschaufelende erfolgender Verbrennung bekannt, bei denen die Laufräder voll beaufschlagt werden. Als Nachteil ist hierbei zu nennen, daß ein zusätzlicher vorgeschalteter Verdichter notwendig wird zur Erzeugung des Verbrennungsdruckes und daß die Wärmebeanspruchungen der Laufschaufeln Größenordnungen annehmen, die ein zusätzliches Kühlen, wenigstens der Laufschaufeln, unabwendbar machen. Doch auch bei solchen Antriebsrädern für Brenngasturbinen, die mit einer Rückstoßwirkung arbeiten, bei denen also die Verbrennung zwischen oder am Ende der Laufschaufeln stattfindet, ist der Wirkungsgrad gering und nur in der reinen Rückstoßwirkung zu suchen.
  • Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, den Nachteil des geringen Wirkungsgrades von rückstoßgetriebenen Turbinenschaufeln bzw. -rädern zu beseitigen und trotzdem den Vorteil der geringen Temperaturbeanspruchung und der hohen Schubwirkung beizubehalten.
  • Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß mindestens zwei benachbarte Laufschaufeln so geformt und zueinander angeordnet sind, daß zwischen ihren dem Brennraum abgewandten Flächen ein Durchsatzmittel hindurchtreten kann, und daß im Brennraum 3 durch die Umfangsgeschwindigkeit ein Staudruck erzeugt wird, der größer ist als der statische Druck des zwischen den Brennräumen hindurchtretenden Durchsatzmittels. vor dessen Eintritt in das Laufrad.
  • Eine Brenngasturbine nach der Erfindung bildet somit gleichzeitig Brennkammern, Laufschaufeln und Verdichter in einer Einheit aus, so daß die Wärmebeanspruchungen zu beherrschen sind, eine gleichmäßige Temperaturverteilung herrscht und die Durchsatzmenge so groß ist, daß die Schubwirkung ausschlaggebend ins Gewicht fällt. -Mehrere Beispiele der Erfindung sind in den Fig. i Ibis 12 der Zeichnung veranschaulicht. Hierin bezeichnet i ein Laufrad und 2 zwei Laufschaufelp im Schnitt. Um den sich aus der Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades i ergebenden Stau weitmöglichst auszunutzen, sind die Laufschaufeln :2 entsprechend schräg gestellt und gegebenenfalls einzeln vorgezogen. Bei dieser Anordnung der Laufschaufeln 2 wird eine angestrebte spiralförmige Abströmung des Brennstrahls erreicht. Aus den für sich bekannten, zwischen den Laufschaufeln 2 liegenden und am Brennpunkt endenden Schaufeln 2a kann der Treibstoff wahlweise aus öffnungen am Profilende (Fig. i) oder aber auch an den Profilseiten (Fig. 2) austreten. Der Brennraum 3 liegt zwischen den benachbarten Laufschaufeln 2. Durch entsprechende Profilgebung der Laufschaufeln 2 ist am Treibstoffaustritt durch eine einen Strömungsstau hervorrufende Erweiterung ein Kompressionsgebiet geschaffen, wodurch bereits eine Zündung des Brennstoffes gewährleistet ist, noch bevor der Luftstau durch die Umfangsgeschwindigkeit den zur Zündung erforderlichen Kompressionsdruck erreicht. Die erwähnte Erweiterung geht nach dem Profilende der Laufschaufeln 2 in eine linsenartige Verengung über, so daß der Treibstoffstrahl auf das strömende Durchsatzmittel eine Injektorwirkung ausübt.
  • Nach Fig. 3 und 3 a sind. die Laufschaufeln :2 an ihrer dem Brennraum 3 abgekehrten Seite so. ausgebildet, daß sie für die zusätzliche Förderung des Durchsatzrnittels zwischen den- einzelnen Brennräumen 3 geeignet sind.
  • Gemäß Fig. q. sind Laufschaufeln 2 vorgesehen, die gleichzeitig als Treibstoffzufuhrschaufeln dienen. Bei dieser Ausführungsform sind an der Vorder- und Hinterseite der Laufschaufeln 2 Treibstoffaustritte vorgesehen. Hierbei können die Brennräume 3 neberteinanderliegen. Die Laufschaufeln-können zwei- oder mehrteilig ausgeführt sein (Fig. q. und 6).
  • Fig.5 zeigt eine Abwandlung der Ausführung nach Fig. q. insofern, als zwischen den Laufschaufeln 2 wiederum eine am Brennpunkt endende Schaufel 2, angeordnet ist. Dies ergibt den Vorteil, daß die Schaufeln 2 nicht der hohen Temperatur des Treibstrahls an den Berührungsstellen zwischen Treibstoff und Durchsatzmittel ausgesetzt werden.
