Gasturbinenarilage Das vorliegende Patent betrifft eine Gas turbinenanlage, die z. B. als Triebwerk eines mit Überschallgeschwindigkeit fliegenden Flugzeuges ausgebildet seilt kann.
Bei Gasturbinenanlagen und il mit Gas turbinentriebwerken ausgerüsteten Flug zeugen ist es üblich, _der umgebenden At- niosphäre entnommene Luft zum Kühlen der Anlage bzw.
des Triebwerks oder Teilen da von zu verwenden, insbesondere zur Kühlung von Lagern und diesen zugeordneten Ele menten oder von Zusatzgeräten der Anlage wie Hochdruck-Luftkompressoren und Schmierölkühlern. Die dazu verwendete Luft kann vorerst in einem Kompressorsystem der Anlage komprimiert oder in gewissen Fällen direkt aus der Atmosphäre einem Hilfs aggregat der Anlage, z.
B. einem Hochdruck luftkompressor oder einem Ölkühler, zu geführt werden.
Wenn es sich um ein Hochgeschwindig- keitsflugzeug handelt, dessen Fluggeschwin digkeit z. B. die Schallgeschwindigkeit weit übersteigt, steigt die Temperatur der in die Allage eintretenden Luft relativ stark;
wenn dann diese Luft im Kompressorsysteln der Anlage noch komprimiert wird, tritt eine weitere Temperatursteigerung ein. Dabei ist es möglich, dass die Temperatur der Luft so hoch wird, dass diese Luft nicht mehr als Kühlluft verwendbar ist. Auch wenn die in die Anlage eintretende Luft nicht z. B. im Kompressor der Anlage komprimiert wird, kann die zufolge der Fluggeschwindigkeit auftretende Temperatursteigerung der Luft so gross sein, dass diese Luft nicht mehr zu Kühlzwecken verwendbar ist.
Erfindungsgemäss sind nun bei einer Gas turbinenanlage Mittel vorgesehen zur Ein führung einer Flüssigkeit in eilen Kühlluft- strom und Steuermittel zur Auslösung der Flüssigkeitseinspritzung in den Kühlluft- strom, wenn die Lufttemperatur grösser ist als die Temperatur, bei welcher die Flüssig keit bei dem im Kühlluftstrom herrschenden Druck verdampft, um den Kühlluftstrom durch Verdampfen der Flüssigkeit zu kühlen. Die Kühlung des Luftstromes kann durch Erhitzen des Dampfes noch verbessert wer den.
Zweckmässig wird als einzuführende Flüssigkeit Wasser verwendet.
Einige Ausführungsbeispiele der erfin dungsgemässen Gasturbinenanlage sind in der beiliegenden Zeichnung dargestellt. In .der Zeichnung zeigt Fig. 1,<B>zum</B> Teil weggebrochen, ein erstes Beispiel einer Gasturbinenanlage mit Kühl einrichtung, Fig. 2 in grösserem Massstab die Kühl einrichtung der Anlage nach Fig. 1 und Fig.3 ein zweites Beispiel einer Gas turbinenanlage mit Kühleinrichtung.
Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Anlage ist als Triebwerk eines Flugzeuges mit Über- schallgeschwindigkeit ausgebildet. Die An lage besitzt einen Kompressor 10 zur Auf nahme von Luft aus der Atmosphäre und zum Komprimieren dieser Luft, eine Verbren nungseinrichtung 11, welcher die kompri mierte Luft aus dem Kompressor sowie mittels Injektoren 12 Brennstoff zugeführt wird, eine Turbine 13, welche durch die Ver brennungsgase aus der Verbrennungseinrich tung 12 angetrieben wird, und eine Abgas leitung 14, durch welche die Abgase aus der Turbine in die Atmosphäre ausgestossen werden.
Der Kompressor 10 besitzt ein Stator- gehäuse 15, das eine Mehrzahl von Kränzen von Statorschaufeln 16 trägt, sowie ein nasen- förmiges Lagergehäuse 17, das koaxial in einem erweiterten Gehäuseteil am Einlassende des Statorgehäuses angeordnet ist. Das Lager gehäuse 17 ist mittels einer Mehrzahl von Streben<B>18</B> am Statorgehäuse 15 abgestützt. Der Kompressor 10 besitzt ferner einen Rotor, der eine hohle Zentralwelle 19 aufweist.
