Gasturbinen-Kraftanlage. Die vorliegende Erfindung bezieht sieh auf Gasturbinen-Kraftanlagen mit mindestens einem Kompressor für das Antriebsfluidum, mit Aufheizmitteln für dasselbe sowie mit einer Turbine, welche den Kompressor an treibt. Frfindttngsgemä.ss zeichnet. sich diese Anlage dadurch aus, dass der Rotor der Tur bine ausser mit dem Rotor des Kompressors für das Antriebsfluidum noch mit einem wei teren Arbeitsorgan verbunden ist, und zwar durch ein Differentialgetriebe, so dass jede., dieser Arbeitsorgane mit einer Geschwindig keit angetrieben wird, die von derjenigen des andern abhängig ist.
Als ein Beispiel einer solchen Anlage kann der Fall einer Gasturb- bine für den Strahlvortrieb von Luftfahr zeugen erwähnt werden, welche einen Propel ler oder ein in einem Leitkanal befindliches Gebläse antreibt, um den Sehub beim Starten und den Wirkungsgrad der Anlage in niedri gen Höhen zu verbessern.
Es ist zwar schon vorgeschlagen worden, ein weiteres Arbeitsorgan entweder unmittel bar oder durch ein gewöhnliches Reduktions getriebe von dem den erwähnten Kompressor rotor antreibenden Turbinenrotor oder mittels eines getrennten Turbinenrotors anzutreiben, der sieb unabhängig von dem den erwähnten Kompressorrotor antreibenden Turbinenrotor dreht.
Die Anlage gemäss dem ersten Vor schlag besitzt den Nachteil, dass eine Ände rung der Geschwindigkeit des den Kompres- sorrotor antreibenden Turbinenrotors zwang- läufig eine entsprechende Änderung der Ge schwindigkeit dieses Kompressorrotors zur Folge hat und somit die Kompression des Antriebsfluidums beeinflusst. Ferner gestaltet sieh bei einer solchen Anlage das Starten sehr schwierig, besonders wenn ein hohes Anlass- drehmoment erforderlich ist. Anderseits ist ein besonderer Turbinenrotor umständlich.
Demgegenüber wird bei der erfindungsge mässen Anlage ein und derselbe Turbinenrotor für den Antrieb des Kompressorrotors und des weiteren Arbeitsorgans verwendet und trotzdem eine starre Übertragung vermieden.
Es können Steuermittel wie z. B. eine Bremse oder ein Leistungsregler vorgesehen sein, um die Verteilung der verfügbaren An triebsleistung der Turbine auf die angetrie benen Organe beeinflussen zu können.
In der beiliegenden Zeichnung sind Aus führungsbeispiele des Erfindungsgegenstan des dargestellt.
Fig. 1 ist ein Längsschnitt einer Verbren nungsturbinen-Kraftanlage für Luftfahrzeuge mit mechanischem Differentialgetriebe zwi- sehen der Turbine, dem Kompressor und einer Luftschraube.
Fig. 2 bis 5 sind Teilschnitte, welche ver schiedene Ausbildungen eines mechanischen Differentialgetriebes darstellen.
Fig. 6 ist ein Längsschnitt einer Verbren nungsturbinen-Kraftanlage für reinen Strahl vortrieb von Luftfahrzeugen, bei welcher An lage die Turbine über ein mechanisehes Diffe- rentialgetriebe ein Zentrifugalgebläse und einen Axialkompressor antreibt.
Fig. 7 ist ein Längsschnitt einer Verbren nungsturbinen-Kraftanlage für reinen Strahl vortrieb von Luftfahrzeugen, bei welcher An lage die Turbine über ein mechanisches Diffe rentialgetriebe einen Axialkompressor und ein den Strahldruck erhöhendes Leitkanalge- bläse antreibt. Fig. 8 ist ein Teilschnitt einer ähnlichen Anlage wie nach Fig. 1, jedoch mit druck abhängiger Steuerung an Stelle einer Ge schwindigkeitssteuerung.
