DE3824121A1 - Gasturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Vergasungsbrenner zur Verwen­ dung in Gasturbinentriebwerken, insbesondere die verbesser­ te Kühlung von Turbinendüsen in solchen Triebwerken, und zwar besonders dann, wenn diese mit ringförmigen Verga­ sungsbrennern ausgestattet sind.

Die meisten der heute eingesetzten relativ kleinen Lenk­ waffen bzw. Geschosse werden von Feststoffraketen und nicht von z. B. Strahlturbinentriebwerken vorwärtsgetrieben. Die Wahl einer Feststoffrakete als Vortrieb wird im wesentli­ chen von zwei Faktoren bestimmt. Erstens kann in vielen Fällen ein Strahlturbinentriebwerk nicht ausreichend kostengünstig hergestellt werden, um mit einem Festtreib­ stoff-Raketenantrieb zu konkurrieren. Zweitens war es bisher bei kleinen Geschossen, also solchen mit relativ kleinem Durchmesser in der Größenordnung von ca. 15 cm, sehr schwierig, ein leistungsfähiges Strahltriebwerk her­ zustellen, das in die 15-cm-Ummantelung der Vortriebsein­ heit für eine solche Waffe paßt.

Durch die Verwendung von Feststoff-Raketenantrieben geht ein gewisses Maß an Beeinflussungsmöglichkeiten der Lenk­ waffenflugbahn gegenüber den Möglichkeiten verloren, die vorhanden sind, wenn die Lenkwaffe durch einen Gasturbinen­ antrieb vortreibbar ist, dessen Ausgangsleistung ohne wei­ teres änderbar ist. Selbst wenn im übrigen der Gasturbinen­ antrieb mit relativ geringem Wirkungsgrad arbeitet, wird durch den Einsatz eines solchen Antriebs die Reichweite der Lenkwaffe erheblich vergrößert.

Die Schwierigkeit bei der wirtschaftlich vertretbaren Her­ stellung von Gasturbinenantrieben mit kleinem Durchmesser liegt weniger in der Fertigung des Verdichter- und/oder Turbinenteils des Antriebs als in der sehr arbeitsintensi­ ven Herstellung des Vergasungsbrenners. Mit immer kleiner werdenden Vergasungsbrennern, die in eine gewünschte kleine Ummantelung, z. B. die 15-cm-Ummantelung einer relativ kleinen Lenkwaffe der vorgenannten Art passen sollen, ergeben sich ungleich größere Schwierigkeiten hinsichtlich der Erzielung einer effizienten Treibstoffvergasung. Ins­ besondere kann es geschehen, daß bei vermindertem Volumen eines Vergasungsbrenners nicht mehr ausreichend Volumen vorhanden ist, um zuerst eine vollständige Verdampfung des Treibstoffs, dann eine wirksame Verbrennung und sodann eine gleichmäßige Vermischung zu ermöglichen.

Aber selbst bei Überwindung der Schwierigkeiten in bezug auf die Bemessung des Vergasungsbrenners ergibt sich eine weitere Schwierigkeit, und zwar die Vermeidung des Nach­ teils, daß durch die in einem so kleinen Vergasungsbrenner unweigerlich sich ausbildenden "heißen Stellen" die Turbi­ nendüse nachteilig beeinflußt und ihre Standzeit so weit verkürzt wird, daß sie vorzeitig ausfällt. Bei Annahme einer typischen Turbineneintrittstemperatur von ca. 1037°C treten Temperaturen heißer Stellen von mindestens ca. 1148°C auf.

Wenn Gase mit der Temperatur der heißen Stellen die Schau­ feln der Turbinendüse kontaktieren, tritt eine Überhitzung ein, durch die die Standzeit der Düse verkürzt wird und die zu vorzeitigem Ausfall des Strahltriebwerks selbst führen kann. Es gibt daher eine Anzahl Vorschläge zur Kühlung von Turbinendüsenschaufeln, wobei im allgemeinen diese mit internen Kanälen ausgebildet werden, durch die Kühlluft, und zwar typischerweise Entnahmeluft aus dem Verdichter oder anderweitig einen Vergasungsbrenner umgehende Luft, zu Kühlzwecken strömen kann (vgl. z. B. US-PS′en 42 96 599 und 45 22 557).

Diese Vorschläge zur Kühlung der stationären Turbinendü­ senschaufeln sind zwar effektiv, jedoch keineswegs ökono­ misch, so daß sie für Turbotriebwerke, die kostengünstig hergestellt werden müssen, nicht geeignet sind.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines neuen und verbesserten Gasturbinentriebwerks, das kostengünstig herstellbar ist und/oder in eine außergewöhnlich kleine Ummantelung einsetzbar ist. Dabei soll das Gasturbinen­ triebwerk insbesondere spezielle Mittel für die Kühlung der Schaufeln in einer Turbinendüse aufweisen, um deren Stand­ zeit zu verlängern und es möglich zu machen, daß ein grö­ ßerer Teil des Vergasungsbrennervolumens zur Vergasungs­ verbrennung (im Gegensatz zum Vermischen von Verbrennungs­ gasen mit Verdünnungsluft) nutzbar ist, wodurch eine erhöh­ te Wärmebelastung erzielbar ist.