Das vordere, dem Kompressoreinlass zugekehrte Ende der Hohlwelle 19 ist in einem Lager 20 gelagert, das im Lagergehäuse 17 angeordnet ist. Ferner besitzt der Kompressorrotor eine Mehrzahl von beschaufelten Rotorscheiben 21. Jede Rotorscheibe 21 trägt an ihrem Um fang einen Kranz von Laufschaufeln 22.
Die Hohlwelle 11 erstreckt sich hinter dem Kom pressor zentral durch die Verbrennungsein richtung 11 hindurch und trägt an ihrem hintern Endteil den Rotor 23 der Turbine <B>13;</B> letztere dient dem Antrieb des Kom- pressors 10. Der hintere Teil der Welle 19 ist in zwei mit axialem Abstand voneinander an geordneten Lagern 24 und 25 gelagert. Das Lager 24 befindet sich im Bereich des Kom- pressorauslasses, während das Lager 25 sich im Bereich des Rotors 23 der Turbine 13 be findet.
Es ist zu bemerken, dass beim Betrieb der Anlage die Lager :24 und 25 gekühlt werden müssen, da sie im Bereich heisser Maschinen teile angeordnet sind. Zu diesem Zweck wird über die Gehäuse 26 und 27 der Lager 24 bzw. 25 ein Kühlluftstrom geleitet. Die zur Küh- lung des Lagers 24 verwendete Luft wird einer mittleren Stufe des Kompressors 10: entnommen, während die zur Kühlung des Lagers 25 verwendete Luft der Verbrennungs einrichtung 11 entnommen wird.
Die Luftentnahmemittel für die zur Küh lung des Lagers 24 bestimmte Luft besitzen Öffnungen 23 am Umfang des Kompressor rotors, die so angeordnet sind, dass Luft in den zwischen zwei Rotorscheiben 21 gebilde ten Raum eindringen kann;
ferner besitzen die genannten Mittel Öffnungen 29 in der Welle 19, durch welche Luft aus dem ge nannten Raum in den Hohlraum der Welle 19 eindringen kann, sowie Öffnungen 30, eben falls in der Welle 19, durch welche die Luft aus dem Innenraum der Welle 19 in eine Kammer 40 strömen kann, welche unmittel bar stromaufwärts des Lagers 24 im Stator- gehäuse gebildet ist. Die die Kammer 40 durchströmende Luft wird durch eine fest stehende Wand 31 über das Lagergehäuse 26 geführt und gelangt anschliessend in einen Raum 32, der zwischen der Welle 19 und der Verbrennungseinrichtung 11 geschaffen ist.
Aus diesem Raum 32 strömt die Luft durch hohle Leitschaufeln 33 der Turbine 13 hin durch in die Atmosphäre.
Die Entnahmemittel für die zur Kühlung des Lagers 25 bestimmte, aus der Verbren nungseinrichtung abgezapfte Luft besitzen eine oder mehrere Leitungen 34. Diese Lei tung 34 ist an einen Raum 36 angeschlossen, der in der Verbrennungseinrichtung<B>11</B> zwi schen einem Flammrohr 37, üi welchem die Verbrennung stattfindet, und einem Luft gehäuse<B>38</B> liegt, welches das Flammrohr 37 mit radialem Abstand von diesem umgibt. Die Leitung 34 führt in einen das Lager gehäuse<B>27</B> des Lagers<B>2</B>5 umgebenden Raum 35.
Ein Teil der in die Verbrennungseinrich tung 11 der Anlage einströmenden Luft strömt direkt in das Flammrohr 37, während der Rest der einströmenden Luft ausserhalb des Flammrohres 37 in den Raum 36 gelangt. Die in den Raum 35 gelangende Luft wird mittels einer Wand 39, welche den Raum 35 begrenzt, über das Lagergehäuse :
27 geleitet und strömt dann auswärts über die strom aufwärts gerichtete Fläche der Turbinen- C) 23 zurück in den Arbeitsmittel- kana.l der Turbine 13.' In gewissen Fällen ist die Temperatur der Iiühlltift zu hoch, um eine wirksame Kühlung der Lager 24 und 25 herbeiführen zu können. Dies kann z.
