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Dispositif de transmission du couple dama les groupes moteurs, consistant en une turbine à gaz et une turbine à vapeur.
,, ¯ remploi de groupes moteurs formés d'une turbine à gaz et d'une turbine à vapeur, cette dernière du type dont le gé- nérateur de vapeur est chauffé par l'échappement de la turbine à gaz, les deux éléments agissant sur une charge commune', c'est-à-dire un arbre récepteur commun, pose notamment en ce qui concerne la variabilité du nombre de tours, du sens. de rotation et ducouple du récepteur, parexemple dans lesvéhicules et les navires, une série de problèmes particuliers auxquels la présente invention vise à donner une solution d'ensemble.
Coma les turbines à gaz et à vapeur du groupe sont normalement des machines à grande vitesse de rotation, tandis que le récepteur commun (par exemple l'arbre à cardan du véhicule)
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tourne le pus souvent à une vitesse relativement réduite, il est indiqué que les éléments de liaison séparables (embrayage) prévus entre le groupe et le récepteur soient disposés dans la partie à grande vitesse du groupe.
Pour passer de la marche à vide à la marche en charge il est le plus souvent nécessaire d'obtenir, d'une part, à l'arbre récepteur, un couple élevé et un faible régime (démarrage du véhicule), et d'autre part, ame- ner le plus rapidement possible les turbine-s du régime à vide au régime sous charge, qui les rendra aptes à fournir la puissan- ce requise. Selon l'invention c'est la turbine à vapeur qui, dans ce cas, doit être la première à débiter de la puissance,, cependant que la turbine à gaz doit servir uniquement à la commande du ou des compresseurs y adjoints.
Il en résulte, d'une part, une accélération rapide de la turbine à gaz depuis la marche à vide ou au ralenti; d'autre part, le générateur de vapeur reçoit immédiatement une quantité accrue de gaz brûlé- de la turbine, ce qui permet une forte alimentation de la turbine à vapeur, ce qui est nécessaire pourlui permettre de fournir le couple , éveé.
En fonctionnement normal, les turbines à gaz et à vapeur doivent fournir en commun la puissance requise à l'arbre récepteur, en tenant compte, autant que possible en ce qui concerne la part de chaque machine dans cette puissance et les régimes de ces machines, des conditions optimum pour le rendement du groupe. Lorsqu'il est nécessaire de fournir rapidement une puissance accrue (pour un démarrage accéléré ou pour vaincre rapidement une résistance à l'avancement accrue, par exemple en montée), le compresseur de la turbine à gaz demande souvent plus de puissance que la turbine ne peut fournir momentanément, c'est à-dire que l'effet utile de la turbine à gaz devient passagère- mentn négatif; celle-ci doit donc être entraînée.
Lorsque le couple d'entraînement à fournir augmente fortement, on doit
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obtenir non seulement une élévation de la puissance, mais aussi un baisse du nombre de tours du récepteur sans une baisse de régime de la turbine, car cette dernière baisse déterminerait fatalement une chute de la puissance;
en outre', et lorsque la puissance augmente passagèrement et par à-coups il est utile, tout en maintenant le nombre de tours du récepteur requis dans chaque cas, de pouvoir modifier progressiven ent les régimes des turbines à gaz et à vapeur l'un par rapport à l'autre, afin d'é- viter dea perturbations du fait que la puissance et l'alimentation de la turbine à vapeur dépendent de celles de la turbine à gaz, c'est-à-dire ¯afin± de maintenir un bon rendement global.
La. propulsion de véhicules, pais particuliérement celle de navires, à l'aide de turbines, présentait à ce jour le grave inconvénient de nécessiter souvent des turbines auxiliaires spéciales pour la marche arrière. La présente invention supprime également cet inconvénient, en permettant un renversement du sens de rotation et du couple à l'arbre récepteur, sans modifier le sens de la turbine. Lors du changement du sens de rotation, c'est la turbine à vapeur qui doit d'abord, pouvoir fournir seule de la puissanceetdu couple, afin de permettre, comme exposé plus haut, une accélération rapide de la turbine à gaz et, simultanément, une meilleure alimentation du générateur de va- peur et donc de la turbine à gaz.
