DE2742383A1 - Gasturbinenantrieb - Google Patents

Description

Sven-Olof Kronogärd 18 002/3 60/ko

Karstorpsvägen 31
234 00 LOMMA

Gasturbinenantrieb

Bestimmte Gasturbinen zum Antrieb von Fahrzeugen, die nach einem üblichen Arbeitsprozeß arbeiten, weisen einen Gaserzeuger mit einem Verdichter und wenigstens einen diesen antreibenden Turbinenläufer und einen Turbinenteil auf, der wenigstens einen Nutzturbinenläufer und wenigstens einen Hilfsturbinenläufer besitzt. Die drei verschiedenen Läufer sind durch Getriebe miteinander verbunden, welche eine Drehmomentübertragung von dem Hilfsläufer auf den Verdichterläufer und/oder auf den Turbinennutζläufer ermöglichen.

Bei einem üblichen Arbeitsprozeß ist es bei geringer Last der Anlage sehr schwierig, einen ausreichenden Wirkungsgrad und einen niedrigen Brennstoffverbrauch im Leerlauf zu erzielen. Diese Nachteile können durch einstellbare Leitschaufeln mit variabler Geometrie im Turbinenbereich und im Verdichterbereich vermindert werden, sowie auch dadurch vermindert werden, daß ein automatisch änderbares Getriebe mit geteiltem Drehmomentfluß und/oder ein direktes Untersetzungsgetriebe verwendet werden. Hierdurch ergeben sich jedoch erhebliche Kühlprobleme ebenso wie hohe Gestehungskosten unter Berücksichtigung der geringen, für kleine Fahrzeuge erforderlichen Leistung.

Mit der vorliegenden Erfindung soll eine Lösung für diese

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Schwierigkeiten geschaffen werden, wozu ein neuer, kombinierter Arbeitsprozeß geschaffen wird, wobei einer der Läufer auf neuartige Weise ausgebildet und angeordnet ist, so daß er bei Volllast als Turbine und bei Teillast als Turbogebläse arbeiten kann, und wobei darüberhinaus eine oder mehrere Leitschaufelanordnungen vereinfacht oder weggelassen werden können.

Wenn eine übliche Gasturbinenanlage mit stationären Leitschaufeln bei Teillast arbeitet, so sinkt der Gasdurchsatz durch die Anlage infolge der abgesenkten Geschwindigkeit und des verminderten Druckes. Die maximale Turbinentemperatur Tmax und ebenso der thermische Wirkungsgrad werden dadurch vermindert, so daß es schwierig ist, eine annehmbare Wirtschaftlichkeit der Anlage im Teillastbetrieb zu erzielen. Von Tmax hängen der höchste theoretische thermische Wirkungsgrad /ft .^ und der durchschnittliche thermische WirkungsgradΛΙ _t» der zum höchsten Wirkungsgrad proportional ist, ab; nach der Beziehung Οί _tt = (Tmax - To) / Tmax ist offensichtlich, daß auch im Teillastbetrieb die Temperatur so hoch als möglich gehalten werden soll. Um eine hohe Temperatur Tmax und ein entsprechend hohes/I^ _tt zu erzielen, ist es erforderlich, daß die spezifische Belastung der Verdichterturbine hochgehalten wird oder vorzugsweise angehoben wird, wenn der Druck über die Turbine abfällt und die Temperatur und/oder der Gasdurchsatz sinken. Die Temperatur Tmax sollte während Teillast bevorzugt angehoben werden, um andere Verminderungen während der Teillast zu kompensieren. Unter dem Blickpunkt der sich ergebenden Spannungen kann dies annehmbar sein, da die mechanischen Spannungen der Läuferbauteile mit verminderter Drehzahl geringer sind. Ein Ausgleich muß jedoch bezüglich der Wärmeverluste (isolation) und der Oxidationserscheinungen (Oberflächenbehandlung, keramische Werkstoffe) vorgesehen werden.

Nach der Erfindung wird nunmehr vorgeschlagen, daß die Hilfsturbine und ihr Anschluß an die Getriebe so ausgelegt und an-

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geordnet sind, daß die Hilfsturbine bei mit Teillast arbeitender Anlage die Verdichterturbine belastet, also deren spezifische Leistung.erhöht, wozu die Hilfsturbine als Gebläse arbeitet, und ist darüberhinaus vorgesehen, daß die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer so angeordnet oder eingestellt ist, daß während eines wesentlichen Teiles des Teillastbereiches eine Temperatur stromauf aller Turbinenläufer vorliegt, die im wesentlichen der Temperatur bei Vollast entspricht. Die Anlage weist bevorzugt einen leistungsstarken Luftvorwärmer auf, in dem die höheren Turbinenabgastemperaturen nutzbar gemacht werden. Die Schaufeln der Hilfsturbine sind so ausgelegt, daß sie auch bei Arbeit als Gebläse eine zufriedenstellende Leistung ergeben, sind also im wesentlichen gerade und vergleichsweise schlank, weisen jedoch abgerundete, aerodynamisch günstige einlaßseitige Vorderkanten auf. Die Hilfsturbine arbeitet so bei Vollast und mittleren Lasten als Turbine, jedoch bei niedrigen Lasten und beim Abbremsen der Maschine, bei dem die Hilfsturbine durch die Verdichterturbine und/oder durch die Nutzturbine angetrieben wird, als Gebläse.

