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Speiseeinrichtung für Gasturbinen Die Erfindung bezieht sich auf Speiseeinrichtungen
für Gasturbinen. Man hat bereits Speiseeinrichtungen für Gasturbinen vorgeschlagen,
die einen Rückverdichtungsbehälter enthalten, von welchem aus das verdichtete Gas
auf eine Turbine ,einwirkt und welcher mit Gas durch eine Verbrennungskammer gespeist
wird, in die aus einer Zerstäubungskammer stetig ein Luft-Brennstoff-Gemisch eingespritzt
wird; andere Luft tritt dabei durch einen Ringraum, der von einem die Verbrennungskammer
umgebenden Mantel umgrenzt wird, zu und wird am Austritt aus der Verbrennungskammer
sowie vor Eintritt dieser Gase in den Rückverdichtungsbehälter den Verbrennungsgasen
zugemischt. -Es konnte durch zahlreiche Versuche festgestellt werden, daß der Unterschied
der Geschwindigkeiten zwischen der zugemischten anderen Luft und dem aus der Austrittsdüse
der Verbrennungskammer austretenden Gas erheblich ist: Der Stoß dieser beiden Gasströme
aufeinander ist heftig und verursacht ,erhebliche Energieverluste. Die Erfindung
stellt es sich daher zur Aufgabe, den Geschwindigkeitsunterschied zwischen diesen
Gasströmen erheblich zu vermindern, so daß die Stoßwirkung, mit der diese Gasströme
aufeinandertreffen, herabgesetzt und dadurch auch die hierbei auftretende Umwandlung
von kinetischer Energie in Wärme vermindert wird, da diese Umwandlung von kinetischer
Energie in Wärme auf Kosten der verfügbaren Gesamtenergie erfolgt. Es ist ferner
von Bedeutung, daß die durch die Stoßverluste entwickelten Kalorien soweit wie möglich
abgeführt werden.
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Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß bei den Speiseeinrichtungen für
Gasturbinen der vorstehend angegebenen Art vorgesehen, daß die Durchlaßquerschnitte
für die zugemischte andere Luft veränderlich und am kleinsten stromaufwärts vom
Austritt aus der Verbrennungskammer sind, um die Geschwindigkeit dieser Luft zu
erhöhen, und daß der äußere Mantel rings um jenen Austritt aus der Verbrennungskammer
sowie hinter diesem Austritt durch konvergent-divergente Düsen verlängert ist, von
denen die letzte in dein Rückverdichtungsbehälter mündet; auf diese Weise wird die
Größe der Drucksteigerung in diesem Behälter erhöht. Dabei sind Kühlrippen in der
Zone des kleinsten Durchlaßquerschnittes für die zugemischte andere Luft sowohl
auf der Wandung der Verbrennungskammer als auch außen auf der Wandung
des
diese umgebenden äußeren Mantels angebracht.
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Durch diese erfindungsgemäß vorgesehene Gesamtanordnung wird erreicht,
daß man in dem Rückverdichtungsbehälter einen Gas= druck erzielt, der weit höher
als der Druelc` ist, welchen man in den bekannten Einrichtungen dieser Art erzielt.
Dank diesem hohen Gasdruck in dem Rückverdichtungsbehälter kann man in der Düse
am Austritt .aus diesem Behälter eine hohe Gasgeschwindigkeit erreichen.
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Erfindungsgemäß können die erzielten Ergebnisse noch dadurch verbessert
werden, daß man die konvergent-divergenten Düsen vollständig innerhalb des zur Rückverdichtung
der Gase dienenden Behälters anordnet und daß man die letzte Austrittsdüse der konvergent-divergenten
Düsen gegenüber einer Ab-
lenkfläche münden läßt, die in dem zur Rückverdichtung
dienenden Behälter vorgesehen ist.
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Die Erfindung soll nachstehend an Hand der Zeichnungen beispielsweise
erläutert werden.
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Fig. i zeigt einen axialen Schnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete
Gesamteinrichtung, die eine Zerstäubungskammer, eine Verbrennungskammer und eine
mit dein Entspannungsdüsen verbundene Zwischenkammer umfaßt.