B. dann der Fall sein, wenn das Flugzeug, welchem die Anlage als Triebwerk dient, mit sehr hoher Geschwindigkeit fliegt, so dass die in den Kompressor 10 eintretende Luft durch Stauwirkung stark erhitzt wird. Es sind deshalb Mittel vorgesehen, welche die Tief haltung der Kühllufttemperatur auf einem gewünschten Wert ermöglichen.
In Fig. 2 sind solche Mittel beispielsweise näher dargestellt. In eitler Wand einer jeden Kammer 40 und 35 ist eine Flüssigkeits- zerstäuberdüse 41 angeordnet. Diesen Düsen wird Flüssigkeit, z. B. Wasser, durch Zuführ- leitungen 42 zugeführt, deren stromaufwärts liegende Enden je an eine Flüssigkeitspumpe .13 angeschlossen sind. Beim gezeichneten Beispiel sind diese Pumpen der Einfachheit halber als Zentrifugalpumpen dargestellt.
Diese Pumpen sind mit ihrem Einlass an einen Flüssigkeitstank-44 angeschlossen.
Wenn Flüssigkeit in Form eines Sprüh strahls in die Kammern 40 und 35 strömt, wird die in diese Kammern eintretende Luft zufolge des Verdampfens der Flüssigkeit ge kühlt.
Beim gezeichneten Beispiel wird die Flüs sigkeitszufuhr zu den Düsen 41 so gesteuert, dass die Zufuhr beginnt, -wenn die Temperatur der Kühlluft einen vorbestimmten Wert übersteigt. Die Flüssigkeitszufuhr nimmt in der Folge zu, wenn die Temperatur zu steigen sticht.
Die Pumpe 43 wird über ein Getriebe 45 durch einen Elektromotor 46 angetrieben, der an eine Batterie 47 angeschlossen ist. In dein die Batterie enthaltenden Stromkreis des Motors 46 ist ein Schalter 49 vorgesehen, der durch eine Temperaturansprechvorrich- tung betätigt wird. Die Temperaturansprech- v orrichtung besitzt beim gezeichneten Bei- spiel einen Behälter 50, der in der zugeord neten Kammer 40 bzw. 35 im Strömungsweg des Kühlluftstromes und stromabwärts der zugeordneten Einspritzdüse 41 angeordnet ist.
Der Behälter 50 ist mittels eines Kapillar rohres 51 an einen Balg 52 angeschlossen. Der Behälter 50, das Kapillarrohr 51 und der Balg 52 sind mit einer Flüssigkeit, z. B. Paraffinöl, gefüllt. Wenn die Temperatur der über den Behälter 50 strömenden Luft zunimmt, dehnt sich die Flüssigkeit in diesem Behälter aus, wodurch sich der Balg 52 ausdehnt. Wenn die Temperatur, welcher der Behälter ausgesetzt ist, einen vorbestimmten Wert erreicht, schliesst eine Stange 53, welche am Balg 52 befestigt ist, den Schalter 49. Demzufolge wird der Motor 46 in Betrieb gesetzt, der seinerseits die Pumpe 43 antreibt. Die ge nannte Stange 53 trägt ein Ventilelement 54, das mit einer Öffnung 55 zusammenwirkt.
Die Öffnung 55 befindet sich in eileer Wand, welche zwei Kammern 56, 57 voneinander trennt und in einem Gehäuse<B>58</B> angeordnet ist. Die Anordnung ist derart, dass sich das Ventilelement 54 seinem Sitz rund um die Öffnung 55 nähert, wenn die Temperatur, welcher der Behälter 50 ausgesetzt ist, steigt.
Die Kammer 57 ist durch eine Leitung 59 mit der Flüssigkeitszuführleitung 42 verbunden, während die Kammer 56 durch eine Leitung 60 mit dem Ansaugrohr 61 der zugeordneten Pumpe 43 verbunden ist. Wenn in der Folge das Ventilelement 54 von seinem Sitz ab gehoben ist, gelangt ein gewisser Teil der von der Pumpe 43 geförderten Flüssigkeit wieder zur Pumpe zurück; dieser zur Pumpe zurück geführte Flüssigkeitsanteil nimmt mit zu nehmender Temperatur, welcher der Behälter 50 ausgesetzt ist, ab.
