DE1426265B2

DE1426265B2 -

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Publication number: DE1426265B2
Application number: DE19621426265
Authority: DE
Priority date: 1962-03-12
Filing date: 1962-03-12
Publication date: 1970-04-09
Also published as: NL6409892A; DE1426265A1; NL139032B

Description

Wirkungsgrad innerhalb eines weiten Drehzahlbereichs, so daß sich das mechanische Zusatzgetriebe erübrigt oder zumindest stark vereinfachen läßt.

Zum weiteren Verständnis der Erfindung dient die folgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Zusammenhang mit den Figuren.

F i g. 1 ist ein schematischer Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage, bei dem nur

F i g. 2 zeigt die Geschwindigkeitsdiagramme für den Austritt des Leitrades entsprechend verschiedenen Betriebszuständen;

Fig. 3 stellt eine dazugehörige Verlustkurve dar.

Die in Fig. 1 dargestellte Gasturbinenanlage besitzt einen Verdichter K, eine Brennkammer BK und eine Verdichterturbine KT, welche zusammen den Gaserzeuger der Anlage bilden. Das die Turbine KT

dichter, Verdichterturbine und gegebenenfalls Nutz- io momentübersetzung zu erhalten. Die einstellbaren leistungsturbine oder Teile derselben durch Differen- drei Betriebszustände ergeben zudem einen hohen tialgetriebe, Freilaufkupplungen u. dgl. miteinander
in Verbindung stehen bzw. zu bringen sind. Insbesondere ist bereits eine Gasturbinenanlage bekanntgeworden, die außer einer Verdichterturbine eine 15
Nutzleistungsturbine mit gegenläufig drehbaren Leiturid Laufschaufelkränzen besitzt, die miteinander
über ein Additionsgetriebe verbunden sind, von dem
die Nutzleistung abgeleitet wird. Vorzugsweise besteht dieses Additionsgetriebe in einem Planeten- 20 die oberhalb der Mittelachse liegende Hälfte dargetriebe, dessen Sonnenrad bzw. Außenzahnkranz gestellt ist; mit den beiden Schaufelkränzen und dessen die Planetenräder tragender Steg mit der Abtriebswelle verbunden ist. Der eine oder der andere der beiden
Schaufelkränze kann dabei gebremst werden. Diese 25
und weitere der bekannten Anlagen erlauben es, die
Drehrichtung der Abtriebswelle zu verändern und/
oder das Anfahrdrehmoment bzw. den Anfahrwirkungsgrad der Turbine zu erhöhen.

Aufgabe der Erfindung ist es hingegen, über einen 30 verlassende Gas tritt in eine Nutzleistungsturbine mit weiten Drehzahlbereich einen wirtschaftlichen Be- einem drehbaren Leitrad D und einem Laufrad T ein. trieb der Anlage und ein hohes Drehmoment dadurch Das Leitrad D wird von einer Hohlwelle 1 getragen, zu erzielen, daß vor allem die Anströmverhältnisse und das Laufrad T ist auf einer Welle 2 angeordnet, des Laufrades der Nutzleistungsturbine bei praktisch die durch die Hohlwelle 1 geführt ist. Bei dem darallen vorkommenden Drehzahlen desselben günstig 35 gestellten Ausführungsbeispiel ist die Anlage mit gestaltet werden, d. h., daß der Anströmwinkel in Anzapfschlitzen SP zum Abblasen von Luft und Gas relativ engen Grenzen konstant gehalten wird.

Es ist bereits bekannt, zu diesem Zweck den
Schaufelwinkel eines ruhenden Leitrades verstellbar
zu machen, doch erfordern solche Turbinen immer 40
noch das übliche verhältnismäßig aufwendige mechanische Zusatzgetriebe, um unter tragbarem Wirkungsgrad einen verhältnismäßig weiten Drehzahlbereich
an der Abtriebswelle erreichen zu können — von
der Umschaltmöglichkeit für Vorwärts- und Rück- 45 eines Zahnradgetriebes, das weiter zwei Zahnwärtsfahrt ganz abgesehen. kränze 5 und 6, ein Zwischenrad 7 und ein Zahnrad-