Die thermodynamisehen Verluste während der Wiederverdichtung im Turbinenbereich bei Teillast werden zu einem Anteil zwischen 90% und 95% im Wärmetauscher wiedergewonnen; darüberhinaus erfolgt eine gewisse Wärmewiedergewinnung in der nachfolgenden Turbinenstufe. Die Anordnung vermindert weiterhin nicht wiedergewinnbare Getriebe- und Ölkühlerverluste, wodurch sich ein deutlich erhöhter Wirkungsgrad für die Anlage insgesamt ergibt.

Da das Turbinensystem infolge der niedrigen Trägheitsmassen der Läufer eine schnelle Beschleunigung ermöglicht, kann die Anlage für extrem niedrige Leerlaufgeschwindigkeiten ausgelegt werden, wodurch sich ein entsprechender niedriger Brennstoffverbrauch im Leerlauf ergibt. Die schnelle Beschleunigung kann ohne wesentliche Übertemperatur erzielt werden, so daß sich ein

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niedriger Schadstoffanteil, insbesondere an Stickoxiden, im Abgas, eine vereinfachte Brennkammer und eine erhöhte Standzeit für die wärmebelasteten Turbinenkomponenten ergibt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung, insbesondere in Verbindung mit den zusätzlichen Ansprüchen.
Es zeigt

Fig. 1 bis 3 schematisch veranschaulicht verschiedene Bauformen erfindungsgemäßer Gasturbinenanlagen,

Fig. 4 und 5 den Arbeitsprozeß einer erfindungsgemäßen Anlage mit kombinierter Turbinen-Gebläse-Einrichtung in Form von i, s-Diagrammen für die Bauformen gemäß Fig. 1 bzw. Fig· 3,

Fig. 6 und 7 das Schaufelsystem für die Hilfsturbine,

Fig. 8 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Änderung bestimmter Betriebsbedingungen mit der Drehzahl der Hilfsturbine und

Fig. 9 bis 12 weitere Ausführungsformen erfindungsgemäßer Gasturbinenanlagen.

Die in Fig. 1 veranschaulichte Anlage weist einen Verdichterläufer 10, einen ersten, auf einer gemeinsamen Welle mit dem Verdichterlaufer 10 sitzenden Turbinenläufer 11, einen zweiten Turbinenläufer 13, der als Nutzturbinenläufer bezeichnet werden kann, und einen dritten Turbinenläufer 14 auf, der als Hilfsturbine oder Hilfsgebläse dient.

Die beiden letztgenannten Turbinenläufer sitzen auf Wellen, die die gemeinsame Welle 12 des Verdichterlaufers 10 und des Turbinenläufers 11 konzentrisch umgeben, jedoch gegensinnig umlaufen. Alle drei Turbinenläufer sind mittels eines insgesamt mit 15 bezeichneten Planetengetriebes miteinander verbunden.

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Das Planetengetriebe weist ein Zwischenrad 16 auf, welches die Drehrichtung von der mittleren Welle zur Einführung des hiervon abgenommenen Drehmomentes in das Planetengetriebe umkehren kann.

Das Planetengetriebe ist mit einem variablen Übersetzungsgetriebe 1 7 verbunden, welches eine automatische Änderung der Drehmomentübertragung von der Hilfsturbine über das Sonnenrad des Planetengetriebes auf die Welle 12 und umgekehrt ermöglicht. Der Nutzabtrieb ist bei 18 veranschaulicht, wobei selbstverständlich die verschiedensten Aggregate angetrieben werden können und ein Fahrzeugantrieb lediglich eine bevorzugte Ausführungsform darstellt.

Einstellbare Leitschaufeln 19 sind zwischen dem als Verdichterturbine 11 zu bezeichnenden Turbinenläufer für den Antrieb des Verdichter1aufers 10 und der Nutzturbine 13 vorgesehen, um die Gasströmung zu beeinflussen. Die Anlage weist weiterhin einen Wärmetauscher 20 und eine Brennkammer 21 auf.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Hilfsturbine 14 nur bei Vollast oder höheren Mittellastbereichen der Anlage als Turbine arbeitet, jedoch bei Teillast und beim Abbremsen der Maschine als Gebläse arbeitet. Die sich hieraus ergebenden Einflußgrößen und die Form der Schaufeln der Hilfsturbine werden weiter unten im Zusammenhang mit den Fig. 4 und 5 näher erläutert. Durch Neueinstellung der Leitschaufeln 19 vor der Nutzturbine kann ein erhöhter Anteil des Druckabfalles und damit der Überführung in Geschwindigkeitsenergie und des Temperaturabfalles der Nutzturbine 13 zugeteilt werden. Dies führt zu einer entsprechenden Verminderung des Druckabfalles in der Verdichterturbine 11 und in der Hilfsturbine 14, welche zu einem gewissen Teil die Verdichterturbine 11 unterstützt. Ein Teil der im Bereich der Hilfsturbine erzeugten Leistung wird über das Planetengetriebe 15 auf die

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Nutzturbine 13 und die Verdichterturbine 11 übertragen, jedoch ist die hier verfügbare Leistung durch die Einstellung der Leitschaufeln 19 begrenzt.