Die Gasturbine nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch ein Gehäuse mit einer Achse, die von einer radial inneren und einer radial äußeren Gehäusewand umgeben ist, durch ein ringförmiges Futter im Gehäuseinneren und zwischen den Gehäusewandungen, wobei das Futter eine innere und eine äußere Wand, die konzentrisch und ringförmig in Axialrich­ tung langgestreckt und jeweils von der inneren und der äußeren Gehäusewand beabstandet sind, und eine in Radial­ richtung verlaufende Endwand aufweist, die die innere und die äußere Wand an deren einen Enden miteinander verbindet, durch eine Vorrichtung zur Einleitung von zu verbrennendem Treibstoff in das Futter an mehreren in Umfangsrichtung beabstandeten Stellen, durch eine Turbinendüsenkonstruktion mit mehreren in Umfangsrichtung beabstandeten Düsenschau­ feln an den Enden der inneren und äußeren Futterwand und gegenüber der radial verlaufenden Endwand, und durch meh­ rere Lufteinlässe in der Futteraußenwand in enger Nachbar­ schaft zu der Düsenkonstruktion, wobei jeweils wenigstens ein Lufteinlaß für jede Schaufel vorgesehen und mit der zugehörigen Schaufel so ausgerichtet ist, daß Luft in das Futter und auf die zugehörige Schaufel zur Kühlung dersel­ ben gerichtet wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Futter aus Metallblech geformt, und die Lufteinlässe sind durch Stanzlöcher in der Futteraußenwand gebildet.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung weisen die Stanzlöcher nach innen gebogene Laschen auf, die auf die Düsenkonstruktion gerichtet sind und als Strömungsleitele­ mente wirken.

Die Erfindung sieht ferner vor, daß in einigen Fällen die Lufteinlässe und die zugehörigen Düsenschaufeln relativ zueinander winkelmäßig versetzt sind, so daß Wirbelluft­ ströme zwischen der Futteraußenwand und der Gehäuseaußen­ wand, die in die Einlässe einströmen, auf die Eintritts­ kanten der zugehörigen Düsenschaufeln auftreffen.

Bevorzugt ist die Anzahl der mehreren Lufteinlässe ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der mehreren Düsen­ schaufeln.

In weiterer bevorzugter Ausbildung der Erfindung ist das Gehäuse glockenförmig mit einer in Axialrichtung verlau­ fenden Hülse. Die Treibstoffeinleitungsvorrichtung kann einen kreisförmigen Treibstoffverteiler aufweisen, der winkelmäßig beabstandete Treibstoffabgabeöffnungen zwischen der Gehäuseaußenwand und der Futteraußenwand hat und in einer ersten Ebene liegt, die zur Achse der Maschine quer verläuft. Die Treibstoffabgabevorrichtung hat ferner meh­ rere offenendige langgestreckte Rohre in der Futteraußen­ wand, die an den Verteiler angrenzen. Die Rohre liegen in einer zur ersten Ebene parallelen zweiten Ebene und sind im wesentlichen tangential auf den Raum zwischen der Futter­ innen- und -außenwand gerichtet. Ein Ende jedes Rohrs liegt in dem Raum zwischen der inneren und der äußeren Futter­ wand, und das andere Rohrende liegt zwischen der Gehäuse­ außenwand und der Futteraußenwand, und es ist jeweils ein Rohr für jede Treibstoffabgabeöffnung vorgesehen. Ferner sind Mittel vorgesehen zur Ausbildung einer Strömungsver­ bindung zwischen jeder Treibstoffabgabeöffnung und dem Inneren ihres zugehörigen Rohrs.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Gasturbinentriebwerk, insbesondere ein Strahltriebwerk, mit einem ringförmigen Vergasungsbrenner nach der Er­ findung;

Fig. 2 einen Schnitt durch den Vergasungsbrenner;

Fig. 3 eine Endansicht einer im Vergasungsbrenner verwendeten Auskleidung bzw. eines Futters mit einem Teil eines Gehäuses für die Auskleidung und einem Teil einer Turbinendüsenkonstruk­ tion;

Fig. 4 eine vergrößerte Teildarstellung eines Teils eines Treibstoffverteilers und einer Düsen­ konstruktion zur Verwendung bei der Erfindung;

Fig. 5 eine vergrößerte Teildarstellung der Düse und des Treibstoffverteilers aus einer anderen Richtung;

Fig. 6 eine vergrößerte Teildarstellung eines Ver­ dünnungslufteinlasses zum Vergasungsbrenner; und

Fig. 7 einen Schnitt durch den Verdünnungslufteinlaß.

Ein Gasturbinenantrieb nach Fig. 1 weist einen Vergasungs­ brenner auf. Der Gasturbinenantrieb ist als Strahltriebwerk ausgebildet und leistet somit Arbeit durch die Erzeugung von Schubkraft. Für den Fachmann ist aber ohne weiteres ersichtlich, daß die Erfindung auch bei anderen Gasturbi­ nentriebwerken geeignet ist, und zwar auch solchen, deren Ausgangsleistung von einer Welle abgenommen wird.

In jedem Fall hat der Gasturbinenantrieb ein Lufteintritts­ gehäuse 10. Mehrere winkelmäßig beabstandete, nach radial innen gerichtete Streben 12 (nur eine gezeigt) tragen orts­ fest ein in geeigneter Weise aerodynamisch ausgelegtes Gehäuse 14 mittig in einer um den Umfang verlaufenden Ein­ laßöffnung 16 am Gehäuse 10. Das Gehäuse 14 enthält Lager 18, die eine Welle 20 drehbar haltern, die mit der Nabe 22 eines sogenannten Monorotors 24 gekoppelt ist.

Die Welle 20 kann im Inneren des Gehäuses 14 mit einer kon­ ventionell ausgelegten Treibstoffpumpe, die einen Einlaß 28 und eine Auslaßleitung 30 hat, verbunden sein.

Die Auslaßleitung 30 führt aufwärts an der Vorderkante der Strebe 12 vorbei, verläuft dann in Axialrichtung (siehe 32) und ist an einen Abschnitt 34 angeschlossen, der seiner­ seits zu einem Treibstoffverteiler 36 in einem Ringver­ gasungsbrenner 38 verläuft.

