DE3000614A1

DE3000614A1 - Turbomaschine

Info

Publication number: DE3000614A1
Application number: DE19803000614
Authority: DE
Inventors: Jean Michel Simon
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-01-15
Filing date: 1980-01-09
Publication date: 1980-07-17
Also published as: GB2040359A; FR2446384B1; FR2446384A1; GB2040359B; JPS55117035A

Description

17,8000 wonchen * 2 _# Januar 1980

35 949

Monsieur Jean Michel SIMON
86, rue de Chätillon
92140 CLAMART

"Turbomaschine"

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen eine Turbomaschine, die als Leistungs- und/oder Gasgenerator eingesetzt werden kann, und insbesondere eine Turbomaschine, die eine Wärmekraftmaschine mit kontinuierlicher Strömung bildet.

Wie schon bekannt besitzen die Turbomaschinen gegenüber den Herkömmlichen Wärmekraftmaschinen, die im allgemeinen Kolbenmaschinen sind, folgende Vorteile :

- geringes Gewicht/Leistungsverhältnis,

- geringes Platzbedarf/Leistungsverhältnis, und

- einfache Gestaltung„

Bekanntlich ist es bis jetzt noch nicht gelungen, Turbomaschinen geringer oder mittlerer Abmessungen zu bauen, und zwar aus folgenden Gründen :

- Die zur Zeit bekannten Turbomaschinen sind so ausgelegt, dass eine Verringerung ihrer geometrischen Abmessungen ihr Leistungsvermögen verschlechterte Man hat festgestellt, dass die Abhängigkeit dieser Maschinen von dem'Masstabverhältnis· den spezifischen Verbrauch verschlechtert und dass die Aufrechterhaltung ihrer Leistungen zu technologischen Bauschwierigkeiten führt, die den Vorteil des einfachen Aufbaus widersprechen.

- Diese Turbomaschinen sind den unteren.Teillastbereichen

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"bei dem Nennbetrieb, für welchen sie ausgestellt worden sind, schlecht angepasst.

- Die herkömmlichen Turbomaschinen, wie zum Beispiel Turbokompressoren bestehen im allgemeinen aus einem Axial- oder Kreiselverdichter mit Flügeln, die auf einem Rotor befestigt sind, welcher im Inneren eines Stators in Drehung versetzt wird, aus einem feststehenden Diffusor, der am Ausgang des Verdichters die Luftströmung verlangsamt und dabei ihren statischen Druch erhöht, aus einer feststehenden Verbrennungskammer, aus einem feststehenden Turbinenleitschaufelapparat sowie aus einer Turbine, die sich ihrerseits aus einem axialen Flügelrotor bzw. einem Rotor mit äusserer Beaufschlagung sowie aus einem Stator zusammensetzt. Die Ausbeute des wärmedynamischen Zyklus der Turbomaschinen ist eine steigende Funktion folgender Daten :

- Verdichtungsdruck : Verhältnis des Ausgangsdruckes des Verdichters zu seinem Eingangsdruck, und Temperatur der Gase stromaufwärts der Turbine, die gleichzeitig wächst ;

- Die polytropischen oder isentropischen Leistungen des Verdichters und der Turbine.

Die Verbesserung des Wirkungsgrades der Turbomaschinen hängt zwangsweise von der Verbesserung dieser Daten einzeln oder in Verbindung miteinander ab und stösst jedoch bei Turbomaschinen kleiner Abmessungen auf folgende Schwierigkeiten :

- die Erhöhung des Verdichtungsdruckes, die je Stufe erzielt werden kann, führt zu Überschallverdichter^ mit welchen man bis jetzt noch keinen ausgezeichneten Wirkungsgrad erzielen konnte ;

- die Erhöhung der Temperatur stromaufwärts der Turbine ist durch die Festigkeit der eingesetzten Werkstoffe sowie durch die nur schwierig baubare Kühlungsvorrichtungen kleiner Abmessungen begrenzt ;

- die Erhöhung des jeweiligen Wirkungsgrades der Bestandteile ist einerseits durch die Reibung der Luft auf die feststehenden Teile des Motors und andererseits durch die notwendig vorhandenen Spielräume, deren relative Grosse mit der Verringerung der Abmessungen der Maschine wächst, beschränkt.

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Man kennt ebenfalls Turbomaschinen grosser Leistung, die einen Verdichter mit drehbarem Aussenmantel und eine Turbine mit drehbarem Aussenmantel umfassen. äs handelt sich um einen Verdichter sowie um eine Turbine, deren Flügel im Bereich ihrer oberen Enden mit einer Rotationsfläche fest verbunden sind, die den drehbaren Aussenmantel bildet. DJ5se Turbomaschinen weisen ausserdem eine im wesentlichen zylindrische Verbindungsfläche auf, die die jeweiligen Aussenmantel des Verdichters und der Turbine verbindet und dabei mit letzteren eine kontinuierliche geschlossere und dichte Fläche bildet, um das Volumen des die Maschine durchströmenden Gasstromes radial zu begrenzen.