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß in- paar 8 besitzt, die auf einem gemeinsamen, festdessen dadurch gelöst, daß insgesamt drei Betriebs- stehenden Steg gelagert sind. Das Zahnradpaar 8 zustände zur Auswahl stehen, bei deren jedem gün- besteht aus zwei fest miteinander verbundenen Zahnstigste Anströmverhältnisse des Turbinenlaufrades 50 rädern 8« und 8b mit unterschiedlichem Durchmesvorliegen. Die erfindungsgemäße Gasturbinenanlage ser, wobei das Zahnrad 8a mit dem größeren Durchist dadurch gekennzeichnet, daß mit der Übertra- messer sowohl mit dem zweiten Ritzel 4 als auch gungseinrichtung bzw. mit dem Leitrad der Nutz- mit dem Zwischenrad 7 kämmt. Das Zwischenrad 7 leistungsturbine ein Freilauf, eine Bremse und eine steht weiterhin mit dem ersten Ritzel 3 im Eingriff Kupplung verbunden sind, welche drei Elemente in 55 und besitzt zu diesem Zweck eine größere Breite. Abhängigkeit von der Drehzahl der mit dem Laufrad Das Zahnrad 8 b kleineren Durchmessers des Zahnder Nutzleistungsturbine starr gekoppelten Abtriebs- radpaares 8 kämmt mit dem Zahnkranz 6, der auf welle so steuerbar sind, daß drei Betriebszuslände der Abtriebswelle 9 der Anlage angeordnet ist. erreicht werden, bei deren erstem entsprechend dem Die Hohlwelle 1 des Leitrades D trägt ferner eine

niedrigsten Drehzahlbereich der Abtriebswelle das 60 Bremstrommel 10, die mit einem Bremsband B in Leitrad sich gegenläufig zu dem Laufrad dreht, bei der Weise zusammenwirkt, daß durch sie die Hohlderem zweitem entsprechend einem mittleren Dreh- welle 1 festgehalten werden kann. Ferner ist die zahlbereich der Abtriebswelle das Leitrad stillgesetzt Bremstrommel 10 mit einer Reibungskupplung L ist und bei deren drittem entsprechend dem höchsten verbunden, mittels derer die Bremstrommel 10 und Drehzahlbereich der Abtriebswelle das Leitrad von 65 damit die Hohlwelle 1 mit dem mit dem breiten dem Laufrad mit gegenüber diesem verminderter Zwischenrad 7 kämmenden Zahnkranz 5 verbunden Geschwindigkeit gleichsinnig mitgeführt wird. werden kann.

Zwar verschlechtern sich infolge der Umfangs- Die beschriebene Anordnung findet besonders

ausgerüstet, die unter bestimmten Betriebsbedingungen dazu Verwendung finden, ein »Pumpen« des Verdichters zu vermeiden.

Die Hohlwelle 1 des Leitrades ist über einen Freilauf F mit einem ersten Ritzel 3 und die Welle 2 des Laufrades ist unmittelbar mit einem zweiten Ritzel 4 verbunden, das einen kleineren Durchmesser besitzt als das erste Ritzel 3. Die beiden Ritzel bilden Teile