Tous les problèmes exposés plus haut sont résolus selon l'invention par le fait que la turbine à gaz du groupe, avec son ou ses compresseurs, d'une part, et la turbine à vapeur d'autre part, agissent chacune sur un arbre moteur distinct, ces deux arbres, ainsi que l'arbre récepteur, étant reliés entre eux, ainsi qu'avec l'arbre récepteur par une transmission à rapports variables, notamment un engrenage planétaire, de telle manière que les liaisons entre les deux arbres moteurs et l'arbre récepteur peuvent être rompues, indépendammment l'une de l'autre;
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que la répartition du couple sur les doux arbres moteurs est variable d'une manière progressive;
que le couple à :l'arbre moteur de la turbine à gaz; est réversible; que le sens de rotation et le couple de l'arbre récepteur sont réversibles; et., que l'arbre récepteur peut tourner avec au moins deux rapports de démultiplication par rapport aux régimes nombres de tours des éléments moteurs, une au moins de ces démultiplications permettant. un réglage progressif de la vitesse du récepteur par la modification d'un seul des régimes moteurs) ainsi qu'une modification progressive du rapport des. deux régimes moteurs-; même sans modification du régime récepteur-.
Le dessin montre schématiquement un exemple de réalisation d'une transmission selon l'invention ceci sous la forme: d'un engrenage planétaire (à pignons droits), en élévation, partiellement en coupe,,
Dans cet exemple, les deux arbres moteurs coaxiaux sont disposés du même côté de la transmission, 1''arbre 1 de la turbine à gaz passant à l'intérieur de l'arbre creux 2 de la turbine à vapeur. L'extrémité de l'arbre 2 porte un pignon 3 en prise avec un jeu de planétaires 4, tandis que l'arbre 2 est couplé à un jeu de planétaires 11 à 1'aide de sa denture d'oxtrémité 10.
Les cages des deux systèmes planétaires tournent en général indépendamment l'une de l'autre autor de l'axe de la. transmission, mais peuvent au besoin, être rendues solidaires par l'accouplement 13. Le système planétaire 11 peut en outre être relié- par l'embrayage 14 à un élément 15 de la transmission., de sorte que, après l'enclenchement de cet embrayage,) les pignons 11 ne tournent plus en tant que planétaires mais peuvent tourner autour de leurs propres axes désormais immobilisés dans l'espace, D'autre part, cette dernière rotation peut: être:
empêchée par un frein 17 à actionnement sélectif. Les planétaires 4 et 11 sont en prise respectivement avec les dentures 5 et 12 d'un tambour
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récepteur commun 6. Ce tambour agit, par la denture externe 7, sur le pignon 8 de l'arbre récepteur 9.
La transmission ci-dessus permet les changements de rapports ci-après, les pignons restant en prise, ce qui permet Inapplication aux puissances les plus élevées.
Lorsque les embrayages 13 et 14 et les freins 17 des planétaires sont hors prise, les deux systèmes planétaires peuvent rouler librement et indépendamment l'un de l'autre sur le tambour récepteur 6 sans lui transmettre un couple. Dans ce cas, les deux turbines, à gaz et à vapeur, tournent à vide, leurs régimes nombres de tours étant indépendant l'un de l'autre; ces turbines ne sont donc pas reliées au récepteur.
Lorsqu'on engage l'embrayage 14, l'embrayage 13 et les freins 17 restant dégages, le tambour récepteur se trouvera entraîné par le seul arbre 2 de la turbine à vapeur par l'intermédiaire des pignons 11 désormais immobilisés dans l'espace:, d'est à-dire agissant uniquement comme pignons intermédiaires, tandis: que le système planétaire 4, à rotation indépendante, tourne librement sur la denture 5 du tambour récepteur 6, sans transmettre de couple, La turbine à gaz ne fournit alors aucun effet utile, et sert plutôt uniquement, comme indiqué ci-dessus: à entraîner ses compresseurs en vue d'une accélération rapide.