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Fig. 2 zeigt entsprechend Fig. i eine Teilansicht einer abweichenden
Ausführungsform. Fig. 3 ist eine der Fig. i entsprechende Außenansicht.
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Fig.4 ist ein Querschnitt nach A-A der Fig. 2.
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Fig. 5 ist ein Aufriß des vorderen Teiles der Verbrennungskammer der
Fig. 2.
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Fig.6, 7 und 8 zeigen Querschnitte nach B-B, C-C und D-D der Fig.
5.
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Fig.9 ist ein Querschnitt nach E-E der Fig. 2, während Fig.9b und
9c im Aufriß oder in Draufsicht einen Flügel zur Zentrierung des hinteren Teiles
der Verbrennungskammer im Mantel für die andere Luft zeigen.
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Fig. i o zeigt entsprechend Fig. i teilweise eine abweichende Ausführungsform
einer Kammer von einstellbarer Länge.
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Bei dem Beispiel gemäß Fig. i ist die Verbrennungskammer ein im wesentlichen
spindelförmiger Hohlkörper i mit dünner Wandung aus vorzugsweise nicht oxy dierbarem
Stahl, der auf seinen beiden Seiten poliert ist. Dieser Körper i kann beispielsweise
aus zwei Teilen bestehen, von denen der Bodenteil ja einen axialen Rohrstutzen 2
zum Einlaß der Verbrennungsluft sowie einen Gewindering 3 oder deren mehrere zur
Aufnahme der Zündkerzen 4 trägt. Die beiden Teile des Körpers i werden z-tveckmäßig
für immer z. B.
durch eine Schweißnaht 5 miteinander verbunden. Die Kammer
i liegt axial zu einem äußeren Mantel 6, der vorzugsweise eben-Alls eine dünne,
innen polierte Wandung bet. Die Umhüllung 6 besteht aus zwei 4ürch Flansche 7 und
Bolzen verbundenen Teilen, die durch Zwischenlage einer Dichtung dicht miteinander
vereinigt sind. Auf dem hinteren Teil 6a der Umhüllung 6 ist ein Rohrstutzen 8 vorgesehen,
der einen Anschluß mit der Quelle für die zuzumischende andere Luft bildet, die
lediglich durch die Saugwirkung am Austritt der Gase aus der Verbrennungskammer
i angesaugt oder auch zwangsläufig durch einen besonderen Verdichter oder durch
irgendein der in der Einleitung aufgezählten Mittel eingeführt werden kann. Es sind
ferner eine Ablenkfläche 9 oder deren mehrere vorgesehen, um eine gleichmäßige Verteilung
der zuzumischenden anderen Luft in dem zwischen den beiden Wänden i und 6 liegenden
Raum zu gewährleisten.
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Die Zentrierung der Verbrennungskammer c
in bezug auf die äußere
Umhüllung 6 wird einerseits durch den Rohrstutzen 2, der sich in ein Gewinde i o
der auf dem Mantel 6- befestigten Zerstäubungskammer i i einschrauben läßt,
sowie andererseits durch Flügel oder Rippen 12 sichergestellt. Die Anordnung dieser
Rippen wird später an Hand der Fig.2 und 3 besprochen werden.
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Die Kerzen 4, zu denen man durch öffnungen 14 hindurch, die im Mantel
6 vorgesehen sind, Zutritt hat, sind hinter der Kammer 6 in den Wirbelzonen angeordnet,
die dem Einlaß des mit hohem Druck durch die Zerstäubungskammer geblasenen, mit
Brennstoff angereicherten Luftstromes benachbart sind. Durch diese Anordnung wird
die Zündung des Strahles beim Start erleichtert, indem in gewissen Abständen ein
Gemisch zur Entzündung gebracht wird, das von der Funkenstelle an sich mit zunehmenden
Geschwindigkeiten fortbewegt. Diese Zonen werden bei vollem Betrieb auf einer verhältnismäßig
niedrigen Temperatur gehalten, und die Kerzenkörper, die überdies in den Strom der
zuzumischenden anderen Luft eintauchep, werden genügend gekühlt.