In Fig. 2 ist eine vereinfachte Ausführungsform einer solchen Turbinenanlage veranschaulicht. Die Nutzturbine 13 ist direkt an die Abtriebslast 18 angeschlossen, während die Hilfsturbine 14 über ein mechanisches Getriebe 25 mit festem Untersetzungsverhältnis an die Verdichterwelle angeschlossen ist. Selbstverständlich kann dabei jegliche Art eines variablen Übersetzungsgetriebes verwendet werden.

Fig. 3 veranschaulicht dieselben Grundbauteile wie Fig. 1, jedoch ist hier die Nutzturbine 1 3 am Auslaßende vorgesehen und sind vor der Nutzturbine 13 die einstellbaren Leitschaufeln vorgesehen, während die Hilfsturbine 14 direkt stromab der Verdichterturbine 11 angeordnet ist und in Gegenrichtung zu dieser umläuft.

Mit einer solchen Anordnung wird die Ausgangsleistung der Nutzturbine nicht in vollem Umfange direkt als Anlagenleistung verwertet, sondern kann teilweise in Form von Druck in einem Auslaßdiffusor wiedergewonnen und dann als Wärme im Gasabschnitt des Wärmetauschers wiedergewonnen werden. Bezüglich des Drehmomentes und des Wirkungsgrades ist diese Ausführungsform nicht so günstig wie eine Anlage, bei der die Nutzturbine als Mittelstufe eingesetzt ist, jedoch sind andererseits die folgenden Schaufelelemente nicht der hohen Auslaßgeschwindigkeit hinter der Nutzturbine ausgesetzt, wenn diese blockiert oder stark abgebremst ist. Hierdurch kann die Strömung aus dem Überschallbereich in den Unterschallbereich überführt werden, ohne daß eine Belastung durch ÜberschalIströmung im Diffusor auftritt, wenn nur die Gasgeschwindigkeit in einem Axialschnitt, also die axiale Transportgeschwindigkeit, unterhalb der Schallgeschwindigkeit liegt, was für derartige Anlagen stets zutrifft. Die

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Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist daher insbesondere für kleine und billige Fahrzeugantriebe von Interesse, in der sehr kleine und genau gearbeitete Turbinenbeschaufelungen für hohe Machzahlen zu zu hohen Gestehungskosten führen würden.

Die Arbeitsbedingungen bei Vollast und Teillast sind in den Fig. 4 und 5 veranschaulicht, die i, s-Diagramme für die Anlagen gemäß Fig. 1 bzw. 3 darstellen, bei denen also die Hilfsturbine als letzte Stufe oder als zweite Stufe eingeschaltet ist.

Der Vollastzustand ist in den Fig. 4 und 5 stets mit F, der Teillastzustand hingegen mit D bezeichnet. Die Drucklinien sind mit P 0 bis P 6 und die Temperaturen mit T 0 bis Tmax bezeichnet.

Bei der Darstellung gemäß Fig. 4 beginnt die Verdichtung beim Druck P 1 und steigt am Punkt F 1 bis P 6 an. Gleichzeitig erfolgt ein gewisser Temperaturanstieg, und anschließend erfolgt die Wärmezufuhr im Wärmetauscher und in der Brennkammer, so daß Tmax am Punkt F 2 erreicht wird, was dem Einlaß der ersten Turbinenstufe entspricht. Hier erfolgt eine Expansion, was zu Druck- und Temperaturabfällen zum Punkt F 3 führt, der dem Einlaß der zweiten Turbinenstufe entspricht, sowie zum Punkt F der dem Einlaß der dritten Turbinenstufe entspricht. Hinter der dritten Turbinenstufe, beim Punkt F 5 strömen die Gase durch den Wärmetauscher hindurch in die Atmosphäre ab, die beim Punkt F 7 erreicht wird, wobei sich unvermeidliche Druck- und Temperaturverluste ergeben.

Zur Vereinfachung der Darstellung veranschaulicht das Diagramm keinerlei DruckVerluste, da es die Luft ist, die zum Erreichen der Temperatur TI erwärmt wird. Der Wärmeverlust im Wärmetauscher ist durch Λ LF veranschaulicht, und hinter dem Wärmetauscher wird eine Temperatur TII erhalten. Die Temperatur des

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Abgases liegt um Λ T 4 über der Umgebungstemperatur T 0.