Der Monorotor 24 weist auf einer Seite mehrere Verdichter­ schaufeln 40 auf, die mit dem Einlaß 16 in Strömungsver­ bindung stehen und Druckluft radial durch einen konventio­ nellen Leitapparat 42 richten. Nach Durchströmen des Leit­ apparats wird die Druckluft in Axialrichtung in einen Ein­ laß des Vergasungsbrenners 38 geleitet, wie noch im einzel­ nen erläutert wird.

Auf der den Verdichterschaufeln 40 entgegengesetzten Seite der Nabe 22 weist der Monorotor 24 Radialturbinenschaufeln 44 auf. Heiße Verbrennungsgase aus dem Vergasungsbrenner 38 werden aus einer Düsenkonstruktion 46 gegen die Schaufeln 44 gerichtet und treiben den Monorotor so an, daß sowohl die für den Turbinenbetrieb benötigte Luft verdichtet als auch Leistung für die Treibstoffpumpe 26 und eventuelle weitere Zusatzsysteme bereitgestellt wird. Die heißen Ver­ brennungsgase verlassen dann die Maschine durch eine Strahldüse 48 und erzeugen dabei Schubkraft.

In den meisten Fällen sind zwischen dem Leitapparat 42 und dem Einlaß zum Vergasungsbrenner 38 sogenannte Entwirbe­ lungsschaufeln 50 vorgesehen, die bekanntlich die Funktion haben, die schraubenförmige Luftstromkomponente vom Leit­ apparat 42 zu verringern.

Für den Fachmann ist außerdem ersichtlich, daß bei vielen Gasturbinen die Geometrie der den Schaufeln 50 entsprechen­ den Entwirbelungsschaufeln sehr komplex sein kann, um die schraubenförmige Luftstromkomponente kleinzuhalten.

Im vorliegenden Fall können die Entwirbelungsschaufeln 50 aber relativ einfach und somit kostengünstig ausgebildet sein, weil im Gegensatz zu herkömmlichen Konstruktionen ein hohes Maß an Verwirbelung innerhalb des Vergasungsbrenners 38 nicht nur toleriert wird, sondern sogar vorteilhaft ist.

Wie bereits erwähnt, soll der Vergasungsbrenner 38 nicht nur kostengünstig herstellbar sein, sondern er soll sich auch in idealer Weise zum Einsatz in Umgebungen eignen, in denen eine kleine Ummantelung der Gasturbine vorgesehen ist, und soll alle denkbaren Treibstoffe verbrennen können. In diesem Zusammenhang ist in der nachstehenden Beschrei­ bung zu beachten, daß die Konstruktion sich bereits bewährt hat, wobei der Außendurchmesser des Antriebs einschließlich des Vergasungsbrenners 38 nur ca. 15,2 cm und die Höhe des Ringkörpers ca. 2,5 cm beträgt.

Wie am besten aus Fig. 2 hervorgeht, hat der Vergasungs­ brenner ein glockenförmiges Gehäuse 52 mit einer zylindri­ schen Wand 54, die in einem Rand 56 endet, der einen Ring 58 für Befestigungszwecke aufnimmt. Die zylindrische Fläche 54 geht in eine im wesentlichen nach radial innen gerich­ tete Fläche 60 über, die ihrerseits in eine kurze, durch­ messerkleine, in Axialrichtung verlaufende Zylinderfläche 62 übergeht, die einen Befestigungsring 64 für die Strahl­ düse 48 aufnimmt.

Eine im wesentlichen zylindrische Hülse 66 ist in den zy­ lindrischen Abschnitt 62 eingesetzt und daran befestigt. Die Hülse 66 verläuft im wesentlichen in Richtung auf den Befestigungsring 58, jedoch nicht vollständig bis zu die­ sem, und endet in einem geringfügig erweiterten Ende 68, das gemäß Fig. 1 in dem offenen Ende 70 eines mit der Düsenkonstruktion 48 verbundenen ringförmigen Gußteils 72 aufnehmbar ist.

Im Inneren des glockenförmigen Gehäuses 52 und im Abstand davon sowie von der Hülse 66 ist ein Futter 74 vorgesehen. Das Futter 74 besteht aus einer zylindrischen, in Radial­ richtung äußeren Wand 76, die mit einer im wesentlichen radial verlaufenden Wand 78 verbunden ist, die ihrerseits mit einer in Radialrichtung inneren Wand 80 verbunden ist. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, sind die Wände 76, 78 und 80 gesonderte Teile, die in geeigneter Weise zusammengesetzt sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind aus Gründen der Wirtschaftlichkeit der Konstruktion die Wände 76, 78 und 80 des Futters 74 wie auch das glockenförmige Gehäuse 52 und die Hülse 66 sämtlich durch ein Stanzver­ fahren o. dgl. aus Metallblech geformt.

Die Anordnung des Futters 74 in dem glockenförmigen Gehäuse 52 resultiert in einem in Axialrichtung verlängerten Ring­ raum 82, der angrenzend an den Befestigungsring 58 in einer ringförmigen Einlaßöffnung 84 für Druckluft endet. Dabei ist ein Ende 86 der radial äußeren Wand 76 des Futters 74 so ausgebildet, daß es an einem ortsfesten Gußteil 88 an­ liegt, das zwischen dem Leitapparat 42 und der Düse 46 angeordnet ist und diese dicht abschließt. Somit wird ver­ dichtete Luft aus dem Leitapparat 42 nach Vorbeiströmen an den Entwirbelungsschaufeln 50 in den Ringraum 82 zwischen dem Glockengehäuse 52 und der radial äußeren Wand 76 gelei­ tet.

