Gasturbinen-Kraftanlage. Vorliegende Erfindung betrifft eine Gas turbinen-Kraftanlage, die insbesondere zur Verwendung als Flugzeugtriebwerk geeignet ist.
Die erfindungsgemässe Gasturbinen-Kraft anlage ist gekennzeichnet durch zwei von der selben Betriebafluidumquelle gespiesene und gegen den gleichen Gegendruck arbeitende Turbinen, einen durch eine dieser Turbinen angetriebenen Hauptverdichter für das Be- triebsfluidum, ferner durch eine Aufteilung der Leistung der zweiten Turbine, so, dass ein Teil dieser Leistung als Nutzleistung und ein Teil zum Vorverdichten des in den Haupt verdichter gelangenden Fluidums dient.
Die zweite Turbine kann ein Gebläse an treiben, dessen Schaufeln zweckmässig in einem Luftkanal rotieren wobei ein Teil der den Luftkanal durchströmenden Luft dem Haupt verdienter und der Rest dieser Luft zum Vortrieb des Flugzeuges einer Strahldüse zu geführt wird.
Der Hauptverdichter und die diesen trei bende Turbine besitzen vorzugsweise eine Mehrzahl von entgegengesetzt rotierenden Läufern, die je einen innern Schaufelkranz und einen äussern Schaufelkranz tragen, wo bei die Gesamtheit der innern Schaufelkränze die Schaufelung eines Axialverdichters, die Gesamtheit der äussern Schaufelkränze die Schaufelung einer Axialturbine darstellt. Die ses Turbinen-Verdichteraggregat ist vorteilhaft vom Gegenstromtyp, indem die Gasströmung durch die Turbine und die Luftströmung durch den Verdichter axial in entgegengesetz ten Richtungen vor sich gehen.
Die verschiedenen in der Kraftanlage kom binierten Elemente sind vorzugsweise koaxial angeordnet, mit einer zentralen Verbrennungs kammer, die aus dem einerends angeschlos senen Gegenstromaggregat Druekluft erhält und die Verbrennungsprodukte an die Tur binenschaufeln dieses Aggregates abgibt; die zweite oder Kraftturbine ist. dabei am andern Ende der Verbrennungskammer angeordnet, so dass aus letzterer die Verbrennungspro dukte axial in zwei entgegengesetzten Rich tungen austreten.
Ein Ausführungsbeispiel vorliegender Er findung ist in den Zeichnungen dargestellt, und zwar zeigt Fig.la und 1b einen Axialschnitt durch die Kraftanlage, Fig. 2 einen halben Querschnitt auf Linie 2-2 der Fig. 1a und Fig. 3 einen halben Querschnitt auf Linie 3-3 der Fig.1b.
Die Kraftanlage weist ein zwecks Luft aufnahme am Vorderende (links in Fig.la) offenes Gehäuse 10 auf, und das Rückende enthält die nicht gezeigte Vortriebsstrahl- düse. Ein zweites Gehäuse 11 ist im Gehäuse 10 untergebracht und darin mittels Radial stützen 12, 13 an seinem Vorder- bzw. Rück ende festgelegt. Ein drittes Gehäuse 14 ist im Gehäuse 11 montiert und enthält im hintern Teil einen Hauptverdichter und eine diesen treibende Turbine, eine Verbrennungskammer im zen tralen Teil und eine Kraftturbine im Vorder teil.
Der Hauptverdichter und die ihn treibende Turbine weisen eine Mehrzahl von Läufern 15 auf, die je einen Innenkranz von Verdichter schaufeln 16 und einen Aussenkranz von Tur binenschaufeln 17 tragen. Letztere sind so angeordnet, dass die Läufer abwechselnd in entgegengesetztem Sinn rotieren.
Die Läufer 15 sind so montiert, dass sie auf einer feststehenden, über festmontierte Endscheiben 19, 20 bzw. eine Zwischenscheibe 21 im Gehäuse 14 abgestützten Achse 18 ro tieren. Die Festscheiben 19 bis 21 besitzen Ringe von feststehenden Verdichter- und Tur binenschaufeln.
Der Verdichter nimmt Luft durch die Eintrittsöffnungen 22 auf der Vorderseite der Stützen 13 und sieh durch letztere erstrek- kende Kanäle 23 auf und leitet diese zum Verdichtereintritt. Leitschaufeln 24 und 25 dienen zur Beschleunigung des Luftstroms in den Krümmern. Die verdichtete Luft wird durch eine Leitung 26 in eine Verbrennungs kammer 27 geleitet, wo der durch einen Bren ner 28 eingespritzte Brennstoff in der ver dichteten Luft verbrannt wird.