Infolge der Verdichtung wird daher der Temperaturanstieg^ TI erzielt, im Wärmetauscher der Temperaturanstieg Δ TII und in der Brennkammer der Temperaturanstieg ^ Till. Der Wärmeverlust im Auslaß entspricht Δ Τ 4.

Ein üblicher Betrieb bei Teillast würde zur Anhebung der Teillasttemperatur alleine durch Verminderung des Luftdurchsatzes, also durch Verminderung des Strömungsquerschnittes an den Leitschaufeln zur Nutzturbine, oder durch mechanische, leistungszehrende Belastung der Verdichterturbine führen. Die erstgenannte Möglichkeit bringt gewisse Strömungsverluste, die nur teilweise als Wärme wiedergewonnen werden können, während das zweitgenannte Vorgehen zu nicht wiedergewinnbaren Reibungsverlusten führt, so daß beide Möglichkeiten zu einer Verminderung des Wirkungsgrades führen. Beim mechanischen Abbremsen der Verdichterturbine geht darüberhinaus zusätzliche Leistung bei der Kühlung der durch die Reibung erzeugten Wärme verloren, wodurch der Wirkungsgrad weiter absinkt und darüberhinaus die Installationskosten steigen.

Bei einer erfindungsgemäßen Anlage wird die Maximaltemperatur und mit ihr der Wirkungsgrad während Teillast bei im wesentlichen denselben Werten gehalten wie bei Vollast. Darüberhinaus besteht die Möglichkeit einer Anhebung der Maximaltemperatur Tmax bei Teillastbedingungen um für diesen Betriebszustand eine besonders hohe Wirtschaftlichkeit zu erreichen, jedoch erfordert dies oxidationsbeständiges Material, was beispielsweise durch entsprechende Oberflächenbehandlung oder durch den Einsatz keramischer Werkstoffe verwirklicht werden kann.

In dem veranschaulichten Teillastzustand erfolgt durch die Verdichtung ein Druckanstieg auf den Druck P 4, wobei vom Punkt D zum Punkt D 2 die Temperatur durch Wärmegewinnung aus dem Wärme-

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tauscher un^ T 2 ansteigt, und durch Erwärmung in der Brennkammer um /i T 3 ansteigt, derart, daß die Expansion bei Tmax beginnen kann. Der Zustand am Einlaß der zweiten Turbinenstufe ist am Punkt D 3 veranschaulicht, während der Zustand am Einlaß der dritten Turbinenstufe am Punkt D 4 erkennbar ist. Die Expansion in der zweiten Turbinenstufe führt somit zu einem Druckabfall unterhalb von P 1. Am Punkt D 5 erfolgt dann eine Verdichtung und eiri entsprechender Temperaturanstieg. Dies bedeutet, daß ein erhöhter Temperaturabfall über die zweite Turbinenstufe, also die Nutzturbine, auftritt, während die zur Verdichtung erforderliche Leistung die Verdichterturbine belastet, was zu einer günstigen Teillasteinstellung führt. Etwa 95% der Gebläseverluste können im Wärmetauscher wiedergewonnen werden, während gleichzeitig die Getriebeverluste vermindert werden. Auch in diesem Fall muß jedoch ein unvermeidlicher Wärmeverlust in Höhe von ^ LD am Wärmetauscher hingenommen werden, jedoch hat die Luft hier, hinter dem Verdichter, nur die Temperatur T 1 erreicht. Die Wärmewiedergewinnung im Wärmetauscher ist daher vergleichsweise gut, was für die Wirtschaftlichkeit selbstverständlich von Bedeutung ist. Die Möglichkeit, eine hohe Maximaltemperatur Tmax auch bei sehr geringer Belastung der Anlage zu erhalten, ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung und führt zu einem günstigen Brennstoffverbrauch. Das System ermöglicht darüberhinaus eine extrem schnelle Beschleunigung und eine niedrige Leerlaufgeschwindigkeit am Verdichter und damit einen niedrigen Brennstoffverbrauch im Leerlauf. Eine keramische Isolierung ist zweckmäßig.

In Fig. 5 sind dieselben Bezeichnungen wie in Fig. 4 verwendet. Bei Teillast wird Tmax am Punkt D 2 erreicht. Das Gas wird zum Punkt D 3 hin in der ersten Turbinenstufe expandiert und dann in der zweiten Stufe zum Punkt D 4 verdichtet, sodann erneut in der dritten Stufe zum Punkt D 5 expandiert. Hier wird ein Teil der Turbinen-/Gebläseverluste in der letzten Turbinen stufe in Form von Wärme wiedergewonnen, während die Restwärme

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im Wärmetauscher wiedergewonnen wird.