Ein in Radialrichtung langgestreckter Ringraum 90, der mit dem Ringraum 82 in Fluidverbindung steht, ist zwischen der radialen Wand 78 des Futters 74 und der Fläche 60 des glockenförmigen Gehäuses 50 ausgebildet. Dieser Ringraum 90 geht seinerseits in einen sehr engen, in Axialrichtung langgestreckten inneren Ringraum 92 über, der durch einen Raum zwischen der Hülse 66 und der radial inneren Wand 80 des Futters 74 gebildet ist. Um die Konzentrizität zwischen der Hülse 66 und der Wand 80 im Bereich des Endes 68 auf­ rechtzuerhalten, trägt das Futter 74 mehrere Abstandshalter 94. Die Abstandshalter 94 liegen an dem erweiterten Ende 68 der Hülse 66 und dem erweiterten Ende der Wand 80 an und sind daran befestigt, so daß eine Relativbewegung zwischen den Bauteilen infolge von thermischen Kräften möglich ist.

An in Umfangsrichtung beabstandeten Stellen um die radial äußere Wand 76 des Futters und unmittelbar angrenzend an die radiale Wand 78 weist erstere mehrere Stanzlöcher 96 auf. In dem Ringraum 82 strömende Luft kann in die Löcher 96 eintreten und zur Kühlung als Film an der Innenseite der radialen Wand 78 entlangstreichen. Der Luftstrom ist durch Pfeile 98 bezeichnet. Selbstverständlich wird eine zusätz­ liche Kühlung der radialen Wand 78 durch in dem radialen Ringraum 90 strömende Luft erreicht.

Nahe dem radial inneren Rand der radialen Wand 78 ist diese mit einer Serie von Stanzlöchern 100 versehen, so daß Druckluft aus dem radialen Ringraum 90 in das Innere des Futters 74 einströmen und als Film an der Innenfläche der Innenwand 80 entsprechend den Pfeilen 102 entlangstreichen kann, was ebenfalls der Kühlung dient.

Die Luft, die in dem Ringraum 90 weiter an den Öffnungen 100 vorbeiströmt, tritt in den Ringraum 92 ein. Wegen der extrem geringen Weite des Ringraums 92 muß die Geschwin­ digkeit dieser Luft erhöht werden, damit sie diesen Raum durchströmen kann. Die erhöhte Geschwindigkeit bedeutet natürlich erhöhte Reynolds- und Nußelt-Zahlen, was die Wärmeübertragung an der radial inneren Wand 80 verbessert.

Die vorstehend beschriebene Konstruktion arbeitet in wirk­ samer Weise mit Konvektionskühlung, unterstützt durch eine gewisse Filmkühlung, so daß unerwünschte, die Lebensdauer verkürzende thermische Gradienten vermieden werden. Gleich­ zeitig ermöglicht die Konstruktion die Unterhaltung einer relativ hohen Futtertemperatur, was zusammen mit der Kühl­ luft zur Minimierung der Kohlenstoffablagerung daran bei­ trägt.

Wie für den Fachmann ersichtlich ist, sind die zur Erzie­ lung dieses Kühleffekts eingesetzten Mittel kostengünstig. Die geringen Kosten der Konstruktion für eine solche Küh­ lung werden durch die spezielle aerothermodynamische Aus­ legung des Vergasungsbrenners unterstützt, der nachstehend noch im einzelnen erläutert wird. Bei Versuchen mit dem Vergasungsbrenner erfolgte die Verbrennung mit blauer Flamme mit der resultierenden geringen Strahlungswärme- Einwirkung auf die Wände des Futters 74, wodurch die oben beschriebene Kühlung praktikabel wird.

Nach Kühlung der radial inneren Wand 80 tritt die Luft aus einer ringförmigen Öffnung 104 aus und vermischt sich gründlich und wirksam mit Verbrennungsgas im Inneren des Vergasungsbrenners 74 und wirkt dabei als Verdünnungsluft.

An einer Stelle erstreckt sich ein in Axialrichtung ver­ laufendes Rohr 106 durch das Gehäuse 52 und die radiale Wand 70 zum Inneren des Futters 74. Das Rohr 106 kann irgendeine geeignete Zündvorrichtung oder pyrotechnische Vorrichtung zum Auslösen der Verbrennung im Futter 74 auf­ weisen.

Nach den Fig. 2 und 3 verläuft ein kreisrunder Treibstoff­ verteiler 108 um den Rand der Außenwand 76 des Futters 74. Der Verteiler 108 ist durch eine Reihe von Halterungen 110 in einer zur Achse des Vergasungsbrenners 38 quer verlau­ fenden Ebene gehalten.

An mehreren winkelmäßig beabstandeten Stellen verlaufen offenendige Rohre 112, die als Düsenöffnungen dienen, durch die Außenwand 76 des Futters 74. Bei der gezeigten Ausfüh­ rungsform werden elf Rohre 112 verwendet. Für den Fachmann ist ersichtlich, daß weniger oder mehr Rohre verwendet werden können.

Jedes Rohr hat eine Mündung 114 in den Ringraum 82, die sich zu dem anströmenden Luftstrom hin öffnet. Das heißt, daß die Mündungen 114 der Rohre 112 so gerichtet sind, daß der Wirbelluftstrom im Inneren des Ringraums 82 in die Rohre 112 eintreten kann, ohne seine Richtung merklich zu ändern. Die Mündungen 114 können dabei erweitert sein (nicht gezeigt), um Druckverluste an dieser Stelle zu ver­ mindern.

Die entgegengesetzten Mündungen 116 der Rohre 112 liegen im Inneren des Futters 74, und aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Achsen der Rohre 112 im wesentlichen tangential zu dem Raum zwischen der inneren und der äußeren Wand 76 und 80 des Futters 74 verlaufen. Ferner ist aus Fig. 2 ersicht­ lich, daß die Achse jedes Rohrs 112 in einer zur Achse des Vergasungsbrenners 38 quer verlaufenden Ebene und unmittel­ bar benachbart der vom Treibstoffverteiler 108 eingenom­ menen Ebene liegt.

