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Gasturbine mit Umlaufzerstäubung des Brennstoffes Die Erfindung betrifft
eine Gasturbine mit Umlaufzerstäubung des Brennstoffes durch Brennstoffaustrittsbohrungen
am Umfang des einflutigen Verdichterlaufrades mit radialem Luftaustritt. Die Gasturbine,
an welche die Erfindung anknüpft, weist eine durch eine im Bereich des Luftaustrittes
befindliche Trennwand in einen durch die Brennstoffaustrittsbohrungen gespeisten
Primärluftteil und in einen Sekundärluftteil unterteilte Brennkammer auf, die sich
im Anschluß an das Verdichterlaufrad im wesentlichen in radialer Richtung erstreckt,
worauf in der Strömungsrichtung eine einwärts gekrümmte weitere Partie folgt, die
mit dem Turbinenlaufrad in Verbindung steht, wobei ein etwa die axiale Breite der
Schaufeln des Verdichterlaufrades einnehmendes Leitrad vorgesehen ist, dessen innere
Abdeckwand als Trennwand zwischen dem Primärluftteil und dem Sekundärluftteil der
Brennkammer dient.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Gasturbine der eingangs
erwähnten Bauart dahingehend zu verbessern, daß der in den Primärluftteil der Brennkammer
eingebrachte Brennstoff schnell verdampft.
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Bei bekanntgewordenen Ausführungen der eingangs erwähnten Gasturbinenbauart
passiert der Brennstoff nämlich einen Raum, der von allen Seiten von der Verdichtungsluftgekühlt
wird und daher keine für eine schnelle Verdampfung des Brennstoffes ausreichende
genügend hohe Temperatur aufweist. Zur Lösung der vorstehend angegebenen Erfindungsaufgabe
muß dieser Mangel beseitigt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der dem Austritt
des Verdichterlaufrades benachbarte Teil der Trennwand einen Mischraum bildet, der
über einen Drosselspalt mit dem Verdichteraustritt in Verbindung steht und dessen
andere Begrenzung die heiße Brennkammerinnenwand bildet. Dadurch, daß die Brennkammerinnenwand
nur von einem schwachen Luftstrom bestrichen wird, bleibt sie im wesentlichen ungekühlt,
so daß sie durch die Wärme, die in der Brennzone entsteht, aufgeheizt wird, wobei
die Wärme entgegen der Einspritzung des Brennstoffes fließt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung schließt sich an das Leitrad
im Strömungsweg ein weiteres Leitrad oder ein Ringkanal, beide von kleinerer axialer
Breite als das Leitrad zur Aufnahme der Sekundärluft, an, wobei der überstehende
Teil des ersten Leitrades die Primärluft in den Primärluftteil der Brennkammer leitet.
Hierdurch entsteht ein weiterer Mischraum in radialer Fortsetzung der Brennstoffaustrittsöffnungen,
in dem nur eine geringe Luftgeschwindigkeit und eine hohe Temperatur herrscht, die
von der benachbarten Brennzone herrührt. In diesem Mischraum wird der Brennstoff
mit der Primärluft vermischt, so daß er in der anschließenden Zünd- und Brennzone
verbrennen kann. Die Wirkung der beschriebenen Anordnung wird in vorteilhafter Weise
dadurch unterstützt, daß sich der Primärluftteil in der Strömungsrichtung hinter
dem Leitrad so weit erweitert, daß von der Geschwindigkeitsenergie des Luftstromes
nur noch ein kleiner Rest verbleibt.
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Die Sekundärluft wird in dem sich nicht oder nur unwesentlich erweiternden
Ouerschnitt des Ringkanales an der Außenwand der Brennkammer entlanggeführt und
durch Öffnungen, insbesondere in der Krümmungszone dem aus der Verbrennung von Brennstoff
und Primärluft entstehenden brennenden Gasstrahl zugemischt. Diese Zumischung von
Sekundärluft mit hoher Geschwindigkeit in den in der Brennzone fließenden Gasstrom
hat die Wirkung, daß die Umlenkverluste sehr klein werden.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der
Erfindung dargestellt, dessen Aufbau nachstehend geschildert ist.
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Das Verdichterlaufrad 1 weist die bei Kleingasturbinen übliche einseitig
offene Bauart mit radialen Schaufeln und radialem Luftaustritt auf. Es ist auf der
Welle 2 befestigt, auf der auch das Turbinenlaufrad 3 fest aufgekeilt ist. Das Turbinenlaufrad
3 ist von der ebenfalls bei Kleingasturbinen häufig verwendeten Radialbauart. Es
ist aber auch möglich, ein Axialrad zu verwenden. Am Umfang 1 a des Verdichterlaufrades
1 ist das Leitrad 4 angeordnet, das eine axiale
Breite aufweist,
die etwa der Breite der Schaufeln 5 des Verdichterlaufrades 1 an deren Austrittskante
6 entspricht.
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Die Schaufeln 7 des Leitrades 4 sind so ausgebildet, daß die vom Verdichterlaufrad
1 geförderte Luft eine derartige Umfangskomponente erhält, daß die Gasteilchen auf
ihrem Weg durch die Brennkammer 8 einen Mindestumlaufwinkel von etwa 360° zurücklegen.