Damit die Hilfsturbine sowohl als Turbine als auch als Gebläse arbeiten kann, wobei beispielsweise keine vorgeschalteten Leitschaufeln verwendet werden, ist es erforderlich, die Laufschaufeln in besonderer Weise auszubilden. Wie die Fig. 6 und 7 veranschaulichen, sind die Laufschaufeln 30 der Hilfsturbine 14 im wesentlichen gerade und relativ schlank. Die Eintrittswinkel müssen in Abhängigkeit von den gewünschten Konstruktionsdaten wie Strömungsdurchsatz, Geschwindigkeit und Leistung bestimmt werden. Das Schaufelgitter dieser Stufe ist auf geringe Strömungskontraktion oder geringe Strömungsablenkung ausgelegt.

Fig. 6 veranschaulicht eine Schaufelanordnung für eine Anlage gemäß Fig. 1, wobei die Laufschaufeln der Verdichterturbine weggelassen sind. Diese Laufschaufeln der Verdichterturbine 11 sind ebenso wie die Laufschaufeln 31 der Nutzturbine 13 von üblichem Aufbau. Durch geeignete Einstellung der Leitschaufeln 19 ist es möglich, einen günstigen Eintrittswinkel für die Laufschaufeln 31 der Nutzturbine auch bei unterschiedlichen Gasdurchsätzen zu erhalten. Eine gegenläufige Anordnung erzeugt günstige Strömungsbedingungen am Einlaß der Hilfsturbine 14, auch wenn keine Leitschaufeln zwischen die Hilfsturbine 14 und die Nutzturbine 13 eingeschaltet sind.

Die üblichen Geschwindigkeitsdreiecke sind in der Zeichnung für die Nutzturbine und die Hilfsturbine jeweils für zwei unterschiedliche Gasdurchsätze m 1 und m 2 veranschaulicht. Die Drehgeschwindigkeit des Läufers 13 ist mit u 1 und diejenige der Hilfsturbine mit u 2 bezeichnet, wobei die Hilfsturbine gegenläufig dreht. Die sich ergebende relative Einlaßgeschwindigkeit w 1 bei Vollast führt zu einer Energieübertragung von der Strömung auf die Laufschaufeln 30 der Hilfsturbine, so daß diese als Turbine arbeitet, während bei Teillast

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die relative Einlaßgeschvindigkeit ν 2 zu einer Energieaufnahme der Strömung von den Laufschaufeln 30 herführt, so daß
die Hilfsturbine als Gebläse arbeitet. In einem Mittelbereich entspricht die Einlaßgeschvindigkeit veitgehend der relativen Auslaßgeschvindigkeit vom Nutzturbinenläufer her, so daß kaum Energieübertragungen erfolgen. Je nach der Abveichung von
diesem Neutralzustand in der einen oder in der anderen Richtung arbeitet die Hilfsturbine 14 somit als Turbine oder als
Gebläse, gibt also Leistung an die Nutzturbine ab oder nimmt
Leistung von dieser auf.

In den Fig. 6 und 7 ist, wie erläutert, der Strömungsdurchsatz bei Vollast mit m 1 und der Strömungsdurchsatz bei Teillast
mit m 2 bezeichnet, β 1 bezeichnet den Eingangsvinkel gegenüber der festen Drehebene und β 2 den Ausgangsvinkel gegenüber der festen Drehebene. Wennfi 11 -£i 2>0 beim Durchsatz m 1 ist, so arbeitet der Läufer als Turbine. Wenn /9 21 -/t 22CP beim Durchsatz m 2 ist, so arbeitet der Läufer als Gebläse.

In Fig. 7 sind die Laufschaufeln der Verdichterturbine mit 41 bezeichnet, vährend die Laufschaufeln der Hilfsturbine 14 mit 42 bezeichnet sind und diejenigen der Nutzturbine mit 43. Die Laufschaufeln 41 und 43 sind in der üblichen Weise ausgelegt, vährend die Laufschaufeln 42 der Hilfsturbine dieselbe gerade und schlanke Ausbildung haben vie die Laufschaufeln 30 gemäß
Fig. 6.

Die einstellbaren Leitschaufeln sind in besonderer Weise ausgebildet und veisen einen festen Nasenabschnitt 44 sovie einen einstellbaren Abströmabschnitt 45 oder umgekehrt einen einstellbaren Nasenabschnitt 44a und einen festen Abströmabschnitt 45a auf.

In Fig. 8 ist der Zusammenhang zvischen der Drehgeschvindigkeit Nc des Verdichters, des Gasdurchsatzes m, der Maximaltemperatur Tmax und des Abtriebsdrehmomentes Mx mit der Drehgeschvindigkeit

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Njyp für eine gegebene Drosselstellung und eine konstante Last veranschaulicht. Es liegt auf der Hand, daß diese Parameter mit der Erhöhung der Drehgeschwindigkeit der Nutzturbine kleiner werden, da die Abtriebsenergie der Nutzturbine direkt auf die Hilfsturbine übertragen wird, welche die Verdichterturbine unterstützt. Die Drehmomentübertragung wächst mit verminderter Geschwindigkeit der Nutzturbine infolge der erhöhten Leistung und Geschwindigkeit des Verdichters und damit des erhöhten Luftdurchsatzes deutlich an. Dies ist auch eine Folge des erhöhten Gasdurchsatzes infolge der erhöhten Turbinentemperatur Tmax, was ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist.