Fig. 9 ist ein Teilschnitt einer ähnlichen Anlage wie nach Fig. 6, jedoch mit druck abhängiger Steuerung ges Gebläses und Kom- pressors. .
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausfüh rungsform weist die Kraftanlage einen Axial kompressorrotor 1 und einen koaxialen Axial turbinenrotor 2 auf, welche auf einer Luft schraubenwelle 3 mittels Lager 4 bzw. 5 dreh bar gelagert sind. Der Kompressorrotor 1 ist mit am Umfang im Abstand angeordneten Reihen von radialen Schaufeln 6 versehen, welche zwischen Reihen von Kompressor statorschaufeln 7 greifen, und der Turbinen rotor besitzt zwei am Umfang im Abstand an geordnete Reihen von Schaufeln 8,
zwischen welchen eine Reihe von Turbinenstatorschau- feln 9 liegt, wobei die erwähnten Schaufeln 7 und 9 auf einem Statorgehäuse 10 vorge sehen sind, welches die Rotoren 1, 2 umgibt und zwischen diesen eine ringförmige Ver brennungskammer 11 bildet, in welcher mit tels einer Brennerdüse 12 eingespritzter Brennstoff kontinuierlich verbrannt wird.
Das vordere Ende der Luftschraubenwelle 3 ist in einem Lager 13 in der Mitte einer End- scheibe 14 gelagert, welche bei 15 Einlassöff- nungen besitzt, durch welche Luft zu dem Ringkanal des Axialkompressors gelangt, wäh rend sich das hintere Ende der erwähnten Welle in einem Lager 16 befindet, das durch einen Einsatzkörper 17 von im Längsschnitt spitzbogenförmiger Gestalt getragen wird, welcher Einsatzkörper 17 eine Bremse 18 ent- hält, durch welche die Luftschraubenwelle 3 angehalten oder gesteuert werden kann.
Zapfen 19, von welchen nur einer gezeigt. ist, sind an der Luftschraubenwelle 3 befe stigt, und auf jedem Zapfen 19 ist drehbar eine Planetenrad 20 gelagert, welches im Ein griff mit Zahnkränzen 21, 22 steht. die aus einem Stück mit dem Kompressorrotor 1 bzw. dem Turbinenrotor 2 gebildet sind.
Infolge dieses Differentialgetriebes ist die Geschwin digkeit des Kompressorrotors 1 abhängig von der Geschwindigkeit der Luftschraubenwelle 3 und besitzt einen Maximalwert, wenn die letztere durch die Bremse 18 festgehalten wird; in gleicher Weise ist. die Geschwindig keit der Luftschraube abhängig von der Kom- pressorrotorgeschwindigkeit und wird ein Maximum, wenn der Kompressorrotor fest steht.
Da gemäss Fig. 1 die beiden Zahnkränze Teilkreise von gleichem Druchmesser besitzen und die Planetenräder mit einer gemeinsamen Verzahnung in beide Zahnkränze eingreifen, ist das auf den Kompressorrotor ausgeübte Drehmoment die Hälfte des auf die Luft schraube ausgeübten Drehmomentes.. Ein anderes Drehmomentverhältnis zwischen der Luftschraube und dem Kompressorrotor wird mit dem Differentialgetriebe gemäss Fig. 2 erreicht, bei welchem gerade oder Schrauben stirnräder an Stelle von Kegelrädern benutzt sind, wobei die Zahnkränze 21, 22 als Aussen bzw.
Innenzahnkranz ausgebildet sind und beide mit Stirnrädern 20 auf Zapfen 19 im Eingriff stehen, welche parallel mit der Luft schraubenwelle 3 sind und durch eine mit dieser aus einem Stück gebildete Scheibe 24 getragen werden. Gemäss Fig. 3 stehen Kegel zahnkränze 21, 22 mit je einer Verzahnung eines Doppelkegelrades 20 in Eingriff, wobei die Doppelkegelräder 20 drehbar auf radialen, senkrecht zur Luftschraubenwelle 3 stehenden Zapfen gelagert sind, welche sich wieder auf einer mit dieser Welle 3 aus einem Stück bestehenden Scheibe 24 befinden.