Nach den Fig. 4 und 5 weist jedes Rohr 112 eine kreisrunde Öffnung 120 in seiner Seitenwand nahe der Mündung 114 auf. Die Öffnung 120 ist mit einer entsprechenden kleinen Öff­ nung 122 im Treibstoffverteiler 108 ausgerichtet. Bevorzugt sind die Öffnungen 122 durch irgendein Bohrverfahren so gebildet, daß ihre Abmessungen ohne weiteres entsprechend dem gewünschten Treibstoffstrom einstellbar sind und jede Öffnung 122 in bezug auf die übrigen Öffnungen 122 relativ gleichförmig ist. Gleichzeitig wurde allerdings festge­ stellt, daß diese Art Einspritzvorrichtung erheblich tole­ ranter als konventionelle Einspritzvorrichtungen gegenüber nicht sauber gebohrten Löchern ist.

Durch die beschriebene Konstruktion wird Treibstoff aus dem Verteiler 108 aus den Öffnungen 122 und 120 in das Innere jedes Rohrs 112 eingespritzt. Die Rohre 112 durchströmende und in das Futter 74 tangential einströmende verdichtete Luft bewirkt eine sehr schnelle Verdampfung des Treibstoffs mit anschließender Verbrennung im Inneren des Futters 74. Da die Strömungsbahn des Treibstoffs und der Verbrennungs­ luft im Inneren des Futters 74 eine relativ hohe tangen­ tiale Komponente hat, verbleiben der Treibstoff und die Luft ausreichend lang im Futter 74, um sowohl eine effi­ ziente Vergasung als auch eine vollständige Verbrennung zu ermöglichen, und zwar ungeachtet der Tatsache, daß der Außendurchmesser des Futters kleiner als ca. 15 cm ist und der Ringkörper eine Höhe von nur ca. 2,5 cm hat.

Es ist zu beachten, daß der Treibstoffverteiler 108 er­ wünschtenfalls auf jeder Seite der Rohre 112 angeordnet sein kann. Bevorzugt ist der Verteiler 108 aber auf der Abstromseite der Rohre 112 angeordnet, da das im Ringraum 82 an dieser Stelle strömende Luftvolumen geringer ist, weil ein beträchtlicher Teil der in den Einlaß 84 einströ­ menden Luft aus dem Ringraum 82 in die Rohre 112 selbst umgelenkt wird. An der Abstromposition ergibt sich also eine geringere Beeinträchtigung des Luftstroms um das Fut­ ter 74 durch den Verteiler 108.

Da ein relativ hoher Verwirbelungsgrad im Ringraum 82 erwünscht ist, kann die Treibstoffleitung 34 im übrigen eine teilweise schraubenförmige Ausbildung haben, um eine Beeinträchtigung der verwirbelten Luft bei Austritt aus den Entwirbelungsschaufeln 50 zu minimieren.

Die radial äußere Wand 76 des Futters 74 weist ferner eine in Umfangsrichtung angeordnete Serie von nach innen gebo­ genen Laschen 130 auf. Die Laschen 130 liegen zwischen den Rohren 112 und dem Ende 86 und haben die Funktion, Verdün­ nungsluft aus dem Ringraum 82 zum Inneren des Futters 74 einzulassen. Wie am besten aus Fig. 6 hervorgeht, ist jede Lasche 130 durch Ausstanzen eines U-förmigen Schlitzes 132 an der gewünschten Stelle in der äußeren Wand 76 und an­ schließendes Biegen der Lasche nach innen unter Bildung einer Öffnung 134 (Fig. 7) gebildet. Gemäß Fig. 2 ist das radial innerste Ende jeder Lasche 130 zum Ende 86 der Fut­ terwand 76 hin gerichtet, so daß die Laschen 130 als Strö­ mungsleitelemente wirken.

Fig. 3 zeigt die Winkelbeziehung jeder Lasche 130 in bezug auf einzelne Schaufeln 136, die Teil der Turbinendüsenkon­ struktion 46 bilden. Die einzelnen Düsenschaufeln 136 kön­ nen konventionelle Querschnittsform aufweisen und haben eine Eintrittskante 138 und eine Hinterkante 140. Wie Fig. 1 zeigt, öffnet sich die Eintrittskante 138 relativ nahe an den Laschen 130 in den Vergasungsbrenner 38. Die Hinter­ kanten 140 öffnen sich zu den Turbinenradschaufeln 44.

Wie bereits erwähnt, wird die Verwirbelung von verdichteter Luft im Ringraum 82 nicht unterdrückt, sondern wird bei dem Ausführungsbeispiel sogar gefördert. Bei einer gebauten Ausführungsform der Erfindung entsprechend den beigefügten Zeichnungen verläuft die Luftströmungsrichtung ca. 40° von einer zur Turbinenachse parallelen Linie und verläuft gemäß Fig. 3 im Gegenuhrzeigersinn. Gemäß der Erfindung ist für jede Lasche 130 und damit die Öffnung 134 eine Turbinen­ düsenschaufel 136 vorgesehen. In einigen Fällen kann es auch erwünscht sein, zwei, drei oder mehr Laschen 130 und Öffnungen 134 für jede Düsenschaufel 135 vorzusehen. In jedem Fall ist die Anzahl der Laschen 130 und Öffnungen 134 immer ein ganzzahliges Vielfaches einer oder mehrerer der Turbinendüsenschaufeln 136.

Unter Annahme des vorgenannten spezifischen Verwirbelungs­ winkels liegt die Eintrittskante 138 jeder Schaufel 136 mittig zwischen den Mittelpunkten von zwei benachbarten Laschen 130.

Dies führt wiederum dazu, daß die anströmende Luft, die in das Innere des Futters 74 aus dem Ringkörper 82 durch jede der Öffnungen 134 im wesentlichen in Pfeilrichtung 142 strömt, auf die Eintrittskante 138 einer entsprechenden Turbinendüsenschaufel 136 auftrifft. Dieser Luftstrom ist natürlich relativ kühl, da er mit den im Vergasungsbrenner 38 erzeugten Verbrennungsgasen kaum vermischt ist. Dieses schwache Vermischen resultiert aus der Nähe der Öffnungen 134 zu der Düse 46.