  • In dem Schaufelkranz der B.rennkraftturbine können wahlweise zwischen den Laufschaufelsätzen normale Verdichterschaufeln 5 zur Ballastluft- und Kiihlluftförderung vorgesehen sein, wie Fig.6 zeigt. Hierbei können die Laufschaufeln 2 aus thermischen, Strömungs- oder Bearbeitungsgründen zwei- oder mehrteilig ausgeführt werden, was auch für sämtliche Schaufeltypen gilt.
  • Zst eine auf den Umfang des Laufrades i verteilte beschränkte Anzahl von Brennräumen 3 vorgesehen, .ohne daß'eine zusätzliche Förderung des Durchsatzmittels gewünscht ist, so können die Zwischenräume. zwischen den einzelnen Brennräumen 3 durch entsprechende Profilgebung der Laufschaufeln 2 gänzlich oder teilweise abgedeckt werden, wie in Fig. 7 dargestellt. _ Nach Fig. 8 und 9 werden die Laufschaufeln :2 aus in an sich bekannter Weise nach außen verlängerten Verdichterschaufeln 9 gebildet, wobei der Laufschaufelfeil vom Verdichterschaufelteil in an sich bekannter Weise durch Bandagen 8 getrennt ist.
  • Nach Fig. io sind die Laufschaufeln 2 oder ein Teil derselben nach außen verlängert, so daß die Verlängerungen als Verdichterschaufeln 9 dienen. Durch die beiden letztgenannten Anordnungen kann zusätzlich Luft verdichtet werden. Die Bandagen 8 dienen weiterhin der Schaufelkranzversteifung.
  • Zur Brennstoffzuführung ist die Turbinenwelle 6 nach Fig. i i in an sich bekannter Weise als Hohlwelle ausgebildet oder mit einer Brennstoffleitung bzw. entsprechenden.Bohrung versehen. Aus der Welle 6 tritt dann der Brennstoff in die zugehörigen Treibstoffzuführungsschaufeln 2a über.
  • Zur weiteren Vereinfachu.ig- der Bauweise kann die in den Schaufeln bzw. dem Turbinenrad auftretende Zentrifugalkraft in an sich bekannter Weise zur Brennstoffförderung benutzt werden.
  • Die Einführung des Brennstoffes in die Turbinenwelle 6 erfolgt zweckmäßig, wie Fig. 12 zeigt, von dem Widerlager 7 aus, das durch Manschetten oderLabyr'inthdichtungen nach außen abgedichtet ist.
  • Die Wirkungsweise der im Erfindungssinne ausgebildeten Brennkraftturbine wird zunächst an Hand der Fig. i bis 6 erläutert.
  • Der zur Herbeiführung guter Verbrennungsverhältnisse erforderliche Druck wird durch den Umlauf des Laufrades i und den dadurch entstandenen Luftstau am Schaufeleintritt und wahlweise durch entsprechendeFormgebung derLaufschaufeln innerhalb- des Brennraumes 3 erreicht, ohne daß hierbei eine zusätzliche Verdichtung unbedingt erforderlich wäre.
  • Um bei geringeren Geschwindigkeiten des Laufrades i zu Kompressionsdrücken zu kommen, die eine frühzeitige Zündung und einen besseren thermischen Wirkungsgrad der Verbrennung gewährleisten, sind bei allen in den Fig.- i bis 6 dargestellten Ouerschnitten der Schaufelprofile Erweiterungen durch entsprechende Schaufelprofilgebungen geschaffen. Herrscht z. B. am Schaufeleintritt ein solcher Staudruck, der zur Herbeiführung einer Verbrennung noch nicht ausreicht, so kann durch die erwähnte Schaufelformgebung der für die Verbrennung erforderliche Kompressionsdruck in dem Verbrennungsraum erreicht werden.
  • Wird von einer Erweiterung Abstand genommen, so muß die Umlaufgeschwindigkeit des Laufrades i zur Erreichung des Zünddruckes erhöht werden. Diese Anordnung schließt selbstverständlich die Verwendung von Kontaktstoffen oder an sich bekannten Zündeinrichtungen im Brennraum 3 nicht aus, um auch bei geringeren Umlaufgeschwindigkeiten im gewollten Zeitpunkt eine Verbrennung herbeiführen zu können, wobei eine Einbuße im thermischen Wirkungsgrad durch mangelnde Kompressionshöhe und Schlupf des Brennstrahles, mit in Kauf genommen werden muß. Dieser Betriebszustand gilt insbesondere für den Fall; daß die Turbine ohne besondere Anlaßvorrichtung in Gang gesetzt werden soll. Zur Erhöhung der Injektorwirkung des Treibstrahls kann hinter dem Brennraum 3 eine düsenartige Verengung vorgesehen werden, wie aus.den Fig. i bis -6 ersichtlich ist.