Wenn man eine derartige Turbomaschine geringer oder mittlerer Abmessungen herstellen will, muss die Verbindungsfläche im Stande sein, den mechanischen Beanspruchungen, welchen sie ausgesetzt wird und die hauptsächlich auf Zentrifugalkräfte zurückzuführen sind, sowie den Beanspruchungen thermischen Ursprungs, die sich daraus ergeben, dass eine der Seiten der Verbindungsfläche innerlich mit dem Strom der heissen Gase in Berührung steht, Widerstand zu leisten. Die Erzielung eines geringen spezifischen Verbrauchs bedingt ausserdem die Annahme einer hohen Umfangsgeschwindigkeit, welche ihrerseits mit dem Verdichtungsdruck des Zyklus in unmittelbarem Verhältnis steht. Die Umfangsge schwindigkeit ist in der Grössenordnung von 600 m/s. Da die durch die Zentrifugalkräfte ausgeübte mechanische Beanspruchung zu dem Quadrat der Umfangsgeschwindigkeit und zu der Dichte des in Drehung versetzten Materials proportional ist, versteht man, dass die Verbindungsfläche neben einem guten Temperaturverhalten einen hohen spezifischen Widerstand aufweisen soll (Verhältnis der mechanischen Festigkeit zu der Dichte des eingesetzten Materials).

Es ist zum Beispiel bekannt, dass mit einem in Drehung versetzten Zylinder, die theoterisch höchst zulässigen Umfangsgeschwindigkeiten für Leichtmetallegierungen und Titan 450 m/s betragen, für hochwertige Stähle zwischen 450 und 500 m/s liegen und für Verbundwerkstoffe wie zum Beispiel Harz-Kohlenstoffaser-Werkstoffe oder dergleichen in der Grössenordnung von 950 m/s liegen. So ist für Umfangsgeschwindigkeiten von mehr als 500 m/s

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eine einzige Möglichkeit gegeben und zwar den Einsatz eines Verbundwerkstoffes der genannten Art (mit Ausnahme von speziellen Legierungen, die nur schwierig herstellbar sind und in Bezug auf die Spaltfestigkeit Probleme stellen).

Die mechanischen Eigenschaften dieser Verbundwerkstoffe gehen jedoch mit der Erhöhung der Temperatur sehr schnell verloren, sodass diese Werkstoffe in Turbomaschinen, in welchen die Temperatur der heissen Gase 950 ⁰C erreichen kann, nicht eingesetzt werden können.

Ein Vorschlag zur Lösung dieses Problemes in der schon bekannten Technik besteht darin, dass die Verbindungsfläche, welche die drehbaren Aussenmäntel des Verdichters und der Turbine einer Turbomaschine verbindet, von einem feststehenden Aussenmäntel, in welchem ein hoher Gas- oder Flüssigkeitsdruck herrscht, umgegeben wird, damit die mechanischen Beanspruchungen, die auf die Verbindungsfläche durch diese hohen Umlaufgeschwindigkeiten ausgeübt sind, ausgeglichen werden. Unter diesen Bedingungen kann die Verbindungsfläche aus einem zur Zeit bekannten Material hergestellt werden.

Der Einsatz eines feststehenden Aussenmäntel, der mit unter Druck stehenden Gasen gefühlt ist, ist jedoch mit gewissen Nachteilen behaftet, und zwar bezüglich des Platzbedarfs, der gestellten Kühlungsprobleme, der Erhöhung der Herstellungskosten und insbesondere bezüglich der Dichtigkeit im Falle von Rotationsbewegungen, weger der sehr hohen Gas- oder Flüssigkeitsdrucke, die in dem feststehenden Aussenmäntel herrschen.

Die vorliegende Erfindung hat sich insbesondere zum Ziel gesetzt, die genannten Probleme in einfacheri wirksamer und nicht aufwendiger Weise zu losen und schlagt zu diesem Zweck eine Turbomaschine insbesondere geringer oder mittlerer Abmessungen vor, in welcher der feststehende Aussenmäntel entfällt und in welcher der Mediumgegendruck zum Ausgleich der durch die Verbindungsfläche aufgenommenen mechanischen Beanspruchungen Überflüssig ist_o

Zu diesem Zweck schlägt die vorliegende Erfindung eine

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Turbomaschine vor, die sich aus mindestens einem Kreisel- oder Axialverdichter mit einer als drehenden Aussenmantel bezeichneten Rotationsfläche bzw₀ mit eineη Rotor und ohne Stator, aus einer Turbine mit axialer Strömung oder mit äusserer Beaufschlagung ebenfalls mit drehenden Aussenmantel bzwc mit einem Rotor und ohne Stator sowie aus einer im wesentlichen zjrlinderförraigen Verbindungsfläche zusammensetzt, die die jeweiligen Aussenmantel des Verdichters und der Turbine verbindet und dabei mit letzteren eine kontinuierliche geschlossene und dichte Fläche bildet. Gemäss der vorliegende Erfindung ist diese Turbomaschine dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsfläche mit einer äusseren kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Verstärkung versehen ist, welche vorzugsweise aus einem Verbundmaterial mit hohen mechanischen Eigenschaften besteht„

Gemäss einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht die.Verbindungsfläche aus einer Metallwand, die der äusseren Verstärkung zugeordnet ist.

Gemäss noch einem Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Verbindungsfläche ausserdem mit einer Schicht aus Wärmeisolierendem Material versehen, die auf der Innenseite der Metallwand angeordnet ist, wobei die genannte Verbindungsfläche daneben zwischen der Metallwand und der genannten äusseren Verstärkung mit einem wärmeisolierenden Material versehen werden kann.

Die äussere Verstärkung kann aus einem faserigen Verbundmaterial mit hohem spezifischen Widerstand, wie zum Beispiel einem Graphit-Epoxyharz-Verbundmaterial oder einem Graphit-Polyimidharz-Verbundmaterial bestehen.

Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in welcher an Hand der beigefügten Zeichnungen verschiedene nicht einschränkende Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert werden*

Es zeigen :

- Figur 1 eine schematische Darstellung im längschnitt 030029/0853

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einer erfindungsgemässen Turbomaschine ;

- Figuren 2 bis 6 längsgerichtete Teilschnitte der verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemässen Verbindungsfläche ;

- Figur 7 einen Querschnitt gemäss der Linie VII-VII der Figur 6 ;

- Figur 8 eine Halbansicht im axialen Schnitt einer erfindungsgemässen Turbomaschine mit feststehender Verbrennungskammer ;

- Figur 9 eine Halbansicht im axialen Schnitt einer erfindungsgemässen Turbomaschine, bei welcher die Verbrennung der Gase in Wirbelströmung stattfindet ;

- Figur 10 eine Vorrichtung zur Zufuhr des Brennstoffes, wenn die Verbrennung in Wirbelströmung stattfindet ;

- Figur 11 einen Teilschnitt gemäss der Linie XI-XI der Figur 10 ;

- Figur 12 eine halbe Darstellung im Schnitt des Verdichters oder der Turbine der erfindungsgemässen Maschine, bei welcher beide Bestandteile des Verdichters oder der Turbine getrennt voneinander dargestellt sind ;

- Figur 13 eine schematische Darstellung im Längsschnitt einer Ausführungsvariante der erfindungsgemässen Turbomaschine.

Bezugnehmend auf Figur 1 ist im Längsschnitt eine Turbomaschine schematisch dargestellt, welche einen Motor nach der Lehre der Erfindung bildet. Die Verdichtungseinheit besteht aus einem Kreiselverdichter mit drehenden Aussenmantel, der einen Rotor 1, radial gerichtete.Flügel 2 und eine als drehenden Aussenmantel bezeichnete Rotationsfläche 3, die koaxial zu dem Rotor angeordnet ist, umfasst. Diese Bestandteile sind miteinander fest verbunden, damit sie zusammen in Drehung versetzt werden können. Die Turbine dieses Motors ist eine Turbine mit äusserer Beaufschlagung, die einen Rotor 7» radial gerichtete Flügel 6 sowie einen drehenden Aussenmantel 5 (Rotationsfläche) umfasst. Es wird darauf hingewiesen, dass gemäss der vorliegenden Erfindung Axialoder Kreiselverdichter bzw. Turbinen eingesetzt werden können.

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Eine Verbindungsfläche 4 verbindet den drehbaren Aussenmantel 3 des Verdichters mit dem drehbaren Aussenmantel 5 der Turbine kontinuierlich und dicht. Der Zv/ischenraum 8, welcher in Längsrichtung durch das Hinterteil des Verdichters und das Vorderteil der Turbine und in radialer Richtung durch die Verbindungsflache 4 begrenzt ist, dient zur Verbrennung d.er Gase, wobei die Verbrennung der Gase, wie es die Figur 8 zeigt, entweder in einer feststehenden Verbrennungskammer oder, wie es die Figur 9 zeigt, in Wirbelströmung stattfinden kann.. Der Gasstrom, der durch den Motor fliesst, wird auf diese Weise im Bereich des Verdichters durch den drehenden Aussenmantel 3, im Bereich der Verbrennungskammer durch die Verbindungsfläche 4 und im Bereich der Turbine durch den drehenden Aussenmantel 5 in radialer Richtung begrenzt.

Wie schon erwähnt liegt die hauptsächliche Schwierigkeit bei einem Motor dieser Art in der Gestaltung der Verbindungsfläche 4, die innenseitig mit den heissen Gasen in Berührung steht und daneben Zentrifugalkräften standhalten soll.

Vorzugsweise ist eine erfind.ungsgemässe Turbomaschine so ausgelegt, dass der Strom der heissen Gase, der durch die Turbomaschine strömt, im Vergleich zu der Verbindungsfläche eine geringe relative Geschwindigkeit aufweist.

Die Umfangsmässige Komponente der relativen Geschwindigkeit des Stromes der heissen Gase in Bezug auf die Verbindungsfläche ist gleich null, da der Gasstrom nicht verlangsamt wird. Die relative Geschwindigkeit des Stromes der heissen Gase in Bezug auf die Verbindungsfläche ist ausschliesslich auf die axiale Strömungsgeschwindigkeit zurückzuführen, wobei diese Geschwindigkeit dadurch geringt zum Beispiel in der Grössenordnung von 20 m/s gewählt werden kann, dass der stirnseitige Querschnitt, der dem Gasstrom am Ausgang des Verdichters und am Eingang der Turbine zur Verfügung gestellt wird, erhöht wird. Unter diesen Bedingungen und unter Berücksichtigung der hohen Umfangsgeschwindigkeit des Motors, die zum Beispiel in der Grössenordnung von bOO m/s liegt, ist der itfärmeaustauschkoeffizient wesentlich stärker an der kalten als an d6r heissen Seite. Die relative Strömung der verhältnismässig kalten Umgebungsluft an der Aussenseite der Verbindungs-

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fläche findet mit hoher Geschwindigkeit statt, sodass die Verbindungsfläche intensiv gekühlt wird. Aus diesem Grund können für diese Verbindungsfläche Verstärkungswerkstoffe eingesetzt werden, die nicht unbedingt ein gutes Temperaturverhalten besitzen„

Die Figuren 2 bis 6 sind Teillängsschnitte verschiedener Ausführungsvarianten der erfindungsgemässen Verbindungsfläche, die den vorgenannten Peststellungen entsprechend aufgebaut sind.

Die Verbindungsfläche 4 umfasst in Figur 2 eine Metallwand 4A, die innenseitig mit dem Strom der heissen Gase unmittelbar in Berührung steht und deren mechanischen Widerstand gegenüger Zentrifugalkräften durch aussere Bewegungsbänder 4C aus Verbundmaterial gesichert wird, wobei Ringe 4B aus wärmeisolierendem Material zwischen der nach aussen gerichteten Fläche der Metallwand 4A und den Bewehrungsbändern 4C vorgesehen sind.