Claims

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vorteilhaft zum Antrieb von Kraftfahrzeugen Ver- des Laufrades an, bei welcher bei feststehendem Wendung. Ihre Arbeitsweise wird im folgenden be- Leitrad D der maximale Wirkungsgrad erreicht wird, schrieben. In Fig. 2 sind unter den Buchstaben A, B, C die Während des Anfahrens des Kraftfahrzeugs stehen drei verschiedenen, sich bei wachsender Laufraddie Bremse B und die Kupplung L außer Eingriff 5 geschwindigkeit einstellenden Betriebszustände an- und das Leitrad D und das Laufrad Γ drehen sich gegeben. Die Geschwindigkeitsdiagramme entsprechen in einander entgegengesetzten Richtungen, wobei die demnach gegenläufiger Drehung des Leitrades und Drehmomente der beiden Wellen 1 und 2 über das feststehendem Leitrad in den Fig. 2A bzw. 2B, Zahnradpaar 8 an die Abtriebswelle 9 übertragen während Fig. 2C denjenigen Betriebszustand anwerden. Auf Grund der Tatsache, daß die Zahnräder io gibt, bei dem das Leitrad durch das Laufrad in mit Ha und Sb unterschiedlichen Durchmesser haben, diesem gleicher Richtung angetrieben wird. Entfindet zur selben Zeit eine Verminderung der Ge- sprechend Fig. 2A drehen sich die beiden Räder in schwindigkeit statt. Während der Beschleunigung in entgegengesetztem Drehsinn mit einer Umfangsdiesem Betriebszustand wächst der Wirkungsgrad mit geschwindigkeit, die halb so groß ist wie die obenwachsender Geschwindigkeit bis zum Erreichen eines 15 erwähnte Umfangsgeschwindigkeit U_T*. Wie sich Maximums. Bei weiterem Anstieg der Geschwindig- zeigt, steht die Relativgeschwindigkeit W_r des Gases keit beginnt der Wirkungsgrad hingegen zu fallen. bei Eintritt in das Laufrad senkrecht auf der Bewe-Wenn nun die dem maximalen Wirkungsgrad unter gungsrichtungderTurbinenschaufeln.GemäßFig. 2 B entgegengesetzter Drehung entsprechende Geschwin- steht das Leitrad D still, und das Laufrad T dreht digkeit überschritten wird, wird das Leitrad D durch 20 sich mit der Umfangsgeschwindigkeit U_T*. Auch in I η eingriff bringen der Bremse B gebremst. Fortan diesem Fall steht die Relativgeschwindigkeit W_T arbeitet die Nutzleistungsturbine als einfache ein- senkrecht auf der Bewegungsrichtung der Schaufeln, rädrige Turbine, wobei anfangs der Wirkungsgrad Im dritten Fall, C, ist die Umfangsgeschwindigkeit mit ansteigender Geschwindigkeit erneut anwächst, des Laufrades T gleich 2 U_T*, während die Umfangsum dann einen Maximalwert zu überschreiten. Nun 25 geschwindigkeit des Leitrades D gleich U₁-* ist. Trotz wird die Bremse B gelöst und die Kupplung L in der hohen Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades Eingriff gebracht, so daß das Leitrad D durch das trifft das Gas auf die Turbinenschaufeln rechtwink-Laufrad T in der gleichen Richtung wie das letztere Hg zu deren Bewegungsrichtung auf auf Grund der angetrieben wird. Damit wird ein weiterer Betriebs- Tatsache, daß das Leitrad sich in derselben Richzustand erreicht, während welchem der Wirkungs- 30 tung wie das Laufrad der Turbine dreht.
grad in gleicher Weise wiederum mit wachsender F i g. 3 gibt eine Verlustkurve für eine Turbinen-Geschwindigkeit ansteigt. beschaufelung entsprechend F i g. 2 an. f_mux bezeich-

Aus dem Vorstehenden geht hervor, daß dreierlei net den maximal zulässigen Strömungsverlust und /₀ verschiedene Betriebszustände auftreten, die es er- den minimalen Strömungsverlust der Beschaufelung, lauben, denjenigen Betriebszustand auszuwählen, der 35 Bei dem dargestellten Beispiel besitzt der Verlust bei der augenblicklichen Belastung und Geschwindig- seinen niedrigsten Wert bei einem Eintrittswinkel /J₀ keit den höchsten Wirkungsgrad mit sich bringt. Zur von ungefähr 90°, während der Verlust die zuEinstellung der verschiedenen Bstriebszustände der lässigen Werte bei Eintrittswinkeln von weniger Anlage können automatische Mittel vorgesehen sein, als P₁ bzw. mehr als /?, überschreitet,
beispielsweise ein an sich bekanntes hydraulisches 40 Aus einem Vergleich der F i g. 2 und 3 geht her-Steuersystem. vor, daß der Verlust seinen geringsten Wert unter

Beim Übergang von gegenläufiger Drehung zu dem Fig. 2B entsprechenden Betriebszustand hat,

Stillstand bzw. gleichsinniger Drehung muß das Leit- bei welchem das Leitrad D stillsteht. Würde das

rad D bis zum Stillstand verzögert werden. Wird Leitrad auch unter den Betriebszuständen nach

zwischen der Welle 1 und dem feststehenden Tür- 45 Fig. A2 und 2C stillstehen, so hätten die Eintritts-

binengehäuse eine hydrodynamische Bremse vorge- winkel den Wert /S₁ bzw. ß₂. Unter diesen Umständen

sehen, so kann der Hauptteil der kinetischen Energie wäre der Verlust im Laufrad T sehr hoch. Indem

des Leitrades D durch Füllung dieser Bremse ver- man das Leitrad D in entgegengesetzter Richtung zu

zehrt werden. In diesem Fall kann die Reibungs- bzw. in derselben Richtung mit dem Laufrad der

bremse erheblich kleinere Abmessungen erhalten, als 50 Turbine drehen läßt, ist es auch unter diesen beiden

wenn sie allein Verwendung fände, und braucht nur Betriebszuständen möglich, das Gas unter rechtem

so ausgelegt zu sein, daß sie das auf das feststehende Winkel an das Laufrad herantreten zu lassen und auf

Leitrad D ausgeübte Gegendrehmoment aufzuneh- diese Weise den Verlust in dem Laufrad T auf

men vermag. seinen niedrigsten Wert zu bringen.

