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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Wirkungsweise der im Erfindungssinne ausgebildeten Brennkraftturbine
wird zunächst an Hand der Fig. i bis 6 erläutert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Umgekehrt können also die Verbrennungstemperaturen außerordentlich
erhöht werden. Das wiederum bedeutet eine weitere Möglichkeit der Erhöhung des thermischen
Gesamtwirkungsgrades.
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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung kann sowohl für ortsfeste wie auch für ortsbewegliche
Brennkraftturbinenanlagen mit gleichem Nutzen Anwendung finden.