Lorsque les deux embrayages: 13 et 14 sont engagés,- les freins 17 devant dans ce cas rester dégagés,- il en résulte que l'arbre 1 et l'arbre 2 sont accouples:, avec rapport de transmission rigide au tambour récepteur 6 et donc indirectement à l'arbre récepteur 9, par l'intermédiaire des pignons e ou 11 dont les axes de rdation sont immobilisés dans l'espace, et qui ne servent que comme pignons intermédiaires, c'est-à-dire que les turbines, à vapeur et à gaz, fournissent un effet utile.
Dans ce cas, le rapport des régimes- des deux turbines est, il est vrai, déterminé par le rapport des denture,% de la transmis- sion,
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toutefois les couples fournis par les deux arbres 1 et 2 ne sont pas rendus interdépendants par,la transmission, qui les additionne eu égard au récepteur.
Dans ce cas il est donc également possible de renverser le couple à Marbre 1 de la tàrbine à gaz 1, c'est-à-dire de diviser en deux parties la puissance fournie au tambour récepteur 6 par l'arbre 2 de la, turbine à vapeur-, une partie étant dirigée vers l'arbre récepteur 9, et l'autre vers l'arbre 1, cette drnière partie' servant à une copmande supplé- mentaire momentanée du compresseur de la turbine à gaz, afin d'élever rapidement la puissance de cette dernière.
Lorsqu'on doit obtenir au récepteur un couple plus élevé, avec régime réduit en conséquence, on laissera dégagés les embrayages 14 et les freins 17, et l'on engagera, l'embrayage 13.
Les cages des deux systèmes planétaires seront donc réunies à rotation solidaires} tout en pouvant'tourner librement ensemble.
La transmission forme alors un véritable système planétaire', qui transmet au tambour récepteur ?) en les additionnant, tant les couples que les régimes des arbres 1 et 2, le régime de de taro. bour étant plus bas qu'avec les rapports de vitesse décrits plus haut, avec maintien du même sens de rotation. Dans ce cas également, le couple à l'arbre 1 de la turbine à gaz: peut chager de sens, cet arbre peut Cône recevoir du la puissance.
Ceci est particulièrement avantageux dans le cas considère, vu que le rapport de vitesses envisagé en dernier lieu. entre en ligne de compte lorsque le couple de la charge, par exemple la résistance à l'avancement. augmente, le tambour récepteur pouvant alors tourner de plus en plus lentement;, jusque l'arrêt, sans entraver de ce fait la cession passagère de la puissance de la turbine à vapeur à la turbine à gaz, laquelle cession est particulièrement nécessaire ici pour augmenter rapidement l'alimentation de la turbine à gaz:
, c'eat-à-dire sans limiter les régimes des turbines Etant donné que, dans le rapport d'engremages considéré,la trans-
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missions agissant an tant que système planétaires, additionne non seulement les couples mais aussi les régimes des arbres 1 et 2, le rapport de ces régimes peut être modifié progressivement avee ou sans modification du régime du récepteur. Ceci est particulièrement avantageux dans le cas, fréquent avec de telles ins- tallations d'une puissance des deux turbines supérieure à la normale, afin de réaliser de bonnes conditions d'exploitation et de rendement favorable.
Pour renverser le sens de rotation du tambour récepteur- 6 et donc de l'arbre récepteur 9, on engagera les embrayagea 13 et les freins 17 et l'on laissera 1-'embrayage 14 dégagé. Le sys- tème planétaire 11 se trouve désormais verouillé en lui-même et agit comme accouplement rigide entre l'arbre 2 et le tambour 6, qui tournent alors dans un sens opposé au précédent.
Comme la cage du second, système planétaire est réunie par l'embrayage 13 à celle du premier système, et que les pignons 4 doivent donc aussi tourner autour de l'axe de la transmission avec le nombre de tours de l'arbre 2 et du tambour 6, ces pignons ne peuvent donc pas rouler sur la denture 5 du tambour, de sorte que le rapport de transmission entre l'arbre 1 de la turbine à gaz et le tambour 6 est de 1 : 1.
Comme il ressort d'un examen de la répar- tition des efforts et du couple de la transmission dans cettepo- sition des organes, les dentures des planétaires 11 et la denture la du tambour sont soumises à de fortes: contraintes. Pour éviter ceci, on peut prévoir des freins spéciaux 16 également pour le pignon 4, et dont l'engagement empêche la rotation de ces pignons sur leut axe-.
