DE1151985B - Gasturbinen-Triebwerksanlage mit einer Nutzleistungsturbine, mit der Moeglichkeit kurzzeitiger Leistungssteigerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinen-Triebwerksanlage mit einer Nutzleistungsturbine, mit der Möglichkeit kurzzeitiger Leistungssteigerung, bestehend aus der Kombination einerseits eines aus Vordichter, Brennkammer und Verdichterantriebsturbine bestehenden Gasturbinentriebwerks und andererseits einer dem Gasturbinentriebwerk nachgeschalteten und vor der Nutzleistungsturbine Hegenden zweiten Brennkammer, wobei dem Verdichter in einer Zwischenstufe entzogene und hinter der Verdichterantriebsturbine dem Brenngasstrom zugemischte Luft zusammen mit dem Brenngasstrom in Richtung der zweiten Brennkammer fließt. Solche Gasturbinen-Triebwerksanlagen werden insbesondere für Flugzeuge verwendet. Die Nutzleistungsturbine kann eine Luftschraube oder einen »Fan« antreiben. Diese Triebwerke können insbesondere dort mit Erfolg eingesetzt werden, wo kurzzeitig sehr hohe Zusatzleistungen gefordert werden, also etwa bei Senkrechtstart.

Das wesentliche Problem ist dabei das Leistungsproblem: Man weiß, daß nicht nur bei Kolbenmotoren, sondern auch bei Gasturbinen-Triebwerksanlagen der genannten Art die am Start vorhandene Kurz- oder Startleistung gewöhnlich nicht ausreicht, um mit normalen oder abgewandelten Luftschrauben — Fans — einen Schub zu erzeugen, der größer als das Fluggewicht ist. Eine kurzzeitige Leistungssteigerung von 100 % und mehr wäre hierzu erforderlich.

Das zweite, fast ebenso wichtige Problem, nämlich das Schwenken des Schubstrahls in die vertikale Richtung beim Start und der anschließende Übergang in den Horizontalflug, ist bei Gasturbinen-Triebwerksanlagen der genannten Art bereits gelöst.

Die Erfindung gibt für beide Probleme eine neue, gemeinsame Lösung. Sie geht davon aus, daß der thermodynamische Wirkungsgrad eines Heißgaserzeugers (z. B. einer Gasturbine, bestehend aus Verdichter, Brennkammer, Turbine, welche hinter der Turbine heiße gespannte Gase erzeugt) unverändert bleibt, wenn man — bei gleichem Druck in der Brennkammer und gleicher Brennstoffzugabe — einmal wenig Luft durchsetzt (wobei ein Gas hohen Druckes und hoher Temperatur entsteht) oder zum anderen viel Luft durchsetzt (wobei das Nutzgas niederen Druck und niedere Temperatur aufweist). Eine Einwellen-Gasturbine einfachsten Aufbaues (ohne Zusatzverdichter) hätte etwa bei 850° C Brennkammertemperatur eine Nutzgastemperatur von rund 650° C hinter der Turbine. Würde man durch einen Zusatzverdichter noch einmal die gleiche Luftmenge verarbeiten und hinter der Turbine zusetzen (mischen), Gasturbinen -TriebWerksanlage

mit einer Nutzleistungsturbine,

mit der Möglichkeit kurzzeitiger

Leistungssteigerung

Anmelder:

Dr.-Ing. Otto Lutz,
Braunschweig, Bienroder Weg 53

Dr.-Ing. Otto Lutz, Braunschweig,
ist als Erfinder genannt worden

so wäre die Temperatur des Nutzgases nur rund 350° C bei gleichem Wirkungsgrad des Prozesses. In diesem zweiten Fall kann man aber bei besonderen Anlässen — z. B. Starten oder Landen — das verhältnismäßig kalte Nutzgas zusätzlich aufheizen und damit kurzzeitig — bei allerdings höherem Brennstoffverbrauch — eine erheblich größere Nutzgasleistung (bis zu 100% mehr und höher) erzielen.

Bei den dabei erforderlichen großen zusätzlichen Luftmengen ist eine solche Lösung mit üblichen Strahltriebwerken nicht möglich. Man kann hier nur einige Prozente der Verdichterleistung abzapfen und deshalb auch nur wenig Mehrleistung erreichen, wobei noch einmal darauf hinzuweisen ist, daß die zweite Aufheizung — im Gegensatz zu den Vorgängen in einem »After Burner« — temperaturbegrenzt ist, und zwar wegen der Temperaturempfmdlichkeit der nachgeschalteten Turbine.

Verwendet man aber nach der Erfindung ein Zweistrom-Gasturbinentriebwerk entsprechender Ausgestaltung, so kann diese neue thermodynamische Methode mit großem Vorteil Anwendung finden.

Treibt man mit einem so gestalteten Gaserzeuger über eine Nutzleistungsturbine eine Luftschraube oder einen Fan an, so kann bei geeigneter Auslegung der Luftschraube ein Startschub erzeugt werden, der über dem Abfluggewicht liegt; schwenkt man in bekannter Weise die Luftschraube, den Fan oder gegebenenfalls auch nur den Strahl, so kann das Flugzeug vertikal abheben und landen (VTOL=vertical take off and landing).

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Die Figur zeigt eine beispielsweise Ausführung für eine Nutzleistungsturbine, die eine übliche Luftschraube antreibt. In dem Gaserzeuger 1 befindet sich ein Niederdruckverdichter 2, der über die innenliegende Welle 3 von der hinteren Turbinenstufe 9 (oder den hinteren Stufen) angetrieben wird. Die Hochdruckstufe 8 (bzw. -stufen) der Turbine treibt über die Hohlwelle 4 die Stufen des Hochdruckverdichters. Der Niederdruckverdichter 2 saugt mehr Luft an, als der Hochdruckverdichter verarbeitet (Zweistrom 5); der Luftüberschuß 6 umspült das Triebwerk, nimmt Kühlwärme auf und wird im Sammler 10 wieder zugemischt.