Die getrennten Zufuhr- und Steuermittel zur Zufuhr von Kühlflüssigkeit zu den beiden Kammern 40 und 25 sind aus Gründen des sparsamen Verbrauchs an Kühlflüssigkeit vorgesehen; es versteht sich, dass auch ein gemeinsames, einziges Zufuhr- und Steuer system vorgesehen sein könnte.
In Fig.3 ist ein Beispiel einer Kühl einrichtung gezeigt, die zum Kühlen von im Schmiersystem einer Flugzeug-Gasturbinen- anlage 62 zirkulierendem Schmieröl dient.
Das gezeichnete Schmiersystem besitzt einen Vorratstank 63, aus welchem über eine Leitung 64 mittels einer Pumpe 65 durch eine Leitung 66 Schmieröl in einen Ölkühler gefördert wird. Der Ölkühler besitzt eine Rohrschlange 67, welche in einer Luftleitung 68 angeordnet ist.
Die Luftleitung besitzt einen in Flugrichtung weisenden Lufteinlass 68a und eilten Auslass, so dass während des Fluges des Flugzeuges, welchem die Anlage 62 als Triebwerk dient, Kühlluft über die Rohr schlange 67 strömt und das in ihr befindliche Öl kühlt. Das Öl gelangt aus der Rohrschlange 67 in eine Mehrzahl von Verteilleitungen 69. Jede dieser Verteilleitungen führt zu einem ihr zugeordneten Lager.
So. führt z. B. eine Verteilleitung 69 zu einem Gehäuse 70 des Frontlagers 71 der Anlage.
Das Schmiersystem der Anlage besitzt ferner einzelne Sammelleitungen 72, die von den entsprechenden Lagergehäusen, z. B. dem Gehäuse 70, zur Einlassseite einer Ölsaug- pumpe 73 führen. Das gesammelte Öl wird von der Pumpe durch eine Leitung 74 zurück in den Öltank 63 gefördert. Beide Pumpen 63 und 73 sind beim gezeichneten Beispiel maschinengetriebene Pumpen; die zugeord neten Antriebselemente sind mit 7 5 bezeich net.
Wenn die Temperatur der über die Rohr schlange 67 strömenden Luft zufolge eines Staueffektes während des Fluges unzulässig hoch wird, wird eine Flüssigkeit, z. B. Wasser, an einer Stelle stromaufwärts der Rohr schlange 67 in die hz der Leitung 68 strömende Luft eingespritzt. Durch Verdampfen dieser Flüssigkeit wird die Luft n1 der Folge gekühlt.
Die Kühlflüssigkeit wird mittels einer Zer- stäuberdüse 76 in die Leitung 68 eilgespritzt. Die Düse 76 wird durch ein ähnliches Zufuhr system gespeist, wie es für die Düsen 41 be schrieben wurde und das ebenfalls eine Tein- peraturansprechvorrichtung der vorbeschrie- benen Art besitzt.
Bei den beschriebenen Kühleinrichtungen kann die Kühlluft auch zur Kühlung anderer Teile der Anlage herangezogen werden. So kann z. B. beim Beispiel nach den Fig. 1 und 2 die Kühlluft zur Kühlung von Turbinenteilen, z. B. der Laufschaufeln der Turbine, benützt werden.
Anstatt mittels eines Motors können die Pumpen 43 auch durch die Anlage selbst an- treibbar sein..
Im vorangehenden wurden speziell Kühl einrichtungen von Flugzeug-Gasturbinen- anlagen beschrieben. Es ist zu bemerken, dass in gewissen Fällen infolge Verwendung von Kompressoren mit hohem Druckverhältnis in Gasturbinenanlagen, z.
B. in solchen, die als Schiffstriebwerke ausgebildet sind, Kühlluft von hohem Druck erforderlich ist. Wird in diesem Fall die Kühlluft dem Kompressor entnommen, so macht die zufolge der Kom pression der Luft auftretende Erhitzung der Luft eine Kühlung derselben erforderlich, bevor diese Luft zu Kühlzwecken verwendbar ist.
Auch hier können somit Einrichtungen der beschriebenen Art vorgesehen sein, in welchen der Kühlluft Wasser oder eine andere Flüssigkeit eingespritzt wird, welche bei ihrer Verdampfung die Luft kühlt und diese so zu Kühlzwecken verwendbar macht.