Die Verdichtergeschwindigkeit und der Gasdurchsatz sinken jedoch für eine bestimmte Nutζturbinengeschwindigkeit, während beispielsweise Tmax für ein gegebenes Verhältnis zwischen dem Gasdurchsatz m und der Nutzturbinengeschwindigkeit Njyp, wie sie durch ein vorprogrammiertes Regelsystem bestimmt ist, im wesentlichen gleichbleibt.

In Fig. 9 ist eine Abwandlung des Getriebes gemäß Fig. 1 veranschaulicht, wobei der Unterschied im wesentlichen darin besteht, daß das variable übersetzungsgetriebe 17 zwischen die Hilfsturbine 14 und das Planetengetriebe 15 eingeschaltet ist. Auf diese Weise kann das variable Übersetzungsgetriebe voll zur Änderung der Geschwindigkeit der Hilfsturbine in einem weiten Betriebsbereich herangezogen werden. Weiterhin sind Leitschaufeln 19 weggelassen, so daß die Anlage ohne jegliche Leitschaufeln im Bereich der drei gegensinnig rotierenden Läufer arbeitet. Selbst wenn die Turbine blockiert wird oder mit niedriger Geschwindigkeit arbeitet, tritt an der Hilfsturbine keine hohe Einlaß-Machzahl auf, da die Hilfsturbine infolge ihrer hohen Geschwindigkeit mit einer vergleichsweise kleinen relativen Einlaßgeschwindigkeit beaufschlagt wird, so daß erheblich verminderte Einlaßverluste auftreten. Das variable Übersetzungsgetriebe, welches die Leitschaufeln ersetzen kann,

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ist in diesem Beispielsfalle zur Aufnahme des vollen Drehmomentes der Hilfsturbine ausgelegt, während bei den Anlagen gemäß Fig. 1 bis 3 eine Auslegung des variablen Übersetzungsgetriebes zur Aufnahme von lediglich 30 bis 40% dieses Drehmomentes erfolgt. Der Vorteil dieser vereinfachten und kompakten Turbinenanlage ist insbesondere für kleine Fahrzeuge wesentlich, wo die Leistungsreserve nicht so wesentlich ist wie eine Verminderung der Gestehungskosten.

Das System eignet sich darüberhinaus zur Verwendung von Keramik-Turbinenrotoren beispielsweise für die ersten beiden Stufen, während ein Rotor aus Metall mit hohem Trägheitsmoment für die dritte Stufe verwendet werden kann. Hierdurch ist eine schnelle Beschleunigung möglich. Bei kleinen Anlagen kann ein billiger Riementrieb für das variable Übersetzungsgetriebe verwendet werden. Luftlager werden bevorzugt zur Lagerung der Läuferwellen verwendet, da diese geringe Verluste und geringe Lagerspalte aufweisen, was bedeutet, daß nur kleine Spalte zwischen den Spitzen der Laufschaufeln und dem umgebenden Gehäuse vorgesehen werden können.

In Fig. 10 ist eine Ausführungsform veranschaulicht, deren Ausgangswelle mittels eines Getrieberades 50 an das äußere Ringrad 51 des Planetengetriebes angeschlossen ist. Beim Abwürgen oder Blockieren der Anlage und somit drehfestem Ringrad 51 infolge blockierender Ausgangswelle, drehen die Hilfsturbine und die Nutzturbine mit dem Planetenradträger bzw. dem Sonnenrad des Planetengetriebes. Die dazwischengeschaltete Turbinenstufe 14, die an das Sonnenrad angeschlossen ist, dreht mit der höchsten Geschwindigkeit und kann als Hilfsturbine angesehen werden, während die letzte Turbinenstufe 13 langsamer dreht, beispielsweise mit etwa 30 bis 40% der Drehzahl der Hilfsturbine, und als Nutzturbine angesehen werden kann. Bei dieser Ausführungsform werden die aerodynamischen Ausgangsverluste der Nutzturbinde vermindert und werden die Ablenkungs- und Mach-Verluste

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gleichmäßiger über die beiden letzten Turbinenstufen verteilt.