Durch diese Auslegung ist jede Turbinendüsenschaufel 136 an einer "kalten Stelle" angeordnet, die relativ kühler als die durchschnittliche Temperatur der zur Düse 46 strömenden Gase und einige hundert Grad kühler als die Höchsttempera­ tur solcher Gase ist. Gleichzeitig wird das relativ heißere Gas in eine Reihe von Gasströmen aufgeteilt, deren Anzahl der Anzahl Öffnungen 134 entspricht, und jeder Gasstrom strömt aus dem Inneren des Vergasungsbrenners zwischen ein entsprechendes Paar der Turbinendüsenschaufeln 136, wie die Pfeile 144 zeigen. Damit strömen die relativ heißen Stellen im Gesamtgasstrom durch die Leerräume 146 zwischen benach­ barten Turbinendüsenschaufeln 136. Infolgedessen ist die Temperatur, der die Turbinendüsenschaufeln 136 während des Betriebs ausgesetzt sind, eine relativ niedrige Temperatur, wodurch sich eine längere Standzeit der Turbinendüsenkon­ struktion 46 ergibt.

Es ist bei der Betrachtung dieses Aspekts der Erfindung daran zu erinnern, daß anstelle der Laschen 130 andere Mittel vorgesehen sein können, um verdichtete Luft aus dem Ringraum in das Innere des Vergasungsbrenners 38 unmittel­ bar aufstrom von den Turbinendüsenschaufeln 136 einzulas­ sen. Ferner ist für den hier verwendeten speziellen Ver­ wirbelungsgrad die Beziehung zwischen den Laschen 130 und den Turbinendüsenschaufeln 136, wie in Fig. 3 gezeigt und vorstehend beschrieben, optimiert. Wenn geringere Verwir­ belungsgrade angewandt werden, wird die Versetzung zwischen den Turbinendüsenschaufeln 136 und den entsprechenden Laschen 130 zunehmend geringer bis zu dem Punkt, an dem, wenn im Ringraum 82 keine Verwirbelung auftritt, Luftein­ trittsöffnungen in Form der Laschen 130 oder in anderer Form mehr oder weniger auf der gleichen Radiallinie wie die Eintrittskante 138 einer Turbinendüsenschaufel 136 liegen.

Aus der vorstehenden Erläuterung ist ersichtlich, daß ein Vergasungsbrenner nach der Erfindung mehrere spezielle Merkmale aufweist bzw. eine Anzahl Vorteile bietet. Die Anwendung einer starken Eintrittsluftverwirbelung ermög­ licht die Verwendung minimaler Entwirbelungsschaufeln 50, wodurch die Kosten minimiert werden. Ferner unterstützt die starke Verwirbelung die umfangsmäßige Vermischung von Treibstoff und Verbrennungsluft im Inneren des Futters 74, während die hohe Geschwindigkeit des Wirbelstroms die kostengünstige Konvektionskühlung der Wandung des Futters erlaubt, ohne daß teure Kühlstreifen vorgesehen werden müssen.

Die Zugabe von Verdünnungsluft wird in einfacher und billi­ ger Weise durch die Verwendung von kostengünstig gestanzten Verdünnungsluftöffnungen erreicht.

Die Treibstoffeinspritzung erfolgt durch kostengünstige tangential orientierte Rohre, die als Zerstäubungsluftdüsen wirken. Dosierungsöffnungen für Treibstoff werden durch kostengünstiges Bohren zuverlässig und gleichförmig herge­ stellt.

Die Verwendung von Stanzlöchern an strategisch wichtigen Stellen im Futter ergibt eine Filmkühlung der Futterwan­ dung, und die Verwendung der Abstandselemente 94 erlaubt eine thermische Ausdehnung sowohl in Radial- als auch in Axialrichtung ohne Spannungskomponenten.

Die beschriebenen Luftstromverläufe ermöglichen außerdem einen äußerst kleinen Gesamtdurchmesser und eine äußerst geringe Ringkörperhöhe des Ringvergasungsbrenners. In dieser Beziehung wurde gefunden, daß ein gemäß der Erfin­ dung hergestellter Ringvergasungsbrenner bei Antriebsver­ suchen eine Steigerung des Heizwerts um mehr als 30% gegenüber bekannten Ringvergasungsbrennern erreicht (ca. 15 800 × 10⁴ kcal/m³ hat [1776 × 10⁴ BTU(ft³ hr.atm)].

Die in der angegebenen Konstruktion erzielbare hochwirksame Verbrennung sorgt für ein erwünschtes rauchloses Abgas, während gleichzeitig der Vergasungsbrenner so wirtschaft­ lich gefertigt werden kann, daß er als Wegwerfprodukt behandelt werden kann. D.h., der Vergasungsbrenner kann kostengünstig nur einmal eingesetzt werden, z. B. in einem Gasturbinenantrieb, der ein Geschoß vorwärtstreibt.

Durch die Erfindung wird also ein Ringvergasungsbrenner angegeben, der einerseits billig ist und sich andererseits in idealer Weise zum Einsatz in einer Umgebung eignet, in der eine kleine Ummantelung verlangt wird. Infolgedessen eignet er sich in idealer Weise als Teil eines Gasturbinen­ antriebs für den Vortrieb relativ kleiner Geschosse, und er kann vorteilhaft auch in anderen Umgebungen eingesetzt werden.