Die Metallwand 4A besteht zum Beispiel aus einem dünnen Blech mit einer Stärke von zum Beispiel 0,6 mm aus Aluminium- oder Titanlegierung, während die Ringe 4B aus wärmeisolierendem Material aus Glaskeramik bestehen und eine Stärke von etwa 0,2 mm besitzen. Die Bewehrungsbänder 4C können aus einem Kohlenstoff-Faser-Epoxyharz- oder Polyimidharz-Verbundmaterial bestehen, ΐ/obei die jeweiligen Faser gegenseitig einen Abstand von einigen Millimetern aufweisen und eine Stärke von zum Beispiel 6 bis 7 Millimetern besitzen.

Unter diesen Bedingungen wird die Metallwand 4A, die durch ihre äussere Fläche mit der Umgebungsluft in Berührung steht, stark abgekühlt und in einem Temperaturbereich eingesetzt, bei welchem ihre mechanischen Eingenschaften, insbesondere im Falle von Titanlögierungen durch die äussere diskontinuierliche, durch Bewehrungsbänder 4C gebildete Verstärkung aufrecht erhalten sind· Andererseits wird durch die Metallwand 4A dem Verbundmaterial, aus welchem die Bewehrungsbänder 4C bestehen, ein nur geringer Wärmestrom übertragen, da bei dieser Ausführungsform isolierende Ringe 4b vorgesehen sind.

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Bei den Ausführungsvarianten der Erfindung, die in Figuren 3 und 4 gezeigt sind, umfasst die Verbindungsfläche 4 eine Schicht aus wärmeisolierendem Material, eine Metallband und eine äussere kontinuierliche oder diskontinuierliche Verstärkung aus Verbundmaterial, die jeweils aufeinander folgend angeordnet sind.

In Figur 3 umfasst die Verbindungsfläche 4 eine untere Schicht 4D aus dem vorgenannten wärraeisolierenden Material, die vorgenannte Metallwand 4A sowie eine äussere kontinuierliche Verstärkung 4C, die durch eine Schicht aus dem vorgenannten Verbundmaterial gebildet ist.

Bei der Ausführungsvariante der Figur 4 setzt sich die Verbindungsfläche 4 aus der unteren Schicht 4D aus wärmeisolierendem Material, aus der Metallwand 4A sowie aus einer äusseren diskontinuierlichen Verstärkung 4F aus dem vorgenannten Verbundmaterial zusammen, wobei letztere durch in Abstand voneinander aig=crt!nete Bewehrungsbänder gebildet ist.

Bei den Ausführungsformen der Erfindung, die in Figuren 3 und 4 dargestellt sind, dient das wärmeisolierende Material 4D nicht zur übertragung von Kräften, wie das bei der Ausführungsform der Figur 2 der Fall ist, und kann demzufolge aus einem isolierenden Werkstoff ahne besondere mechanische Eigenschaften bestehen.

Bei der Ausführungsform der Figur 5 besteht die Verbindungsfläche 4 aus der Metallwand 4A sowie aus der äusseren kontinuierlichen Verstärkung 4E der Figur 3, wobei die Metallwand 4A äusserlich mit Metallvorsprüngen 4G versehen ist, welche mindestens teilweise in das Verbundmaterial, aus welchem die äusflere Verstärkung 4E besteht, hinein dringen. Durch diese Anordnung, wird die Wärmeleitfähigkeit der Verbindungsfläche und daher ihre Kühlung verbessert, ohne dass dabei ihr mechanischer Widerstand verringert wird· Dieser mechanische Widerstand ist durch die äussere Verstärkung 4E gesichert, wobei seine Merkmalen durch das Vorhandensein der Metallvorsprünge 4G nicht beeinflusst werden.

Gemäss noch einem Merkmal der vorliegenden Erfindung

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"besteht die Verbindungsfläche aus einer im wesentlichen zylinderförmigen Wand aus wärmeisolierendem Material sowie aus einer äusseren, kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Verstärkung aus Verbundwerkstoff mit hohem spezifischem Widerstand.

Gemäss noch einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemässen Verbindungsflache 4 kann eine Abschirmung bzw. ein Schutzelement im wesentlichen koaxial zu der Verbindungsfläche angeordnet werden, wobei dieses Schutzelement auf der Innenseite der Verbindungsfläche über in Längsrichtung angeordnete Stege eingebaut wird. Dieses Schutzelement dient zur Herabsetzung des Wärmeaustausches durch Abstrahlung und Konvektion mit der Innenseite der Verbindungsfläche. Dadurch,dass die Stege in Längsrichtung angeordnet sind, entstehen zwischen letzteren Zwischenräume, in welchen ein l'eil der am Ausgang des Verdichters entnommenen Luft fliesst und dabei das Schutzelement und die Verbindungsfläche abkühlt_o

Diese Ausführungsvariante ist in Figuren 6 und 7 gezeigt. In diesem Fall umfasst die Verbindungsfläche 4 eine innere Metallwand 4H, die als Wärme schutzfläche dient, eine z\»/ischenliegende Wand 41 aus wärmeisolierendem Material soAvie eine äussere kontinuierliche oder diskontinuierliche Verstärkung 4J aus dem vorgenannten Verbundwerkstoff. In dem wärmeisolierenden Material 41 sind längsgerichtete Kanäle 4K vorgesehen, um die Zirkulation der am Ausgang des Verdichters entnommenen Kühlungsluft zu ermöglichen, wobei diese Kanäle durch untere Rippen 4L aus wärmeisolierendem Material, die als Stege dienen, in Abstand voneinanda? angeordnet sind. Diese Rippen dienen zur Übertragung der Zentrifugalkräfte der Metallwand 4H auf den mechanisch festen Abschnitt 4J der Verbindungsflache»