Die Verbrennungsprodukte schlagen in der Verbrennungskammer zwei verschiedene Wege ein, wovon der eine durch die den Verdichter treibende Turbine zurückführt, und dann durch den zwischen einer Verlängerung 29 des Gehäuses 14 und einer im Hinterende des Verdichter-Turbinenaggregates montierten Haube 30 gebildeten Ringraum ausströmt.
Auf dem andern Weg strömen die Ver brennungsprodukte nach vorn durch die Kraftturbine, die eine auf einer Hohlwelle 32 befestigte und die rotierenden Schaufeln 33 tragende Trommel 31 aufweist. Leitschaufeln 34 werden vom Gehäuse 11 getragen. Die Welle 32 wird von einem Tragstern 35 im Ge häuse 11 und einem zweiten Tragstern 36 getragen, der seinerseits durch einen Kranz von Gebläseleitschaufeln 37 im Gehäuse 10 getragen wird. Der Tragstern 36 stützt auch das Vorderende der Achse 18 und wird von einer Leithaube 38 umschlossen, die einen um gehinderten Eintritt in die zwischen den Ge häusen 10 und 11 befindliche Ringleitung ge währleistet.
Das Mehrstufengebläse ist zwischen den Tragsternen 35 und 36 angeordnet und weist die Leitschaufeln 37 und die rotierenden Schaufeln 39 auf, welch letztere mittels der Speichen 40 von der Hohlwelle 32 getragen werden, so dass das Gebläse durch die Kraft turbine angetrieben wird. Das Mehrstufen gebläse nimmt am Vorderende des Gehäuse 10 eintretende Luft auf, verdichtet diese und gibt sie rückwärts durch den Ringraum zwi schen den Gehäusen 10 und 11 ab. Ein Teil dieser Luft strömt in die Eintrittsöffnungen 22 und durch den Hauptverdichter, so dass also das Gebläse als ein Vorverdichter ar beitet. Der Rest. der vom Gebläse abgegebenen Luft wird aus dem Hinterende des Gehäuses 10 in Form eines Vortriebsstrahls ausgestossen.
Das am Vorderende der Kraftturbine aus gestossene Gas entweicht durch eine Anzahl radialer Auslassleitungen 41, die in den Stre ben 12 gebildet sind, in eine Anzahl sich nach rückwärts und durch zwischen den Streben 13 vorgesehene Zwischenräume erstreckender Austrittsrohre 42, um so die Abgase hinter den Lufteintrittsöffniuigen 22 abzuführen. Die Abgase werden somit von der durch die Eintrittsöffnungen 22 aufgenommen Luft ge trennt gehalten. Weiter werden die Abgase teilweise gekühlt und erwärmen die durch die Eintrittsöffnungen 22 aufgenommene Luft in einem gewissen Mass.
Wie ersichtlich, werden alle Abgase der beiden Turbinen nach hinten mit dem Vor triebsstrahl ausgestossen, um so den Vortrieb des Flugzeuges, in dem die Kraftanlage mon tiert ist., zu unterstützen.
Die Strömung durch die Kanäle 41 wird durch Leitschaufeln 43 in den Krümmungen beschleunigt, und die Abgasrohre 42 sind all mählich erweitert, um so den auftretenden Druckabfall zu vermindern. Die Leitungen 42 werden mittels durch geeignete Öffnungen (nicht gezeigt) in die Streben 12 ein- und aus diesen durch das Innere der hohlen Luft schaufeln 43 austretender Luft gekühlt. Die Luft tritt aus den Leitschaufeln in den Ab- Die Aussenseite des Gehäuses 14 wird mit durch passende Öffnungen am Vorderende des Gehäuses 11 eintretender Luft gekühlt, die dann rückwärts zwischen den Gehäusen 11 und 14 strömt und durch den Ringraum 44 zwischen Gehäusen 11 und 29 ausgestossen wird.