Bei der Ausbildung nach Fig. 4 sind Planetenkegel räder angewendet, welche auf Zapfen 19 ge lagert sind, die unter einem andern Winkel als 90 zur Luftschraubenwelle 3 stehen und durch eine Scheibe 24 darauf getragen wer den, wobei jedes der erwähnten Räder mit beiden Kegelzahnkränzen 21, 22 in Eingriff steht, welche wiederum von verschiedenem Teilkreisdurchmesser sind.
Gerade oder Schraubenräder 20 sind bei der Ausbildung nach Fig. 5 benutzt, bei welcher diese mit einander in Eingriff stehenden Planeten räder je mit einem der Zahnkränze 21, 22 in Eingriff stehen, wobei die Planetenräder drehbar auf Zapfen 19 gelagert sind, welche parallel zur Luftschraubenwelle 3 sind und in einer Rinne 25 am Umfang einer Scheibe 24 getragen werden, die aus einem Stück mit der erwähnten Welle besteht. Die Zahnkränze 21, 22 sind beide als Innenzahnkränze aus gebildet.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Kraftan lage kann die Geschwindigkeit des Kompres- sorrotors 1 durch Verstellung der Luft schraube 26 gesteuert. werden, deren Ver- stellgetriebe von hydraulischer, elektrischer oder mechanischer Bauart sein kann, und für den Kompressor ist zu diesem Zweck ein Ge schwindigkeitsregler 27 vorhanden, welcher durch ein Kegelradgetriebe 28 und eine Reg lerwelle 29 mit dem Kompressorrotor 1 und durch Steuerleitungen 30 mit dem Steigungs- verstellgetriebe der Luftschraube 26 verbun den ist.
Der Gebrauch eines Kompressors mit kon stanter Geschwindigkeit, der durch einen das Steigungsverstellgetriebe der Luftschraube betätigenden Regler gesteuert wird, wie in bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde, besitzt den Nachteil, dass der Kompressorförderdruck sinkt, wenn die Höhe zunimmt; aber dies kann dadurch behoben sein, dass das Stei- gungsverstellgetriebe durch einen druckab hängigen Regler an Stelle eines Geschwindig keitsreglers gesteuert wird, wobei dieser Druckregler durch den Kompressorförder- druck betätigt wird.
Eine solche Abänderung ist schematisch in Fig. 8 dargestellt, in wel cher ein cltauckabhängiger Regler 31, welcher in einer durch eine Rohrverbindung 33 innen, denn Kompressorförderdrttek ausgesetzten Kammer 32 enthalten ist, einen Fluidum- Servomotor oder den Fluidumsdruck in den Steuerleitungen 30 des Luftschrauben-Stei- gungsverstellgetriebes steuert.
Der druckab hängige Regler kann gleich sein wie bei Vor verdiehter-Luftfahrzeugmaschinen und kann einen Stapel von luftleeren Dosen, luftleeren Rippenbälgen oder eine biegsame Membran aufweisen, welche dem Kompressorförder- druck ausgesetzt sind. Wo die Steigungsver stellung elektrisch oder mechanisch bewirkt wird, würde der druckabhängige Regler so ausgebildet sein, dass er den elektrischen Stromkreis oder die mechanische Übertra gung steuert. Um eine Geschwindigkeitsüber schreitung des Kompressors zu verhindern, kann er durch einen Zentrifugalregler ge steuert werden, der so ausgebildet ist, dass er durch den druckabhängigen Regler über fahren wird.