Zur Diffusion der Luft der Kanäle 4K in Richtung auf das Innere des Motors und demzufolge zur Erhöhung des thermischen Schutzes der Metallwand 4Ή mitfc Hilfe eines oberflächigen Luftfilmes können in der Metallwand 4H zusätzlich Löcher 4M vorgesehen werden. In einer abgewandelten Ausführungsform können die Kanäle in dem wärmeisolierenden Material, zum Beispiel Glaskeramik durchgebohrt werden, sodass die Metallwand 4H dann überflüssig ist«,

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Selbstverständlich können die Mittel zur mechanischen Verstärkung und zum thermischen Schutz der Verbindungsfläche, die in Figuren 2 bis 7 beschrieben sind, in Abhängigkeit von den Bearbeitungs- und Montagebedingungen örtlich unterbrochen werden.

Man wird nun in Bezug auf Figur 8 eine erfindungsgemässe Turbomaschine mit einer feststehenden Verbrennungskammer beschreiben.

In einer erfindungsgemässe Turbomaschine wird bekanntlich durch das Nichtvorhandensein eines Diffusors der statische Druck der Verbrennungsluft und demzufolge der Wirkungsgrad des thermodynamischen Zyklus in nachteilhafter Weise herabgesetzt. Durch die folgenden Vorteile wird jedoch dieser Nachteil weitgehend ausgeglichen :

- Erhöhung des jeweiligen Wirkungsgrades des Verdichters und der Turbine, wie das schon erklärt wurde ;

- die erfindungsgemässe Turbomaschine läuft wesentlich schneller als die herkömmlichen Maschinen, sodass der Verdichtungsdruck erhöht wird ;

- Erhöhung der Temperatur der Gase stromaufwärts der Turbine durch die intensive Kühlung des Motors.

Zur Verbesserung des thermodynamischeη Zyklus kann jedoch die Verbrennung erst nach Wiederkomprimierung des aus dem Verdichter auslaufenden Stromes stattfinden, wobei diese Wiederkomprimierung ohne Stosswelle vor sich geht. Es ist tatsächlich bekannt, dass die Verluste durch Stosswellen gleichzeitig wie die Machsehe Zahl der Strömung wächst. Die Machsche Zäil kann durch die Erhöhung der Temperatur der Gase (M = V/ Vy r t) verringert werden, wenn die Strömungsgeschwindigkeit konstant gehalten ist. Eine erfindungsgemässe Vorrichtung, die in Figur 8 gezeigt ist, bringt diese Feststellung zum Einsatz, sodass die Verbrennung beim statischen Druck stattfinden kann, ohne dass StossweIlen während der Wiederkomprimierung der Gase entstehen

Die in Figur 8 gezeigte Verbrennungskammer ist demnach feststehend angeordnet und besitzt etwa eine Rotationsform.

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Diese Verbrennungskammer ist an ihrem Oberteil mit einer oder mehreren Luftfangstellen versehen, die von dem aus dem Verdichter auslaufenden Gasstrom gespült werden, wobei jede Luftfangstelle so angeordnet ist, dass sie ein Teil des Gasstromes fängt und es in die Verbrennungskammer einspeist. Zu diesem Zweck weist die Verbrennungskammer mindestens eine Öffnung zur Wiedereinspeisung der Verbrennungsgase stromaufwärts der jeweiligen Luftfangstellen auf. Die Erhöhung der Temperatur des auf die Luftfangstellen einfallenden Gasstromes ermöglicht eine Herabsetzung der Machsche Zahl der Strömung in diesem Bereiche

Die in Figur 8 gezeigte Turbomaschine setzt sich aus den schon beschriebenen Elementen, d.h. für den Verdichter aus dem Rotor 1, den Flügeln 2, dem drehenden Aussenmantel 3 (Rotationsfläche) und für die Turbine aus dem Rotor 7, den Flügeln 6 und dem drehenden Aussenmantel 5 (Rotationsfläche) sowie aus der Verbindungsfläche 4, die zwischen den jeweiligen Aussenmänteln des Verdichters und der Turbine angeordnet ist, zusammen. Die feststehend Verbrennungskammer 8 ist nach innen durch eine zylinderförmige Wandung 14, nach aussen durch eine Wandung 9 und in Längsrichtung durch die quergerichteten Wandungen, welche mit den Wandungen 9 und 14 eine Verbindung herstellen, begrenzt. Luftfangstellen 10 in Form von Schöpfkellen sind an der Aussenseite der Wandung 9 vorgesehen, um ein Teil des aus dem Verdichter auslaufenden Gasstromes aufzufangen und es in eine Beruhigungskammer 11, die an der Innenseite der Wandung 9 angesetzt ist, wieder einzuspeisen. Diese Beruhigungskammer 11 steht über Bohrungen 11 mit der eigentlichen Verbrennungskammer 8 in Verbindung. Öffnungen 13 sind stromaufwäris der Luftfangstellen 10 in der Aussenwandung 9 vorgesehen, um die aus der Kammer 8 entweichenden Verbrennungsgase in den aus dem Verdichter auslaufenden Gasstrom wieder einzuspeisen.