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Infolge ihrer geringen Dicke und gegebenenfalls auch ihrer polierten
Außenoberfläche gibt die Wandung der Verbrennungskammer i rasch ihre Kalorien dem
anderen Luftstrom ab, so daß diese Wandung, obwohl die im Innern aufrechterhaltene
Verbrennungstemperatur hoch ist, immer ,auf einer annehmbaren Temperatur gehalten
wird. Zu diesen Vorteilen thermischer Na-
tur kommt noch eine bemerkenswerte
Gewichtsverminderung,
hinzu, welche für die Anwendung der Erfindung
auf Luftfahrzeugen von Vorteil ist.
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Die Verbrennungskammer enthält eine Einschnürung 1L, auf die .ein
divergenter Teil 15 folgt, der die Gasaustrittsdüse bildet. D:4e Gase dringen dabei
meine Mischkammer :ein, deren an das vordere Ende des Mantels 6 angest:hlossener-
Einlaß vorzugsweise in Gestalt eines konvergenten Teiles 16 ausgebildet ist, auf
den ein divergenter Teil 17 folgt. Bei dieser Anoirdnung, die sich im Laufe de Versuche
als besonders vorteilhaft erwiesen hat, erzielt man .ein Ansaugen der anderen Luft,
die, selbst ohne daß sie zwangsläufig eingeführt wird, eine erhebliche Strömungsgeschwindigkeit
erreicht, eine Mischung dieser Luft und der aus der Verbrennungskammer kommenden
Gase bei praktisch gleichbleibendem Druck.
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Die Mischkammer setzt sich durch einen konvergent-divergenten Teil
17a fort. Das Ganze wird in eine Kammer 18 ,eingesetzt, die folgende Wirkungen ausübt:
sie bildet einen Speicherbehälter, der die Speisung der Turbine gleichmäßig gestaltet;
sie wirkt als Druckerhöher, indem sie die kinetische Energie der Gase zur Drucksteigerung
ausnutzt.
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Wenn man für diese Kammer 18 die auf Fig, i gezeigte Anordnung wählt;
so ist die Mischkammer völlig von der umliegenden Atmosphäre getrennt, so daß man
für die Ausbildung- ihrer Wandungen keine besonderen Vorsichtsmaßnahmen zur Verhütung
von Wärmeverlusten zu treffen braucht. Außerdem bietet diese Anordnung den Vorteil,
daß der Platzbedarf der ganzen Vorrichtung herabgesetzt wird.
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Bei dem dargestellten Beispiel treffen die Gase beim Austritt aus
der Mischkammer 16 und der Düse 17a auf eine Ablenkfläche i g, welche diese Gase
wirbelfrei in die ihrer Ankunftrichtung .entgegengesetzte Richtung ablenkt, wobei
die Einlaßdüseoder Düsen 2o zu den Turbinen beispielsweise in der der Ablenkfläche
i 9 entgegengesetzten Zone der Kammeer 18 angeordnet sind.
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Bei der abweichenden, auf Fig.2 und 3 gezeigten Ausführung sind nur
die Verbrennungskammer i und ihr äußerer Luftmantel 6 dargestellt. Der vordere Teil
dieser Anlage ist in diesem Falle durch ein Gewinde 2 I an eine. Mischkammer der
gleichen Art wie diejenige, welche bei 16, 17, 17a auf Fig. i gezeigt ist,
angeschlossen. Der vordere Teil kann sich auch unmittelbar in eine Düse fortsetzen,
die zur Turbine führt, wenn es sich um eine Turbine mit Geschwindigkeitsabfall und
vollständiger Speisung handelt. Wie insbesondere auf- Fig. 5 bis 8 gezeigt, enthält
die Verbrennungskammer i Rippen, die besonders zahlreich in der zwischen dem Hauptspant
der Kammer und der Einschnürung iv liegenden Zone sind., Diese Rippeln 12 lassen
zwischen sich Längskanäle 22 frei, die zweckmäßig konvergieren, um in Verbindung
mit den für die Querschnitte der Kammer I und des Mantels 6 gewählten Formen dahin
zu wirken, daß der Mischkammer völlig homogene Stromadern anderer Luft zugeführt
werden; die sich am Austritt aus den in geringer Zahl vorgesehenen Rippeln I 2a
vereinen.