Das variable Übersetzungsgetriebe weist bei dieser Ausführungsform einen hydrodynamischen Drehmomentwandler aus drei Komponenten auf, der eine Pumpe, eine Turbine und einen in einem ortsfesten Gehäuse gelagerten Stator aufweist. Um den besten Wirkungsgrad zu erzielen, umgibt der Turbinenläufer den Pumpenläufer und ist darüberhinaus nahe am Getriebe angeordnet, während der variable Stator an der abliegenden Seite des Gehäuses vorgesehen ist, so daß eine einfache Befestigung an einer Servo-Regelanlage und eine vereinfachte Wartung möglich sind. Das Getriebe ist bevorzugt für geringes Drehmoment im Vergleich zur Hilfsturbine ausgelegt, so daß die StrömungsVerluste beim normalen Betrieb gering sind, beispielsweise 2 bis 3% der Gesamtausgangsleistung bei einem Umwandlungswirkungsgrad von 90% und einem Drehmomentverhältnis von 20 bis 30% betragen.

Die Wärmeverluste können zur Erwärmung einer Fahrgastkabine, für eine Klimaanlage (Wärmetauscherbatterien) od. dgl. verwendet werden, wenn das Getriebegehäuse geeignete Kühlflansche aufweist und ein Gebläse sowie eine Einrichtung zur Steuerung oder Regelung der Aufheizung der umgewälzten Luft vorgesehen sind. Dasselbe Schmieröl kann in der Gasturbine und im Getriebe verwendet werden, was bedeutet, daß nur eine ölpumpe, nur ein Filter, nur ein ölsumpf und nur eine ölzuführungsÖffnung nötig sind. Das Getriebe kann mit einer Kupplung und/oder einem Freilauf versehen werden, damit es bei Bedarf kurzgeschlossen werden kann.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 10 kann in verschiedener Weise weiter abgewandelt werden. Ein höheres Drehmomentverhältnis im Rückwärtslauf kann erzielt werden, wenn ein zweites Ringrad, welches mit den im Durchmesser kleineren Teilen des Planetengetriebes kämmt, vorgesehen wird und an eine Bremse 52 angeschlossen ist. Darüberhinaus kann ein Direktantrieb erzielt

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werden, wenn die beiden Komponenten des Planetengetriebes mittels einer Lamellenkupplung, einer Konuskupplung oder irgendeiner sonstigen geeigneten Kupplung miteinander verbunden werden können. Ein Freilauf und/oder Kupplungen können an geeigneten Stellen eingeschaltet werden, um verbesserte Abbremseigenschaften der Maschine und ähnliche Effekte zu erzielen.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 11 ist das Planetengetriebe 15 mit abgestuften Planetenrädern 60 versehen, ebenso vie im Falle der Ausführungsform gemäß Fig. 10, jedoch anstelle des einfacheren Planetengetriebes gemäß Fig. 1 und 3. In diesem Falle ist die Abtriebswelle am Ringrad 61 des Planetenge— triebes angeschlossen. Bei der dargestellten Anordnung kann ein Rückwärtslauf einfach dadurch erzielt werden, daß ein Zahnkranz starr am Planetenradträger 64 befestigt ist und mit einem Ritzel 63 an der VJelle der Nutzturbine 13 über ein Zwischenrad kämmt. Der Planetenradträger kann mittels einer Kupplung 65 drehfest gehalten werden. Durch die Kupplung 65 kann die Nutzturbine blockiert werden, während gleichzeitig die nicht näher dargestellten Leitschaufeln zwischen den beiden Läufern neu eingestellt werden, um den geringstmöglichen Widerstand im Bereich der Leitschaufeln für die Nutzturbine und/oder die Hilfsturbine zu erzeugen, damit eine Maximalleistung an der Hilfsturbine erzeugt werden kann. Die Leitschaufeln sollen in eine Winkelstellung gestellt werden, welche optimale Ströraungsbedingungen ergibt, gleichgültig, ob die Leitschaufeln vor oder hinter dem Läufer der Nutzturbine angeordnet sind. Wenn der Planetenradträger 64 blockiert ist, so dient das Planetengetriebe als Umsteuergetriebe für die Hilfsturbine, velche das gesamte Drehmoment erzeugt und über das in der Zeichnung linke Sonnenrad 66 das Ringrad 61 und somit die Ausgangswelle im Gegensinn zur normalen Drehrichtung antreibt, so daß ein Rückvärtslauf erzielt ist. In diesem Beispielsfalle

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ist das variable Übersetzungsgetriebe 17 am in der Zeichnung rechten Sonnenrad 67 angeschlossen. Im übrigen spricht auch die Darstellung in Fig. 11 ebenso wie in den übrigen, schematisch vereinfachten Figuren für sich, so daß wegen weiterer Einzelheiten ausdrücklich auf die einzelnen Figuren der Zeichnungen verwiesen werden darf.

In Fig. 12 ist eine Ausführungsform veranschaulicht, in der eine energiespeichernde Schwungmasse 70 zusätzlich vorgesehen ist, wobei die Schwungmasse 70 bevorzugt unter Vakuum schnell und verlustarm dreht. Die Schwungmasse wird durch überschüssige Leistung aus der Hilfsturbine angetrieben, was im Rahmen der Erfindung die übliche Art des Antriebs und der Energiespeicherung in der Schwungmasse 70 ist. Der Antrieb bzw. die Energiespeicherung können jedoch auch durch das Fahrzeug selbst erfolgen, wenn dieses beispielsweise bergab fährt oder eine Motorbremsung erfolgt, wozu eine Kupplung von Hand oder automatisch eingeschaltet werden kann.