Die Figur 8 zeigt ebenfalls die Befestigung der Verbindungsflache 4 auf den jeweiligen Aussenmänteln 3 und 5 des Verdichters und der Turbine mit Hilfe von Schrauben 15 und 16, wobei im Bereich der Befestigungsstellen 15 und 16 äussere Verstärkungselemente 17 und 18 vorgesehen sind. Diese Turbomaschine, die für besonders hohe Drehgeschwindigkeiten ausgelegt ist, ist ausserdem auf selbgespeisten Gaslagern 19 und 20 oder magnetischen

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Lagern abgestützt. Die Mittel zur Kompressierung des axialen Druckes sind in den Zeichnungen nicht dargestellt.

Gemäss einer anderen Ausführungsvariante der erfindungsgemässen Turbomaschine kann die Verbrennung auch dann stattfinden, wenn die Strömung am Ausgang des Verdichters nicht verlangsamt ist (Wirbelströmung).

Diese Ausführungsvariante der Erfindung ist in Figur 9 schematisch dargestellt. In diesem Fall kann der Motor dadurch kompakt gebaut werden, dass die jeweiligen Rotoren des Verdichters und der Turbine fest verbunden werden, wobei die Verbrennung dann in dem zwischen dem Verdichter und der Turbine übrigbleibenden Raum vor sich geht.

Die Verbrennungskammer 8 ist daher radial nach Innen durch die Verbindungsfläche 4 sowie durch das Metallstück 21, welches die Rotoren 1 und 7 des Verdichters und der Turbine miteinander verbindet, begrenzt. Der Brennstoff kann an der Einlassseite des Verdichters in Form von Gas eingespeist werden, um sich mit der durch den Verdichter angesaugten Luft zu mischen. Der Motor besitzt in diesem Fall keine axiale Durchführung für die Zufuhr des Brennstoffes oder für das Zündungssystem, sodass die in Drehung versetzten Bestandteile überhaupt nicht abgeschwächt werden. Die Zündung kann mit Hilfe von Windungen, die in einem magnetischen Feld eingeschlossen sind und einen elektrischen Bogen speisen, oder durch äussere elektrische Kontakte oder noch durch ein piezoelektrisches System ausgelöst werden. Der Rotor 1 des Verdichters, das Verbindungsstück 21 und der Rotor 7 der Turbine können aus einem Stück ausgearbeitet werden, damit die Betriebstemperatur des Verbindungsstückes und des Rotors 7 der Turbine herabgesetzt werden, wenn durch Wärmeaustausch durch Konvektion mit der Ansaugluft und / oder der Umgebungsluft im Bereich des Rotors 1 des Verdichters das Verbindungsstück 21 gekühlt wird.

Im Falle einer Verbrennung durch Wirbelströmung, wie das an Hand der Figur 9 erläutert wurde, wenn der Brennstoff im Form von Gas an der Einlassseite des Verdichters eingelassen wird, kann es von Vorteil sein, die Strömung, die sich aus dem Brennstoff und

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zu dessen Verbrennung notwendigen Luft zusammensetzt, von dem überflüssigen angesaugten Luftstrom zu trennen, damit im Bereich der Verbrennungskammer diese Strome getrennt voneinander eingelassen werden_o Der Strom der überschüssigen Luft wird am Umfang der Verbrennungskammer eingelassen, während die Strömung des Luft- Brennstoff gemische s weiter Tinten in Richtung auf das Innere des Motors zugeführt wird, damit das Gemisch ausreichend reich bleibt und damit der Strom der überschüssigen Luft zum thermischen Schutz der Aussenwandung eingesetzt wird. Der Strom der überschüssigen Luft kann in vorteilhafter Weise zum Beispiel im Bereich der Mündungen der Kanäle 4K der in Figuren 6 und 7 gezeigten Verbindungsfläche eingelassen werden.

Die Figuren 10 und 11 zeigen eine derartige erfindungsgemässe Vorrichtung, bei welcher der Rotor 1 des Verdichters mit im wesentlichen radial gerichteten Kanälen 29 versehen ist, welche an ihrem oberen Bereich durch ein dünnes, dicht auf dem Rotor 1 befestigtes Blech 22 verschlossen sind, sodass das Brennstoff-Luftgemisch im Bereich der Kanäle 29 eingelassen und die überschüssige Luft in den zu diesem Zweck vorgesehenen Raum zwischen den Flügeln 2 und dem drehenden Aussenmantel 3 des Verdichters unter normalen Bedingungen angesaugt wird. Die Kanäle 29 enden am Ausgang des Verdichters radial an einem unteren Niveau, damit die Verbrennung nicht gegen die angrenzende Wandung stattfindet und damit das Gemisch ausreichend reich bleibt.

Die Figur 10 zeigt ein Zundungssystem mit Windungen 25 aus elektrischleitendem Material, die zum Beispiel auf der Aussenfläche des drehenden Mantels 3 des Verdichters angeordnet und dazu bestimmt sind, in ein magnetisches Feld, welches in der Zeichnung durch den Magnet 2ό angedeutet ist, gebracht zu werden₀ Die Windungen 25 sind über Leitungen 27 mit zwei Elektroden 28 verbunden, die in der Verbrennungskammer 8 etwas über die Mündung der Kanäle 21 angeordnet sind. Die Zündung des brennbaren Gemisches wird durch einen elektrischen Bogen zwischen den Elektroden 28, wenn die Windungen 25 das magnetische Feld schneiden, hervorgerufene

Die Figur 12 zeigt eine besonders einfache Äusführungsform der Erfindung, welche die- Herstellung des Verdichters oder