Ist eine solche hydrodynamische Bremse vorge- 55
sehen, so kann sie auch als zusätzliche Fahrzeugbremse Verwendung finden, wenn sich die Anlage in Patentansprüche:
dem dritten Betriebszustand befindet, d. h. wenn die
Kupplung L im Eingriff steht. 1. Gasturbinenanlage mit einem Gaserzeuger,

In Fig. 2 sind Geschwindigkeitsdiagramme der 60 bestehend aus einem Verdichter, einer Verdichter-Strömung zwischen dem Leitrad D und dem Lauf- turbine und einer Brennkammer, und mit einer rad T bei den drei verschiedenen Betriebszuständen Nutzleistungsturbine, die ein drehbares Leitrad der Anlage wiedergegeben. Der Buchstabe Ό be- besitzt, das bremsbar ist und über eine Übertrazeichnet die Umfangsgeschwindigkeit, W und C gungseinrichtung mit dem Laufrad der Nutzgeben die Relativ- bzw. die Absolutgeschwindigkeit 65 leistungsturbine in Verbindung steht, dadurch des Gases an, wobei die Indizes D und Γ den Bezug gekennzeichnet, daß mit der Übertragungsauf das Leitrad bzw. das Laufrad der Turbine her- einrichtung (3, 4, S, 6, 7, 8) bzw. mit dem Leitrad stellen. U_r* gibt diejenige Umfangsgeschwindigkeit (D) der Nutzleistungsturbine ein Freilauf (F),

eine Bremse (B) und eine Kupplung (L) verbunden sind, welche drei Elemente in Abhängigkeit von der Drehzahl der mit dem Laufrad (T) der Nutzleistungsturbine starr gekoppelten Abtriebswelle (9) so steuerbar sind, daß drei Betriebs- zustände erreicht werden, bei deren erstem entsprechend dem niedrigsten Drehzahlbereich der Antriebswelle das Leitrad (D) sich gegenläufig zu dem Laufrad (T) dreht, bei deren zweitem entsprechend einem mittleren Drehzahlbereich der Abtriebswelle das Leitrad (D) stillgesetzt ist, und bei deren drittem entsprechend dem höchsten Drehzahlbereich der Abtriebswelle das Leitrad (D) von dem Laufrad (T) mit gegenüber diesem verminderter Geschwindigkeit gleichsinnig mitgeführt wird.
2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinrichtung (3, 4, 5, 6, 7, 8) zwei Ritzel (3, 4) verschiedenen Durchmessers besitzt, von denen das eine (3) mit der Hohlwelle (1) des Leitrades (D) und das andere (4) mit der Welle (2) des Laufrades (T) der Nutzleistungsturbine in Verbindung steht, daß die Übertragungseinrichtung ferner mindestens ein auf einem festen Steg gelagertes Zwischenrad (7) und ein Zahnradpaar (8) enthält und daß das Zwischenrad (7) mit dem größeren ersten Ritzel (3) im Eingriff steht und, darüber hinaus verlängert, auch mit dem seinerseits mit dem kleineren zweiten Ritzel (4) im Eingriff stehenden Zahnradpaar (8) kämmt.
3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Zahnradpaar (8) mit seinem größeren Zahnrad (8 a) mit dem zweiten Ritzel (4) und dem Zwischenrad (7) und mit seinem kleineren Zahnrad (8 b) mit einem auf der Abtriebswelle (9) angeordneten Innenzahnkranz (6) oder einem Stirnzahnrad im Eingriff steht.
4. Anlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Freilauf (F) zwischen dem ersten Ritzel (3) und dem Leitrad (D) angeordnet ist, durch den eine Kraftübertragung lediglich von dem Leitrad zu der Übertragungseinrichtung (3, 4, 5, 6, 7, 8) möglich ist.
5. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trommel (10) der Bremse (B) mit dem Leitrad (D) in Verbindung steht.
6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung (L) zwischen dem Leitrad (D) und einem Außenzahnkranz (5) angeordnet ist, der mit einem jeden Zwischenrad (7) im Eingriff steht, das mit dem dem Leitrad zugeordneten ersten Ritzel (3) kämmt.
7. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinrichtung (3, 4, 5, 6, 7, 8) mitsamt dem Freilauf (F), der Bremse (B) und der Kupplung (L) auf der Seite des Verdichters (K) der Anlage angeordnet ist und daß die Welle (2) des Laufrades (Γ) der Nutzleistungsturbine durch die Welle des Leitrades (D) hindurchgeführt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen