DE3824121A1 - Gasturbine - Google Patents
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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.
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