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der Turbine der erdindungsgemasse Turbomaschine erleichtert. In diesem Fall besteht der Rotor 1 oder 7 des Verdichters oder der Turbine aus einer vollen Scheibe, in welcher radiale Nuten gefräst sind, wobei dieser Rotor ein im wesentlichen konisches Teil 23 aufweist, in welchemeine Bohrung 24 vorgesehen ist. Das andere Teil des Verdichters oder der Turbine besteht aus einem entsprechenden einzusetzenden Teil, welches in dem vorgenannten Teil eindringt und auf letzterem starr befestigt wird, wobei dieser einsetzbare Teil des Verdichters oder der Turbine sich aus dem entsprechenden drehenden Aussenmantel, aus den Flügeln 2 oder 6 sowie aus einer zentralen Nabe zusammensetzt, wobei letztere im Bereich des konischen Teils 23 und der Bohrung 24 einrasten. Durch diese Struktur sind die jeweiligen Bestandteile einfach herzustellen, wobei in vorteilhafter Weise die mechanischen Beanspruchungen der Bestandteile verteilt sind, sodass letztere aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen können. Dabei ist der drehende Aussenmantel 3 am stärksten mechanisch beansprucht, da er mit einer grossen mittleren Bohrung versehen ist- und kann aber besonders gut gekühlt werden, während der Rotor 1 nicht so stark beansprucht wird aber einewesaitlich höhere Temperatur aufweist (im Bereich der Turbine).

Die Figur 13 zeigt schliesslich in schematischer Weise ein ergänzendes Merkmal der vorliegenden Erfindung, bei welchem die drehenden Aussenmantel 3 und 5 des Verdichters und der Turbine sowie daß Verbindungsfläche 4 koaxial durch eine feststehende Aussenummantelung 30, die an ihren längsgerichteten Enden 31 und 32 offen ist, umgegeben sind. Diese Aussenummantelung 30 hat die Aufgabe, die Erneuerung der die Turbomaschine umgebende Luft zu beschränken, damit die in der Ummantelung 30 eingeschlossene Luft in Drehung versetzt werden kann, wenn die Turbomaschine funktioniert, und damit dabei dieser Luft eine Umfangsgeschwindigkeit erteilt wird, die etwa die Hälfte der Umfangsgeschwindigkeit der Turbomaschine beträgt. Die relative Geschwindigkeit zwischen den Aussenwandungen der Turbomaschine und der Umgebungsluft ist durch zwei geteilt und das Reibungsmoment zwischen den Aussenwandungen der Turbomaschine und der Umgebungsluft ist ebenfalls durch zwei geteilt. So wird die durch die Reibung der Umgebungsluft auf die Aussenwandungen der Turbomaschine aufgenommene Leistung wesentlich verringert.

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Andererseits und in überraschender Weise ist die Wirksamkeit der Kühlung der Verbindungsfläche 4 zumindest behalten oder sogar verbessert. Die Kühlung hängt von zwei hauptsächlichen Faktoren ab : von dem Koeffizient des Wärmeaustausches und von dem Temperaturgefälle zwischen der Aussenwandung und der Umgebungsluft. Der Wärmeaustauschkoeffizient verändert sich im wesentlichen wie die relative Geschwindigkeit und wird demzufolge etwa durch zwei geteilt, wenn die Umgebungsluft mit einer Geschwindigkeit mitgenommen wird, welche die Hälfte der Umfangsgeschwindigkeit der Wandung beträgt. Im Gegensatz dazu verändert sich die Temperatur der Umgebungsluft wie das Quadrat der relativen Machsch Zahl. .Die Temperatur beträgt etwa 50 ⁰C, wenn die Luft mitgenommen wird, und liegt in der Grössenordnung von 150 ⁰C, wenn die Luft im Ruhezustand ist. Die höchstzulässige Temperatur der Wandung liegt in der Grössenordnung von 250 ⁰C, sodass das mögliche Temperaturgefälle gegenüber der Umgebungsluft im ersten Fall 200 ⁰C und im zweiten Fall 100 ⁰C beträgt. Der Verlust gegenüber dem Wärmeaustauschkoeffizient ist demzufolge in weitem Masse durch den im Bezug auf das Temperaturgefälle erzielten Gewinn ausgeglichen, sodass die Wirksamkeit der Kühlung noch verbessert wird.

Gemäss der vorliegenden Erfindung können noch zwischen dem drehenden Aussenmantel 3 des Verdichters und der Aussenummantelung 30 Verdichterflügel 33 vorgesehen, die auf dem drehbaren Aussenmantel 3 des Verdichters angeordnet sind, wobei zwischen dem drehenden Aussenmantel 5 der Turbine und der Aussenummantelung 30 ebenfalls Turbinenschaufel 34 vorgesehen v/erden können, die auf dem drehenden Atassenmantel 5 angeordnet sind. Die radiale Höhe dieser Flügel bzw» Schaufel kann so ausgelegt werden, dass man zwischen der Aussenummantelung und der Luftströmung die gewünschte relative Geschwindigkeit erzielt. Die durch die Flügel bzw· Schaufel hervorgerufene Strömung, die im Inneren der Aussenummantelung 30 in Drehung versetzt wird, kann am Ausgang der Ummantelung 30 aufgefangen werden, um Energie zu erzeugen, insbesondere um die Ausgangsleistung der Turbomaschine zu erhöhen. Mit dieser Anordnung kann daher ein wesentliches Teil der Energie, die sonst durch die Turbomaschine wegen der Reibung ihrer Aussenwandungen mit der Umgebungsluft verloren geht, zurückgewonnen werden.

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Man möchte noch bemerken, dass in der Verbrennungkammer·, die durch Wirbelströmung betrieben wird und in Figur 9 gezeigt ist, Mittel zur Stabilisierung der Flamme vorgesehen werden können, die zum Beispiel aus einem im wesentlichen ringförmigen Element 55 aus offenzelligem unbrennbaren Schaummaterial bestehen, wobei dieser Werkstoff ein Kohlenstoff- oder graphithaltiger, offenzelliger Polyurethan-Schaum sein kann, der anschliessend mit einem Antioxydans (Carbid oder Metallisierung) beschichtet wird, sodass die Verbrennung in einem örtlich begrenzten Bereich ausserhalb der Wirkung von Turbulenzen stattfinden kann.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE V U U U O I H

Cyi- Turbomaschine, die sich aus mindestens einem Kreisel- oder

Axialverdichter mit drehendem Aussenmantel (Rotationsfläche) bzw. mit einem Rotor und ohne Stator, aus einer Turbine mit axialer Strömung oder äusserer Beaufschlagung mit drehendem -Aussenmantel (Rotationsfläche) bzw. mit einem Rotor und ohne Stator, sowie aus einer im wesentlichen zylinderförmigen Verbindungsfläche zusammensetzt, die die ö^eweüig^en Aussenmantel des Verdichters und der Turbine verbindet und dabei mit letzteren eine kontinuierliche, geschlossene und dichte Fläche bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsfläche 4 mit einer äusseren kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Verstärkung versehen ist, welche vorzugsweise aus einem Verbundmaterial mit hohen mechanischen Eigenschaften besteht.

2,- Turbomaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsfläche 4 aus einer Metallwand 4A besteht, die der äusseren Verstärkung zugeordnet ist₀

3.- Turbomaschine nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsfläche 4 ausserdem mit einer Schicht 4D aus wärmeisolierenden Material versehen ist, die auf der Innenseite der Metallwand 4A angeordnet ist.

4,- Turbomaschine nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsfläche 4 ausserdem zwischen der Metallwand 4A und der genannten äusseren Verstärkung 4E mit einem wärmeisolierenden Material versehen ist.

5.- Turbomaschine _nach einem der Ansprüche 2 bis 4 dadurch gekennze ichnet, dass die Metallwand 4A mit äusseren Vorsprüngen oder Stacheln 4G aus Metall versehen ist, die mindestens teilweise in die äussere Verstärkung hinein dringen.

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6ο- Turbomaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsfläche 4 sich aus einer im wesentlichen zylinderförmigen Wand aus wärmeisolierendem Material sowie aus der genannten kontinuierlichen und im wesentlichen zylinderförmigen äusseren Verstärkung zusammensetzt.

7.- Turbomaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsflache 4 eine innere Schutzwand 4H umfasst, die mit letzterer fest verbunden ist und auf diese Weise Kanäle 4K für die Zirkulation der Luft, die am Ausgang des Verdichters 1 entnommen wird, begrenzt.

8,- Turbomaschine nach Anspruch 7 dadurch ge ken nze ichnet, dass die Schutzwand 4H mit Löchern 4M zur Diffusion der Kühlungsluft durchgebohrt ist.

9.- Turbomaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Ver-' brennungskammer 8 mit Wirbelströmung betrieben wird und dass sie radial durch die Verbindungsfläche 4 sowie durch ein Verbindungsstück 21, welches mit den Rotoren 1 und 7 des Verdichters und der Turbine zusammen dreht, und axial durch die jeweiligen Rotoren des Verdichters und der Turbine begrenzt ist.

10,- Turbomaschine nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor 1 des Verdichters mit Kanälen 29 zur Zufuhr des brennbaren Gemisches in die Verbrennungskammer 8 versehen ist_o

11.- Turbomaschine nach Anspruch 9 oder 10 dadurch gekennze ichnet, dass der Brennstoff in Form von Gas oder Nebel an der Ansaugseite des Verdichters zugeführt wird.

12,- Turbomaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskammer 8 eine Vorrichtung zur Stabilisierung der Flamme besitz, die

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zum Beiopiel durch ein Element aus offenzelligen Schaummaterall gebildet ist.

13.- Turbomaschine nach einem der Ansprache 1 bis 8 dadurch gekennze ichnet, dass die Verbrenmm£skammer 8 drehfest eingebaut und in dem Raum, der axial durch die Rotoren 1, 7 des Verdichters und der Turbine und radial durch die genannte Verbindungsfläche 4 begrenzt ist, angeordnet ist, wobei dfee Kammer im -wesentlichen zylinderförmig ausgeführt ist und auf ihrer Aussenwand eine oder mehrere Luftfangstellen 10, die von dem Gasstrom des Verdichters gespüllt werden, sowie mindestens eine Öffnung 13 aufweint, welche stromaufwärts der Luftfangstelle 10 angeordnet ist und zur ¥iedereinspeisung der Verbrennungsgase in den Gasstrom dient.

14. Turbomaschine nach einem der vorangehendem Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Zündung des brennbaren Gemisches mit Hilfe eines piezoelektrischen oder elektromagnetischen Systems herbeigeführt wird„

15. Turbomaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass sie ausserdem mit einer feststehenden Aussenummantelung 30 versehen ist, welche die jeweiligen drehenden Aussenmäntel (Rotationsflachen) 3, 5 des Verdichters und der Turbine sowie die genannte Verbindungsfläche 4 umschliesst und die an ihren längsgerichteten Enden offen ist.

16,- Turbomaschine nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel 33, 34 des Verdichters und der Turbine im wesentlichen zwischen ihren jeweiligen Aussenmänteln 3, 5 und der feststehenden Aussenummantelung 13 vorgesehen sindo

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