Der Umlauf der Kühlluft wird durch die Ejektorwirkung des Abgasstroms aus dem Gegenstrom-Turbinen-Verdichteraggregat auf rechterhalten. Luft zur Kühlung des Innern der Trommel 31 Lind der Wurzeln der Schau feln 33 der Kraftturbine und der Schaufel wurzeln im Turbinen-Verdichteraggregat kann aus der Ausstossleitung 26 des Verdichters ab gezapft werden. Ebenso kann Luft zur Küh lung von andern Teilen der Kraftanlage vom Ringraum zwischen den Gehäusen 10 und 11 abgezapft werden.
Die verschiedenen in der Kraftanlage ge brauchten Hilfs- und Zusatzvorriehtungen können von der Welle 32 der Kraftturbine angetrieben werden. Es ist aber vorteilhafter, zu diesem Zwecke eine Druckluftturbine (nicht gezeigt) vorzusehen und diese über nicht gezeigte Verbindungen von der Ausstoss leitung 26 des Hauptverdichters zu beliefern. Dies ermöglicht, falls erwünscht, das Mehr stufengebläse und die Kraftturbine bei Leer lauf der Maschine zum Stillstand zu bringen und erleichtert eine von der Kraftanlage un abhängige Anordnung der Hilfsvorrichtungen. Die Brennstoff- und Schmierölpumpen 45 bzw. 46 müssen jedoch immer in Betrieb sein; diese Pumpen sind am Hinterende der Kraft anlage angeordnet und werden über ein Ge triebe 47 vom hintersten Läufer 15 des Tur binen-Verdichteraggregates angetrieben.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das Gegenstrom-Turbinen-Verdichteraggregat zwanzig Läuferelemente 15, und etwas mehr als die Hälfte des aus der Verbrennungskam mer ausströmenden Gases wird an diese Tur- bine zum Aufbringen der Verdiehterarbeit abgegeben. Der Rest des Gases treibt die Kraftturbine, die acht Stufen umfasst und das vierstufige Gebläse treibt.
Etwa eine Drittel der von letzterer abge= gebenen Luft wird vom Hauptverdichter auf genommen. In dieser Anordnung arbeiten die beiden Turbinen unter praktisch demselben Druckverhältnis wie der Hauptverdichter, was von Vorteil ist, indem dadurch Undichthei- ten im Gegenstrom-Turbinen Verdichteraggre- gat unterbunden werden und eine gewisse Sicherheit gegen Verdichtungsstösse gewähr leistet wird.
Die Kraftturbine arbeitet mit einer solchen Geschwindigkeit, dass die Schaufelbeanspru chungen ungefähr denjenigen in der andern Turbine entsprechen, so dass in beiden die selbe Gastemperatur zulässig ist und daher beide von derselben Verbrennungskammer aus beliefert werden können.
Die Kraftanlage wird mittels Druckluft oder -gas in Betrieb gesetzt, die durch am Turbinen-Eintrittsende des Turbinen Verdich- teraggregates vorgesehene Düsen 47 eingelas sen wird. Der Verdichter liefert dann Druck luft in die Verbrennungskammer, und der Brenner wird durch die vorbeiströmende Luft in Drehung versetzt.
Die Kraftanlage, im Falle eines Flugzeu ges, wird normalerweise so berechnet, dass sie in beträchtlicher Höhenlage arbeiten kann, z. B. in der Stratosphäre. Um die Abgabe der vollen Kraft in niederen Höhen zu ermögli chen, ohne dass die Turbinen einer übermässig hohen Temperatur unterworfen werden, kön nen Mittel (nicht gezeigt) vorgesehen sein, um eine Kühlflüssigkeit, z. B. Methanol oder Me thanol und Wasser, in die Leitungen 23 und, falls erforderlich, auch in die zwischen den Gehäusen 11 und 14 durchströmende Kühl luft einzLZspritzen.
Die Vortriebsdüse am hintern Ende der Kraftanlage kann so ausgebildet sein, dass der Durchlassquerschnitt veränderlich ist, und es können Mittel (nicht gezeigt) vorgesehen sein, um in diesem Strahl, zwecks Vergrösserns des Vorschubes, zusätzlichen Brennstoff zu ver brennen.
Bei zweckmässiger Ausbildung der Anlage nach der Erfindung lassen sich sehr hohe Verhältniswerte zwischen Schub und Gewicht erzielen, so dass die Anlage zum Einbau in Flugzeuge besonders geeignet ist. Auch die Totalabmessungen können klein gehalten wer den sowie der Anlage eine Form gegeben wer den, dass der Stirnwiderstand verringert wird.