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Es ist oben darauf - hingewiesen worden, welche Vorzüge diese Rippen
im übrigen in thermischer Hinsicht- sowie für die mechanische Festigkeit der Wände
bieten.
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Die äußere Umhüllung 6 besitzt bei dem dargestellten Beispiel Längsrippen
23 (siehe Fig.3). Diese Rippen entstehen in diesem Falle aus Längsadern, die zwecks
Erleichterung des- Gewichts vorgesehen sind. In thermischer Hinsicht sind sie ohne
Bedeutung und können mit einem wärmeisolierenden Überzug bedeckt werden, der über
die ganze Außenfläche der Umhüllung 6 sich erstreckt, die andrerseits auf ihrer
Innenseite-, wie b@ereits erwähnt, zweckmäßig poliert ist. Der hintere verstärkte
Teil 2t, der Verbrennungskammer wird durch einen konvergenten Rohrstutzen 2 verlängert,
der in eine Muffe 24 eingeschraubt werden kann, in welche auch die Zerstäubungskamner
i i eingesetzt ist. Diese Kammer, deren Innenseite (von hinten nach vorn gerechnet)
einen zylindrischen Teil 1 ia, einen sich kegelig erweiternden Teil i 1b und einen
weiteren zylindrischen Teil i ic aufweist, enthält in der kegeligen Zone i IL eine
äußere Hohlkehle 25, in welche .eine Röhre 26 oder deren mehrere münden, die mit
der Förderseite der Brennstoffpumpen verbunden sind. Die Verbrennungsluft wird in
die Zerstäubungskammer durch die Leitung 27 geblasen, die in den mit Gewinde versehenen
Boden des Teiles i i eingesetzt ist. Eine Haube 28 wird auf die Muffe 24 gesetzt.
Die Form dieser Haube ist aerodynamisch derart berechnet, daß sie sich mit dem Querschnitt
des Einlaßtrichters 29 für die zuzumischende andere Luft derart verbinden läßt,
daß dieser Luft der kleinste Widerstand entgegengesetzt wird und deren Stromlinien
gleichmäßig vom Einlaß an gerichtet werden.
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Die Zentrierung der Verbrennungskammer 1 in dem Mantel 6 erfolgt einerseits
mit Hilfe der Außenkanten der Rippen 12 sowie andrerseits mittels der Kanten von
Rippen 29, die auf einer Hülse 3o angebracht sind, welche auf die Muffe 24 gesetzt
ist. Die Rippen 29 sind, wie namentlich auf den
Fig.9b und 9c gezeigt
ist, derart geformt, daß sie der Luft den geringsten Widerstand bieten und keine
Wirbelbildungen hervorrufen. Bei dem dargestellten Beispiel (Fig. 9) sind drei solche
.Rippen vorgesehen, die durch Schrauben 31, die durch die Wandung der Umhüllung
6 geführt sind, gehalten werden.
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Fig. i o zeigt eine abweichende Ausführungsform der Einrichtung gemäß
Fig. i. Bei diesem Ausführungsbeispiel können die Kammer i sowie die vorn auf ihr
angebrachten Teile sich geradlinig als ein einheitliches Ganzes im Innern des Mantels
oder der Umhüllung 6 verschieben, so daß die verschiedenen Durchlaßquerschnitte
der Luft eingestellt «=erden können. Zu diesem Zweck ist die Kammer i mit regelmäßig
an ihrem Umfang verteilten Rippen versehen, die in fest am Mantel 6 sitzenden Gleitführungen
61 geführt sind. Die Rippe 6o ist derart ausgefräst, daß sie eine Zahnstange 62
bildet, die mit einem Zahnrad 63 in Eingriff steht, das fest auf einer Welle 64
sitzt, welche durch die Wandung des Mantels 6 hindurchgeführt ist. Auf dem äußeren
Ende dieser Welle 64 ist ein Tangentenrad 65 aufgekeilt, mit dem ein nicht dargestelltes
Schneckenrad kämmt, das ferngesteuert werden kann.