Mittels Kupplungen 71 und 72 und eines Freilaufes 73 wird ein hohes Maß an Freizügigkeit im Bezug auf Energiespeicherung und Energieentnahme am Schwungrad 70 erzielt. Auf diese Weise kann die im Schwungrad gespeicherte Energie als Hilfsenergie für eine unterdimensionierte Gasturbine oder aus besonderen Anlassen zusammen mit einer Gasturbine mit einem normalen Abtriebsverhältnis genutzt werden. Die gespeicherte Energie kann zeitlich begrenzt darüberhinaus auch als einziger Antrieb verwendet werden, wenn die Gasturbine abgeschaltet wird, etwa in abgeschlossenen Räumen, in einer Garage oder sonstigen Umgebungsbedingungen, die besondere Vorsichtsmaßnahmen erfordern. Durch geeignete Einstellung des Planetengetriebes 15 und der Kupplungen ebenso wie der Leitschaufeln der Turbine im Sinne minimaler Drehmomentverluste, können die Verluste in dem Tür— binensystem sehr gering gehalten werden. Anstelle eines Speicher-Schwungrades kann auch ein elektrischer Speicher mit einer als

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Generator oder als Motor dienenden Kraftmaschine verwendet werden. Eine solche Ausführungsform der Gasturbinenanlage eignet sich besonders für Krankenwagen, Lastfahrzeuge die zeitweilig in abgeschlossenen Räumen betrieben werden, Taxis und sonstige Fahrzeuge, mit denen ein geräuschloser und/oder abgasfreier Transport durchgeführt werden muß.

Der variable Stator kann in der weiter oben erläuterten Weise durch einen festen Stator und ein variables Übersetzungsgetriebe ersetzt werden, wobei für bestimmte Anwendungsfälle, in denen ein stufenlos änderbares Übersetzungsgetriebe verwendet wird, einer oder mehrere der Statoren wegfallen können. Dies setzt bestimmte Grundkombinationen von automatisch arbeitenden Einrichtungen und Austauschverhältnissen in dem variablen Übersetzungsgetriebe sowie eine geeignete Form der Profile der Laufschaufeln voraus.

Wie die vorstehende Beschreibung zeigt, ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern sind vielfache Abwandlungen und Abänderungen möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Leerseite -ZO-

Claims (6)

1. Sven-Oiof Kronogard 13 002/3 60/ko

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   Patent- (Schutz)- Ansprüche

   ;.) Gasturbinenantrieb mit einer Brennkammer, einem Verdichter mit einem Verdichterläufer und wenigstens einem Turbinenläufer zu dessen Antrieb, und mit einer Turbine mit wenigstens einem Nutzturbinenläufer und wenigstens einem Hilfsturbinenläufer, wobei wenigstens der Hilfsturbinenläufer und der Turbinenläufer des Verdichters durch ein Getriebe miteinander verbunden sind, welches eine Drehmomentübertragung zwischen diesen beiden Läufern für einen Betrieb dieser beiden Läufer in einem Verbund-Arbeitsprozeß ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsturbine (14) und ihre Verbindung zum Getriebe (15# 17) so ausgelegt und angeordnet sind, daß die Hilfsturbine bei Teillastbetrieb der Anlage Leistung von der Turbine (11) des Verdichters aufnimmt und so als Gebläse arbeitet, und daß die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer (21) so ausgelegt ist, daß bei Teillastbetrieb und einer vorgegebenen Nutzturbinengeschwindigkeit stromauf aller Turbinenläufer eine Gastemperatur vorliegt, die im wesentlichen der Gastempe— ratur bei Vollast entspricht.
2. 2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsturbinenläufer (14) direkt mit Gas aus dem davorliegenden Turbinenläufer (11 bzw. 13) ohne Zwischenschaltung irgendwelcher Leitschaufeln beaufschlagbar ist, und daß die Nutzturbine (13) mit einstellbaren Einlaß-Leitschaufeln (19) versehen ist.

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   INSPECTED
3. 3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsturbine (14) unmittelbar hinter der Nutzturbine (13) angeordnet ist.
4. 4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsturbine (14) unmittelbar hinter der Turbine (11) des Verdichters angeordnet ist.
5. 5· Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsturbine (14) in Gegenrichtung zum davorliegenden Turbinenläufer (11 bzw. 13) dreht.
6. 6. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Luftvorwärmer (20) vorgesehen ist, der Restwärme in den Abgasen aus den Turbinenläufern (11, 13, 14) auf die Ansaugluft der Brennkammer (21) überträgt.

   7· Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufeln (30, 42) der Hilfsturbine (14) im wesentlichen geradlinig und sehr schlank ausgebildet sind.

   809813/0859