Dans ce cas, on peut aussi, obtenir la marche arrière en question de la transmission par actionnement simultané desfreins 16 et 17,l'embrayage 14restant dégagé, de sorte que chacun desdeux systèmes planétaires, verrumillé sépa- rément en lui-même, forme unaccouplement rigide entre les arbres 1 et 2 respectivement et le tambour 6. Comme l'embrayage 13 ne
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doit pas transmettre de couple dans ce cas, il importe peu qu'il soit dégage ou engagé.. Dans la mardie arrière également;., on peut obtenir que-la turbine à vapeur seule- fournisse; un effet utile-,, afin d'utiliser- le couple de la turbine à gaz pour la commende du compresseur.
Dans ce cas, on doit engager les freins 17 soulement et maintenir dégagea let embrayages 13 et 14, ainsi que les freins éventuels 16. L'arbre 2 de la turbine à vapeur n'est accouplé alors que*au tambour 6, tandis que les planétaires 4 tournent librement sur la denture 5 du tambour 6 sans transmission de couple, de sorte que l'arbre 1 de la turbine à gaz est débrayé.
La transmission par engrenage entre le tambour 6 et l'arbre 9 n'est pas nécessaire en principe; elle est cependant utile le plus souvent, pour ne pas devoir disposer l'arbre récepteur dans l'axe de la transmission et, de plus, et à titre auxiliaire, pour permettre d'obtenir le régime requis du récepteur par un calcul convenable du rapport de démultiplication.
Les cercles primitifs des deux systèmes planétaires de la transmission peuvent être en partie (voir dessin) ou entièrement différente ou peuvent varier dans de larges limites suivant les exigences de l'application; visée, de façon à obtenir les rapports de transmission appropriés pour toutes les manoeuvres de changement de vitesse.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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Device for transmitting torque to the engine groups, consisting of a gas turbine and a steam turbine.
,, ¯ re-use of engine groups made up of a gas turbine and a steam turbine, the latter of the type in which the steam generator is heated by the exhaust of the gas turbine, the two elements acting on a common load ', that is to say a common receiving shaft, poses in particular as regards the variability of the number of turns, of the direction. of rotation and torque of the receiver, for example in vehicles and ships, a series of particular problems to which the present invention aims to provide an overall solution.
Coma the group's gas and steam turbines are normally high-speed machines, while the common receiver (e.g. vehicle cardan shaft)
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Most often turns at a relatively low speed, it is indicated that the separable connecting elements (clutch) provided between the group and the receiver are arranged in the high speed part of the group.
To switch from idling to laden operation, it is most often necessary to obtain, on the one hand, at the drive shaft, a high torque and a low speed (starting the vehicle), and on the other hand On the other hand, bring the turbines as quickly as possible from no-load speed to load speed, which will make them able to deliver the required power. According to the invention, it is the steam turbine which, in this case, must be the first to deliver power, while the gas turbine must be used only for controlling the compressor or compressors attached thereto.
This results, on the one hand, in rapid acceleration of the gas turbine from idling or idling; on the other hand, the steam generator immediately receives an increased quantity of burnt gas from the turbine, which allows a strong supply of the steam turbine, which is necessary to allow it to provide the torque, high.
In normal operation, gas and steam turbines must jointly supply the required power to the receiving shaft, taking into account, as far as possible with regard to the share of each machine in this power and the speeds of these machines, optimum conditions for the group's performance. When it is necessary to provide increased power quickly (for quick starting or to overcome increased resistance to forward movement quickly, for example on a climb), the gas turbine compressor often demands more power than the turbine does. can provide momentarily, ie the useful effect of the gas turbine becomes temporarily negative; it must therefore be trained.
When the drive torque to be supplied increases sharply, one must
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obtain not only an increase in power, but also a decrease in the number of revolutions of the receiver without a decrease in speed of the turbine, because this latter decrease would inevitably determine a drop in power;
in addition ', and when the power increases temporarily and in spurts it is useful, while maintaining the number of receiver revolutions required in each case, to be able to gradually modify the speeds of the gas and steam turbines one after the other. with respect to the other, in order to avoid disturbances since the power and the power supply of the steam turbine depend on that of the gas turbine, i.e. ¯ in order ± to maintain good overall performance.