  • Sind die Laufschaufeln 2 zwei- oder mehrteilig ausgebildet, wie Fig. 6 zeigt, so können Schlitze 4 zwischen den Schaufelteilen vorgesehen sein, die den besonders temperaturgefährdeten Schaufelstellen zur Kühlung unverbrannte "Durchsatzmittel zuführen und gegebenenfalls Wirbelbildungen verhindern.
  • Die Umlaufgeschwindigkeit der Laufschaufeln 2 kann in die Nähe der Schallgeschwindigkeit und darüber hinaus getrieben werden. Es erhellt daraus, daß in dem durch die Laufschaufeln :2 gebildeten Hohlraum schon damit allein Kompressionsdrücke geschaffen werden können, die in Verbindung,mit einer Verbrennung eine Strömung schaffen, die in ihrem Wirkungsgrad den Brennkraftturbinen bisher bekannter Bauart mit einer Verbrennung vor den Antriebsrädern nicht nachsteht. Dabei hat diese Anordnung den großen Vorteil, daß sich mindestens die Ptofilnasen der Laufschaufeln 2 und gegebenenfalls die Treibstoffzufuhrschaufeln 2¢ in Gebieten niedriger Temperatur befinden. Bei zweckentsprechender Anordnung ist es sogar möglich, die bisher so große Schwierigkeiten machenden Temperaturen an den Laufschaufeln von Brennkraftturbinen derart zu unterschreiten, daß die bekannten Materialschwierigkeiten als überwunden gelten können.
  • Umgekehrt können also die Verbrennungstemperaturen außerordentlich erhöht werden. Das wiederum bedeutet eine weitere Möglichkeit der Erhöhung des thermischen Gesamtwirkungsgrades.
  • Ein Schlupf des Treibstrahls wird im Arbeitsbereich der Turbine bei Anwendung der Erfindung im Gegensatz zu Brennkraftturbinen bekannter Art dadurch außerordentlich herabgesetzt, daß die Geschwindigkeit des Durchsatzmittels der Brennstrahlgeschwindigkeit weitgehend angenähert werden kann, auch wenn die Axialgeschwindigkeit des Durchsatzmittels diese Geschwindigkeitswerte nicht erreicht.
  • Gemäß der Fig. 8, 9 und io sind Brennräume 3 mit Verdichterschaufeln in einem Bauelement vereinigt. Dadurch besteht die Möglichkeit, ein höheres Durchsatzvolumen zu erreichen.
  • Entsprechend den Fig.9 und io sollen Abgase und Durchsatzmittel räumlich getrennt geführt werden, so daß die Abgase abgeschlossen werden können und das Durchsatzmittel seiner gewünschten Verwendung zugeführt wird. Außerdem besteht bei dieser Anordnung die Möglichkeit, mit zwei getrennten Zuführungsräumen verschiedene Durchsatzmittel zu fördern, von denen das eine für den Verbrennungs- und Treibvorgang, das andere für andere Zwecke, z. B. Luftverdichtung, verwendet *erden kann.
  • Die Erfindung kann sowohl für ortsfeste wie auch für ortsbewegliche Brennkraftturbinenanlagen mit gleichem Nutzen Anwendung finden.

Claims (16)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Mit flüssigen, gasförmigen, staubförmigen Brenn- oder Kontaktstoffen arbeitende Brennkraftturbine mit hoher Verdichtung und mit durch- benachbarte Laufschaufeln gebildetem Brennraum bzw. Brennräumen, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufeln (2)- derart zueinander angeordnet und geformt sind; daß zwischen ihren dem Brennraum abgewandten Flächen ein Durchsatzmittel hindurchtreten kann, und daß im Brennraum (3) durch die Umfangsgeschwindigkeit ein Staudruck erzeugt wird, der größer ist als der statische Druck des zwischen den Brennräumen hindurchtretenden Durchsatzmittels vor dessen Eintritt in das Laufrad.
  2. 2. Brennkraftturbine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung des Staudrucks eine der Laufschaufeln (2) vor den Schaufelzwischenraum vorgezogen ist (Fig. i., 2, 3 und 6).
  3. 3. Brennkraftturbine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die zueinander gehörigen Laufschaufeln (2) so geformt sind, däß sie an der Brennstelle eine Erweiterung des Durchtrittskanals und somit einen Brennraum (3) bilden.