Durch die spezielle Orientierung der Verdünnungsluft-Ein­ laßöffnungen in Form der Laschen 130 und Öffnungen 134 in bezug auf die Turbinendüsenschaufeln 136 ist außerdem sichergestellt, daß relativ kühle Stellen im Gesamtluft­ strom durch die Leerräume 146 zwischen den Schaufeln 136 geleitet werden. Infolgedessen wird die Standzeit der Düsenschaufeln 136, die die kritische Standzeitverkürzungs­ komponente der Düse 46 darstellen, erheblich verlängert, und es wird eine zuverlässigere Turbine erhalten. Ferner werden mit der angegebenen Konstruktion relativ höhere Vergasungsbrenner-Druckabfälle ohne erheblichen Leistungs­ verlust angewandt. In dieser Beziehung wird angenommen, daß die Energie der Hochgeschwindigkeits-Luftströme entspre­ chend den Pfeilen 142, die direkt auf den Eintritt zur Turbinendüse 46 gerichtet sind, verfügbar und zur Leistung von Nutzarbeit beim Auftreffen auf die Turbinenradschaufeln 44 nutzbar ist und nicht durch Wirbelvermischung im Inneren des Vergasungsbrenners 38 verlorengeht.

Die Konstruktion bietet noch einen weiteren Vorteil. Bei einer gebauten Ausführungsform entsprechend den vorliegen­ den Zeichnungen ist etwa die Hälfte der durch den Verga­ sungsbrenner 38 strömenden Luft Verdünnungsluft, die durch die Laschen 130 eintritt. Wegen der Nähe der Laschen 130 zur Eintrittsseite der Turbinendüsenkonstruktion 46 und der hohen Geschwindigkeit der Luft, die durch die von den Laschen 130 definierten Öffnungen 134 strömt, werden Ver­ brennungsprodukte mitgerissen, wodurch der Wechsel von im wesentlichen axialer Strömung zu radialer Strömung erleich­ tert und der Turbinen-Wirkungsgrad erhöht wird. Dies macht es wiederum möglich, den Ringkörper, der den Eintritt zur Turbinendüsenkonstruktion 46 definiert, relativ klein zu machen, so daß eine Minimierung des Gesamtdurchmessers des Antriebs ermöglicht wird.

Ferner kann die oben genannte hohe Wärmebelastung wegen der speziellen Orientierung der Verdünnungslufteinlässe in Form der Öffnungen 134 relativ zu den Turbinendüsenschaufeln 136 erreicht werden. Da diese Auslegung es ermöglicht, die Schaufeln 136 bei niedrigerer Temperatur zu betreiben, kann insbesondere ein größerer Teil des Volumens des Vergasungs­ brenners 38 für die Vergasungsverbrennung zur Verfügung gestellt werden, und ein kleinerer Volumenanteil ist für das Vermischen mit Verdünnungsluft verfügbar, die zur Ver­ ringerung der durchschnittlichen Gastemperatur notwendig ist, so daß die Turbinendüsenkonstruktion eine relativ lange Nutzzeit hat.

Claims (13)

1. Gasturbine, gekennzeichnet durch

• - ein eine Achse definierendes glockenförmiges Gehäuse (52);
• - ein ringförmiges Futter (74) mit einer inneren und einer äußeren Ringwand (80, 76) im Gehäuseinneren und im Ab­ stand davon zur Bildung eines radial äußeren Druckluft­ einlasses (84) zwischen dem Gehäuse (52) und dem Futter (74), mit einem in Axialrichtung langgestreckten Druck­ luftringraum (82) zwischen dem Gehäuse (52) und der äuße­ ren Wand (76) und mit einem in Radialrichtung verlaufen­ den Druckluftringraum (90), der mit dem in Axialrichtung langgestreckten Ringraum (82) gegenüber dem Einlaß (84) in Fluidverbindung steht, wobei das Futter (74) außerdem einen im wesentlichen in Axialrichtung weisenden ring­ förmigen Auslaß (104) zwischen den Wänden und unmittelbar radial innerhalb des Einlasses (84) hat;
• - eine ringförmige Turbinendüse (46) am Auslaß mit mehreren Gasleitschaufeln (136), die durch Gasdurchlässe definie­ rende Leerräume (146) voneinander getrennt sind;
• - mehrere Lufteinlässe (130, 134), die in der äußeren Wand (76) eng benachbart dem Auslaß (104) gebildet sind und eine Strömungsverbindung zwischen dem in Axialrichtung langgestreckten Druckluftringraum (82) und dem Auslaß (104) herstellen, wobei die Anzahl der mehreren Luftein­ lässe (130, 134) ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der mehreren Schaufeln (136) ist und wobei die Luftein­ lässe (130, 134) ferner in bezug auf die einzelnen Schau­ feln (136) winkelmäßig so positioniert sind, daß durch die zugehörigen Einlässe einströmende Kühlluftströme über die jeweiligen Schaufeln strömen und diese kühlen; und
• - eine Mehrzahl Mittel zur Vergasungsverbrennung von Treib­ stoff zwischen den Wänden, wobei die Verbrennungsgase in die Turbinendüse (46) im wesentlichen an den Leerräumen (146) zwischen Kühlluftströmen für benachbarte Schaufeln (136) eintreten.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Futter (74) eine im wesentlichen radiale Wand (78) aufweist, die die innere (80) und die äußere (76) Wand gegenüber dem ringförmigen Auslaß miteinander verbindet.

3. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere (76) und die radiale (78) Wand aus gestanz­ tem Metallblech bestehen und daß die Lufteinlässe durch gestanzte Laschen (130) gebildet sind.

4. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (52) eine zentrale Hülse (66) innerhalb der Innenwand aufweist, die einen weiteren in Axialrichtung langgestreckten Ringraum bildet, der mit dem radialen Ring­ raum in Fluidverbindung steht und sich unmittelbar inner­ halb des ringförmigen Auslasses öffnet, so daß die Innen­ wand gekühlt wird und zusätzliche Kühlluft an dem ring­ förmigen Auslaß einleitbar ist.

5. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Wand (76) aus Metallblech besteht und die Lufteinlässe durch eine in Umfangsrichtung verlaufende Serie von nach innen gebogenen Laschen (130) gebildet sind, die zu dem Auslaß gerichtet sind, so daß die Kühlluftströme in das Futter (74) nahe dem Auslaß eintreten.

6. Gasturbine, gekennzeichnet durch

• - ein Gehäuse (52) mit einer Achse, die von einer radial inneren und einer radial äußeren Gehäusewand umgeben ist;
• - ein ringförmiges Futter (74) im Gehäuseinneren und zwi­ schen den Gehäusewandungen, wobei das Futter eine innere und eine äußere Wand, die konzentrisch und ringförmig in Axialrichtung langgestreckt und jeweils von der inneren und der äußeren Gehäusewand beabstandet sind, und eine in Radialrichtung verlaufende Endwand (78) aufweist, die die innere und die äußere Wand an deren einen Enden mitein­ ander verbindet;
• - eine Vorrichtung (108) zur Einleitung von zu verbrennen­ dem Treibstoff in das Futter (74) an mehreren in Umfangs­ richtung beabstandeten Stellen;
• - eine Turbinendüsenkonstruktion (46) mit mehreren in Umfangsrichtung beabstandeten Düsenschaufeln (136) an den Enden der inneren und äußeren Futterwand und gegenüber der radial verlaufenden Endwand; und
• - mehrere Lufteinlässe (130, 134) in der Futteraußenwand in enger Nachbarschaft zu der Düsenkonstruktion (46), wobei jeweils wenigstens ein Lufteinlaß für jede Schaufel (136) vorgesehen und mit der zugehörigen Schaufel so ausgerich­ tet ist, daß Luft in das Futter (74) und auf die zuge­ hörige Schaufel zur Kühlung derselben gerichtet wird.

7. Gasturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Futter (74) aus Metallblech geformt ist und daß die Lufteinlässe Stanzlöcher (134) in der Futteraußenwand sind.

8. Gasturbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stanzlöcher nach innen gebogene Laschen (130) auf­ weisen, die auf die Düsenkonstruktion (46) gerichtet sind.

9. Gasturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lufteinlässe Strömungsleitglieder haben, die zu der Düsenkonstruktion (46) verlaufen.

10. Gasturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lufteinlässe (130, 134) und die zugehörigen Düsen­ schaufeln (136) relativ zueinander winkelversetzt sind, so daß Wirbelluftströme zwischen der äußeren Futterwand und der Gehäuseaußenwand, die in die Einlässe eintreten, auf die Eintrittskanten (138) der zugehörigen Düsenschaufeln (136) auftreffen.

11. Gasturbine, gekennzeichnet durch

• - ein glockenförmiges Gehäuse (52) mit einer Achse,;
• - eine in Axialrichtung verlaufende Hülse (66) im Gehäuse­ inneren;
• - ein im Gehäuse angeordnetes und die Hülse (66) umgebendes ringförmiges Futter (74), das eine innere (80) und eine äußere (76) Ringwand, die konzentrisch und in Axialrich­ tung langgestreckt und jeweils von der Hülse (66) und dem Gehäuse (52) beabstandet sind, ferner eine in Radialrich­ tung verlaufende Endwand (78), die die innere und die äußere Wand an einem Ende derselben miteinander verbin­ det, und einen Auslaß am anderen Ende der inneren und der äußeren Wand und gegenüber der Endwand (78) aufweist;
• - einen kreisförmigen Treibstoffverteiler (108) mit winkel­ beabstandeten Treibstoffabgabeöffnungen, der zwischen dem Gehäuse (52) und der äußeren Wand (76) angeordnet ist und in einer ersten Ebene quer zu der genannten Achse liegt;
• - mehrere offenendige langgestreckte Rohre (112) in der äußeren Wand (76) und angrenzend an den Treibstoffver­ teiler (108), wobei die Rohre in einer zu der ersten Ebene parallelen zweiten Ebene liegen und im wesentlichen tangential zu dem Raum zwischen der inneren (80) und der äußeren (76) Wand gerichtet sind und ein Ende jedes Rohrs in diesem Raum und das andere Ende jedes Rohrs zwischen dem Gehäuse und der äußeren Wand liegt, und wobei jeweils eine Rohr (112) für jede Treibstoffabgabeöffnung vorge­ sehen ist;
• - Mittel (120) zur Herstellung einer Fluidverbindung zwi­ schen jeder Treibstoffabgabeöffnung und dem Inneren des jeweils zugehörigen Rohrs (112);
• - eine ringförmige Turbinendüsenkonstruktion (46), die die Achse umgebend und in Fluidverbindung mit dem Auslaß angeordnet ist und mehrere Turbinendüsenschaufeln (136) aufweist,;
• - ein Turbinenrad, das um die Achse drehbar gelagert ist und Schaufeln hat, die mit der Turbinendüsenkonstruktion (46) ausgerichtet sind;
• - mehrere Gaseinlaßöffnungen (130) in der äußeren Wand unmittelbar angrenzend an den Auslaß, wobei jede Einlaß­ öffnung ein Strömungsleitelement (134) hat, das sich zum Auslaß erstreckt und so angeordnet ist, daß es Luft aus dem Raum zwischen dem Gehäuse (52) und der äußeren Wand (76) zu einer zugehörigen Turbinendüsenschaufel (136) an deren Eintrittskante (138) richtet, um die Schaufel zu kühlen, während gleichzeitig durch die Treibstoffverbren­ nung in dem Raum erzeugte heiße Verbrennungsgase zwischen den Schaufeln (136) der Turbinendüsenkonstruktion (46) strömen können.

12. Gasturbine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige Lufteinlässe und Strömungsleitele­ mente durch Laschen (130) in der äußeren Wand gebildet und nach radial innen und zum Auslaß gerichtet sind.

13. Gasturbine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Laschen (130) aus gebogenem Metallblech geformt sind.