Die Brennkammer 8 ist in-einen Primärluftteil 9 und einen Sekundärluftteil 10 unterteilt.
Sie besteht aus einer im wesentlichen radialen Partie 11, an die sich eine einwärts
gekrümmte Krümmungszone 12 anschließt, die mit dem Turbinenleitrad13 in Verbindung
steht. Primärluftteil9 und Sekundärlufttei110 sind durch eine Trennwand 14 getrennt,
die im Bereich der Krümmungszone 12 Bohrungen 15 für den Eintritt der Sekundärluft
in die Brennzone aufweist. Die Trennwand 14 ist so angeordnet, daß der Sekundärlufttei110
eine kleinere axiale Breite erhält als das Leitrad 4. Der überstehende Teil des
Leitrades 4 bildet einen Ringspalt 16, aus dem die Primärluft in den Primärluftteil
9 eintritt.
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Am Radumfang 1 a sind die Brennstoffaustrittsbohrungen 17, die in
der Radscheibe 1 b verlaufen, angeordnet. Sie werden von einem Sammelraum 18 versorgt,
in den die nicht dargestellte Brennstoffzuführung mündet. Die Brennstoffaustrittsbohrungen
17 zielen in den Mischraum 19, der von der Leitraddeckscheibe 20 und der Brennkammerinnenwand21
gebildet wird. Dieser Mischraum steht über einen Drosselspalt22 mit dem Verdichteraustritt
6 in Verbindung, so daß in dem Mischraum nur eine schwache Luftströmung herrscht.
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Die Zündvorrichtung 23 befindet sich etwa an der Stelle, an der die
Primärluft mit dem Brennstoff zusammentrifft. Der Querschnitt des Primärluftteiles
9 in der Gegend der Zündvorrichtung 23 beträgt ein Mehrfaches des Querschnittes
des Spaltes 16. Er erweitert sich dann allmählich, aber weniger als der Volumenzunahme
durch die Verbrennung entspricht, so daß unter Berücksichtigung der Zumischung von
Primär- und Sekundärluft eine leicht beschleunigte Strömung zum Turbinenleitrad
13 hin entsteht. Der Abstand zwischen der Trennwand 14 der Brenukammeraußenwand
24 ist so gewählt, daß der Querschnitt des Sekundärluftteiles 10 gleichbleibt, so
daß die Sekundärluft die Geschwindigkeit, mit der sie aus dem Leitrad4 austritt,
im wesentlichen beibehält. Der Sekundärlufttei110 kann an seinem Eintritt mit Schaufeln
25 versehen sein und er läuft in einen Spalt 32 aus, aus dem ein schwacher Kühlluftstrom
tritt. Auf diese Weise wird die Außenwand 24 der Brennkammer 8 gekühlt. An der Innenwand
21 der Brennkammer 8 kann ein schwacher Kühlluftstrom vorbeigeführt werden. Die
Wand 21 soll jedoch eine im Hinblick auf die mechanische Beanspruchung noch vertretbare
möglichst hohe Temperatur haben, damit die Vergasung und dadurch die Zündung und
das schnelle Durchbrennen des eingeschleuderten Brennstoffes erleichtert werden.
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Die Arbeitsweise -ist wie folgt: Dem Verdichterlaufrad 1 strömt in
dem Einlauf 26 Luft zu, die von den Schaufeln 5 erfaßt und in das Leitrad 4 gefördert
wird. Hier wird ein Teil der Geschwindigkeitsenergie in Druck umgesetzt. Ein Teil
der geförderten Luft strömt als Primärluft durch den Ringspalt-16. Das Verhältnis
von Primärluftmenge zu Sekundärluftmenge richtet sich nach der gewünschten Endtemperatur
am Turbirienleitrad 13. Durch die im Strömungsweg auf den Ringspalt 16 folgende
Querschnittserweiterung des Primärluftteiles 9 wird dessen Geschwindigkeitsanteil
zum großen Teil in Druck umgesetzt. Durch den Spalt 22 strömt eine kleine Menge
Luft in den Mischraum 19, die sich mit dem aus den Brennstoffaustrittsbohrungen
17 austretenden Brennstoff mischt. Durch die Wärme der Wand 21 erfährt dieses Brennsto_
ffluftgemisch eine Aufbereitung, so daß es, wenn es in die Nähe der Zündvorrichtung
23 gerät, zündet und unter Volumenvergrößerung mit der Primärluft verbrennt. Die
Primärluft hat in der Umfangsrichtung noch eine derartige Geschwindigkeit, daß die
brennenden Gase in einer Spirale durch den Primärluftteil9 strömen und auf diese
Weise einen genügend großen Brennweg zurücklegen. Durch die Volumenvergrößerung
bei der Verbrennung entsteht eine leicht beschleunigte Strömung. Die Flammen prallen
an den gekrümmten Teil der Wand 14 und erfahren hier eine Umlenkung, welche die
Durchmischung begünstigt. Die Sekundärluft tritt durch die Öffnungen 15 ein und
kühlt die brennenden Gase auf eine für die Turbinenschaufeln erträgliche Temperatur
ab. Die heißen Gase durchströmen das Turbinenleitrad 13 und das Turbinenlaufrad
3, leisten dort Arbeit und treten an der Stelle 27 in den nicht gezeigten Abgasstutzen
aus.