The propulsion of vehicles, particularly that of ships, with the aid of turbines has heretofore had the serious drawback of often requiring special auxiliary turbines for reverse gear. The present invention also eliminates this drawback, by allowing a reversal of the direction of rotation and of the torque on the receiving shaft, without modifying the direction of the turbine. When changing the direction of rotation, it is the steam turbine which must first of all be able to provide power and torque on its own, in order to allow, as explained above, rapid acceleration of the gas turbine and, simultaneously, better supply to the steam generator and therefore to the gas turbine.
All the problems set out above are resolved according to the invention by the fact that the gas turbine of the group, with its compressor (s), on the one hand, and the steam turbine on the other hand, each act on a drive shaft. separate, these two shafts, as well as the receiver shaft, being interconnected, as well as with the receiver shaft by a variable ratio transmission, in particular a planetary gear, such that the connections between the two drive shafts and the receiving shaft can be broken independently of each other;
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that the distribution of torque on the soft drive shafts is variable in a progressive manner;
that the torque at: the drive shaft of the gas turbine; is reversible; that the direction of rotation and the torque of the receiving shaft are reversible; and., that the receiver shaft can rotate with at least two gear ratios with respect to the speeds number of revolutions of the driving elements, at least one of these gear ratios allowing. a progressive adjustment of the speed of the receiver by the modification of only one of the engine speeds) as well as a progressive modification of the ratio of. two engine speeds; even without modification of the receiver regime-.
The drawing shows schematically an exemplary embodiment of a transmission according to the invention, this in the form of: a planetary gear (with spur gears), in elevation, partially in section ,,
In this example, the two coaxial drive shafts are arranged on the same side of the transmission, the shaft 1 of the gas turbine passing inside the hollow shaft 2 of the steam turbine. The end of the shaft 2 carries a pinion 3 in mesh with a set of sun gears 4, while the shaft 2 is coupled to a set of sun gears 11 by means of its end teeth 10.
The cages of the two planetary systems generally rotate independently of each other along the axis of the. transmission, but can, if necessary, be made integral by the coupling 13. The planetary system 11 can furthermore be connected by the clutch 14 to an element 15 of the transmission., so that, after the engagement of this clutch,) the pinions 11 no longer rotate as planetary but can rotate around their own axes now immobilized in space, On the other hand, this last rotation can: be:
prevented by a selectively actuated brake 17. The planets 4 and 11 are respectively engaged with the teeth 5 and 12 of a drum
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common receiver 6. This drum acts, via the external teeth 7, on the pinion 8 of the receiver shaft 9.
The above transmission allows the gear changes below, the pinions remaining in mesh, which allows inapplication at the highest powers.
When the clutches 13 and 14 and the planetary brakes 17 are not engaged, the two planetary systems can roll freely and independently of one another on the receiving drum 6 without transmitting a torque to it. In this case, the two turbines, gas and steam, run empty, their number of revolutions being independent of each other; these turbines are therefore not connected to the receiver.
When the clutch 14 is engaged, the clutch 13 and the brakes 17 remaining released, the receiving drum will be driven by the single shaft 2 of the steam turbine via the pinions 11 now immobilized in space: , is to say acting only as intermediate gears, while: the planetary system 4, independently rotating, rotates freely on the teeth 5 of the receiving drum 6, without transmitting torque, The gas turbine then provides no effect useful, and is rather only, as indicated above: to drive its compressors for rapid acceleration.
When the two clutches: 13 and 14 are engaged, - the brakes 17 having to remain disengaged in this case, - it follows that the shaft 1 and the shaft 2 are coupled :, with a rigid transmission ratio to the receiving drum 6 and therefore indirectly to the receiving shaft 9, via the gears e or 11, the transmission axes of which are immobilized in space, and which only serve as intermediate gears, that is to say the turbines, steam and gas, provide a useful effect.
In this case, the ratio of the speeds of the two turbines is, it is true, determined by the ratio of the teeth,% of the transmission,
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however, the torques provided by the two shafts 1 and 2 are not made interdependent by the transmission, which adds them with regard to the receiver.