Nach der Verdichtung im Hochdruckverdichter gelangt der Luftstrom 5 in die Brennkammer 7, wo Brennstoff zugeführt wird; anschließend erfolgt die Arbeitsabgabe in den Turbinen 8 und 9.

Naturgemäß kann der beschriebene Prozeß auch mit einem Einwellen-Zweistromtriebwerk mit vergrößertem und geteiltem Verdichter durchgeführt werden.

Das erzeugte Nutzgas gelangt aus dem Sammler 10 in die zusätzliche Brennkammer 11, die im normalen Betrieb nur durchströmt wird. Vor dem Antriebsgehäuse der Luftschraube 15 sitzt ein drehbarer Flansch 12, der eine Schwenkung des Antriebsgehäuses einschließlich der Luftschraube 15 gestattet.

Das Nutzgas treibt die Nutzleistungsturbine 13, die ihrerseits über ein mehrstufiges Getriebe 14 die Luftschraube 15 antreibt. In besonderen Fällen wird es möglich sein, die Turbinencharakteristik so auf die Luftschraubencharakteristik abzustimmen, daß die Luftschraubenblätter nicht um ihre Achse verstellt zu werden brauchen. Hierbei darf daran erinnert werden, daß die Luftschraube bei unveränderlicher Steigung versucht, am Start (Fortschrittsgrad Null) der Luft eine wesentlich größere Zusatzgeschwindigkeit zu verleihen als im Flug. Dies bedingt ein erheblich größeres Moment als im Flug und damit eine größere Leistung, falls man die Drehzahl nicht drosseln will. Bei geringer Drehzahlerhöhung am Start ist es möglich, die Luftschraubenleistung hierdurch um 100% zu steigern, also die von einer Turbine vorliegender Erfindung gegebene Zusatzleistung zu verarbeiten.

Es ist bereits darauf hingewiesen worden, daß statt einer Luftschraube 15 auch ein Fan angetrieben werden kann, der entweder mit der Turbine 13 geschwenkt oder dessen Schubstrahl in der gewünschten Schubrichtung abgelenkt wird. Es ist selbstverständlich auch möglich, den hinter der Nutzgasturbine 13 austretenden Strahl (der wegen seiner geringen Temperatur noch einen hohen Luftüberschuß hat) weiter mit Brennstoff aufzuheizen, also dort einen üblichen After Burner anzubringen.

kurzzeitige Höchstleistungen von einem Zusatzbetrag von 100% und mehr gefordert werden, mit Erfolg anwenden. Insbesondere gilt dies für Wärmetauscher-Triebwerke, wie sie heute zum Antrieb von Personen- und Lastkraftwagen in Betracht gezogen werden.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Gasturbinen-Triebwerksanlage mit einer Nutzleistungsturbine, mit der Möglichkeit kurz-

o zeitiger Leistungssteigerung, bestehend aus der Kombination einerseits eines aus Vordichter, Brennkammer und Verdichterantriebsturbine bestehenden Gasturbinentriebwerks und andererseits einer dem Gasturbinentriebwerk nachgeschalteten und vor der Nutzleistungsturbine liegenden zweiten Brennkammer, wobei dem Verdichter in einer Zwischenstufe entzogene und hinter der Verdichterantriebsturbine dem Brenngasstrom zugeanischte Luft zusammen mit dem Brenngasstrom in Richtung der zweiten Brennkammer fließt, da durch gekennzeichnet, daß das Gasturbinentriebwerk ein Zweistrom-Gasturbinentriebwerk ist, dessen nicht durch die Brennkammer (7) des Gasturbinentriebwerks (1) gehender Luftstrom (6) sich zu dem durch die Brennkammer (7) gehenden Luftstrom (5) mengenmäßig ungefähr wie die gewünschte anteilige Leistungssteigerung verhält, und daß beide Luftströme (5 und 6) bei gleichem Druck hinter der Verdichterantriebsturbine (8, 9) gemischt ihren Sammler (10) ohne wesentliche Mischungsverluste verlassen.

2. Gasturbinen-Triebwerksanlage nach Anspruch 1 und bei der die Nutzleistungsturbine (13) eine Luftschraube (15) antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Charakteristik der Nutzleistungsturbine (13) so auf die Charakteristik der Luftschraube (15) abgestimmt ist, daß für diese keine Blattverstellung erforderlich ist.

3. Gasturbinen-Triebwerksanlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Luftschraube (15) antreibende Nutzleistungsturbine (13) einschließlich Getriebe (14) und Luftschraube (15) schwenkbar angeordnet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 736 818; deutsche Auslegeschrift Nr. 1067 311; schweizerische Patentschrift Nr. 263 472; französische Patentschriften Nr. 995 131, 682;

britische Patentschrift Nr. 787 726; Zeitschrift »Flugwelt«, Oktoberheft 1959, S. 409; Zeitschrift »Flight« vom 28. November 1946,

Das angegebene Antriebsprinzip ist nicht auf den 55 S. 598, und vom 1. Februar 1957, S. 155; Antrieb von normalen oder abgewandelten Luft- Zeitschrift »The Marine Engineer and Navel

schrauben beschränkt. Man wird es überall dort, wo Architect«, September 1959, S. 355.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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