  4. 4. Brennkraftturbine nach Anspruch. i und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zueinander gehörigen Laufschaufeln (2) an dem Ende des von ihnen gebildeten Brennraumes (3) eine düsenartige Verengung bilden (Fig. i, 2, 3, 4 und 6).
  5. 5. Brennkraftturbine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Laufschaufeln (2) zur Einführung von Brenn-oder Kontaktstoffen in den Brennraum (3) mit Kanälen versehen sind (Fig. 4).
  6. 6. Brennkraftturbine nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den benachbarten Laufschaufeln (2) am Beginn des Brennraumes (3) in an sich bekannter Weise eine oder mehrere zusätzliche am Brennpunkt endende Schaufeln (2a) vorgesehen sind, die ebenfalls Kanäle für die Brenn- oder Kontaktstoffzuführung besitzen (Fig. i, 2, 3, 5, 6 und 7). .
  7. 7. Brennkraftturbine nach Anspruch i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Laufschaufeln (2) zwei- oder mehrteilig ausgebildet sind (Fig. 4 und 6). B.
  8. Brennkraftturbine nach Anspruch i und 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Schaufelteilen Schlitze (4) zur Heranführung von unverbranntem Durchsatzmittel an temperaturgefährdete Schaufelstellen vorgesehen sind (Fig. 6). g.
  9. Brennkraftturbine nach Anspruch i und 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, däß bei Verwendung mehrerer auf den Umfang des Turbinenrades (i) verteilter Brennräume (3) die Zwischenräume zwischen den einzelnen Brennräumen (3) zur Vermeidung unzulässig großer Förderung des Durchsatzmittels durch entsprechende Profilgebung der Laufschaufeln (2) gänzlich oder teilweise abgedeckt sind (Fig. 7). io.
  10. Brennkraftturbine nach Anspruch i bis g, dadurch gekennzeichnet, daß bei paarweise angeordneten Laufschaufeln (2) zwischen den Schaufelpaaren Verdichterschaufeln (5) angeordnet sind, die zur Vergrößerung der Ballastluft- und Kühlluftförderung dienen (Fig. 6). i r.
  11. Brennkraftturbine nach Anspruch i und 2 bis io, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufeln (2) in an sich bekannter Weise durch Bandagen (8) miteinander verbunden sind (Fig. 8, g, 1o und i i).
  12. 12. Brennkraftturbine nach Anspruch i bis i i, insbesondere zur Verdichtung gasförmiger Medien, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufeln -(2) in an sich bekannter Weise aus nach außen verlängerten Verdichterschaufeln (8) gebildet werden, wobei der Laufschaufelteil am Verdichterschaufelteil durch Bandagen (8) getrennt ist (Fig. 8 und g).
  13. 13. Brennkraftturbine nach Anspruch i bis. i i, insbesondere zur Verdichtung gasförmiger Medien, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufeln (2) oder ein Teil derselben in an sich bekannter Weise nach außen verlängert ist, wöbei die Verlängerungen als Verdichterschaufeln (g) dienen und Laufschaufelteil und Verdichterschaufelteil durch Bandagen (8) getrennt sind .(Fig. i o).
  14. 14. Brennkraftturbine nach Anspruch i bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenwelle (6) in an sich bekannter Weise zur Treibstoffzuführung zu den Laufschaufeln (2) hohl ausgebildet bzw. mit einer Bohrung oder Brennstoffzuführungsleitung versehen ist (Fig. g, i i und 12).
  15. 15. Brennkraftturbine nach Anspruch i bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einführung des Brennstoffes in die Turbinenwelle (6) von einem durch Manschetten oder Labyrinthdichtungen nach außen abgedichteten WiderIager (7) aus erfolgt (Fig. 12).
  16. 16. Brennkraftturbine nach. Anspruch i bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die auftretende Zentrifugalkraft in an sich bekannter Weise zur Brennstofförderung benützt wird. In Betracht gezogene Druckschriften Deutsche Patentschriften Nr. 819 758, 665 954 181 47; schweizerische Patentschrift Nr. 215 484; französische Patentschrift Nr. 958 i83.
DEL11262A 1952-01-06 1952-01-06 Mit fluessigen, gasfoermigen oder staubfoermigen Treibmitteln oder Kontaktstoffen arbeitende Brennkraftturbine Expired DE955377C (de)

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Cited By (1)

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US3144201A (en) * 1961-05-09 1964-08-11 Plannair Ltd Blowers and rotary compressors

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DE819758C (de) * 1943-01-15 1951-11-05 Armstrong Siddeley Motors Ltd Gegenlaeufige Verbundturbine

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