In this case it is therefore also possible to reverse the torque at Marble 1 of the gas turbine 1, that is to say to divide into two parts the power supplied to the receiving drum 6 by the shaft 2 of the turbine. steam-, one part being directed towards the receiving shaft 9, and the other towards the shaft 1, this last part being used for a momentary additional command of the compressor of the gas turbine, in order to rapidly raise the power of the latter.
When a higher torque is to be obtained at the receiver, with correspondingly reduced speed, the clutches 14 and the brakes 17 will be left free, and the clutch 13 will be engaged.
The cages of the two planetary systems will therefore be united to rotate together} while being able to rotate freely together.
The transmission then forms a real planetary system ', which transmits to the receiving drum?) By adding them together, both the torques and the speeds of shafts 1 and 2, the taro speed. bour being lower than with the speed ratios described above, while maintaining the same direction of rotation. In this case also, the torque at the shaft 1 of the gas turbine: can change direction, this shaft can Cone receive power.
This is particularly advantageous in the case considered, since the gear ratio considered last. is taken into account when the torque of the load, for example the resistance to forward movement. increases, the receiving drum can then rotate more and more slowly ;, until the stop, without thereby hampering the transient transfer of power from the steam turbine to the gas turbine, which transfer is particularly necessary here to increase quickly feeding the gas turbine:
, that is to say without limiting the speeds of the turbines Given that, in the gear ratio considered, the transmission
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missions acting as a planetary system, add not only the torques but also the speeds of trees 1 and 2, the ratio of these speeds can be gradually modified with or without modification of the receiver speed. This is particularly advantageous in the case, frequent with such installations of a power of the two turbines greater than normal, in order to achieve good operating conditions and favorable efficiency.
To reverse the direction of rotation of the receiving drum 6 and therefore of the receiving shaft 9, the clutches 13 and the brakes 17 will be engaged and the clutch 14 will be left disengaged. The planetary system 11 is now locked in itself and acts as a rigid coupling between the shaft 2 and the drum 6, which then rotate in a direction opposite to the previous one.
Like the cage of the second, the planetary system is joined by the clutch 13 to that of the first system, and that the pinions 4 must therefore also rotate around the axis of the transmission with the number of turns of the shaft 2 and of the drum 6, these pinions therefore cannot roll on the toothing 5 of the drum, so that the transmission ratio between the shaft 1 of the gas turbine and the drum 6 is 1: 1.
As emerges from an examination of the distribution of the forces and of the torque of the transmission in this position of the members, the teeth of the planetary 11 and the teeth 1a of the drum are subjected to high stresses. To avoid this, special brakes 16 can also be provided for the pinion 4, and the engagement of which prevents the rotation of these pinions on the axis-.
In this case, it is also possible to obtain the reverse gear in question of the transmission by simultaneous actuation of the brakes 16 and 17, the clutch 14 remaining disengaged, so that each of the two planetary systems, locked separately in itself, forms a coupling. rigid between shafts 1 and 2 respectively and drum 6. As clutch 13 does not
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must not transmit torque in this case, it does not matter whether it is disengaged or engaged. Also in the rear garden;., it is possible to obtain that-the steam turbine alone- provide; a useful effect- ,, in order to use- the torque of the gas turbine for the control of the compressor.
In this case, we must engage the brakes 17 lightly and keep the clutches 13 and 14 disengaged, as well as any brakes 16. The shaft 2 of the steam turbine is only coupled * to the drum 6, while the planetary 4 rotate freely on toothing 5 of drum 6 without torque transmission, so that the shaft 1 of the gas turbine is disengaged.
The gear transmission between the drum 6 and the shaft 9 is not necessary in principle; however, it is most often useful, so as not to have to place the receiver shaft in the axis of the transmission and, moreover, and as an auxiliary, to allow the required speed of the receiver to be obtained by a suitable calculation of the ratio reduction.
The pitch circles of the two planetary transmission systems may be partially (see drawing) or entirely different or may vary within wide limits depending on the requirements of the application; aimed, so as to obtain the appropriate transmission ratios for all gear change maneuvers.
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.