Durch Anziehen der Bremse 18 kann die Luftschraube 26 unwirksam gemacht werden und der Druck der aus der Düsenöffnung am hintern Ende des Gehäuses 10 austreten den Auspuffgase kann für sich für den Strahlvortrieb des Luftfahrzeuges bei hohen Fluggeschwindigkeiten in der Stratosphäre benutzt werden, wo die Luftschraube unwirk sam sein würde. Um bei diesen grossen Flug höhen die Hemmung auf ein Minimum herab zusetzen, kann die Luftschraube so ausgebil det sein, dass sie zusammengeklappt werden kann; z.
B. können die Luftsehraubenblätter an ihrer Nabe angelenkt und so angeordnet sein, dass sie entweder nach vorn oder nach einten zusammengeklappt werden, indem ein Gelenkmechanismus wie bei einem gewöhn lichen Schirm vorgesehen ist. Bei einer sol chen Ausbildung der Luftschraube würde die Kraftanlage einen Kompressor mit zwei Ge schwindigkeiten besitzten, wobei die niedri gere Gesehwindigegkeit für das Fliegen in nied riger Höhe mit Luftschraube und Strahl vortrieb und die höhere Geschwindigkeit für Bedingungen in grossen Höhen mit Strahlvor- trieb allein dient.
Ein Regler für den Kom pressor wäre bei dieser Ausführung nicht not wendig; aber es würde eine gewisse Steuerung der Turbinengeschwindigkeit erforderlich sein und diese kann zweckmässig durch einen Ge schwindigkeitsregler erfolgen, der mit der Turbinenwelle verbunden ist und die Brenn stoffzufuhr zur Verbrennungskammer in be kannter Weise steuert.
Statt einer verstellbaren Luftschraube, wie vorstehend beschrieben, kann eine Luft schraube starrer Bauart in Verbindung mit einem Regler angewendet werden um die Brennstoffzufuhr zu steuern oder die Kom- pressorschaufeln zu verstellen, wobei eine zu sätzliche Steuerung der Turbinengeschwindig keit nötig würde.
Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausfüh rungsform werden das Laufrad 45 eines Zen trifugalgebläses und der Rotor 1 eines Axial- kompressors durch ein Differentialgetriebe vom Turbinenrotor 2 aus angetrieben. Das Differentialgetriebe weist Zahnkränze 46, 21 am Laufrad 45 bzw.
Rotor 1 auf, welche beide mit Planetenrädern 20 in Eingriff stehen, welche von radialen Zapfen 19 getragen wer den, die auf der Turbinenrotorwelle 47 befe stigt sind. Die Welle 47 ist mittels Lager 48 in einem Statorgehäuse 49 gelagert, welches dem Gebläse, dem Kompressor und der Tur bine gemeinsam ist und zwischen dem Kom pressor und der Turbine die Verbrennungs kammer 11 bildet, in welcher mittels Brenner düsen 12 eingespritzter Brennstoff kontinuier lich verbrannt wird,
während der Kompres- sorrotor 1 drehbar auf der Welle 47 durch Lager 4 und das Gebläselaufrad 45 drehbar auf dem vordern Ende der erwähnten Welle durch Lager 50 gelagert ist. Ein Einsatzkör per 39 und das hintere Ende der Maschinen gondel 41 bilden zwischen sich einen ringför migen Auspuffdurchlass, der in einer Strahl öffnung oder Düse 42 endigt. Bei dieser Aus bildung wird die Antriebsleistung der Tur bine zwischen dem Kompressorrotor und dem Gebläselaufrad selbsttätig entsprechend dem Belastungsverhältnis dieser angetriebenen Teile verteilt.
Anstatt sich auf eine selbsttätige Wirkung des Differentialgetriebes zu verlassen, um die Leistung der Turbine auf dem Kompressor und das Gebläse zu verteilen, können diese angetriebenen Organe in Abhängigkeit von ihren betreffenden Förderdrücken durchge- steuert sein.
So können, wie in Fig. 9 darge stellt ist, die Statorschaufeln 7 des Axialkom- pressors mittels Wellen 51 drehbar gelagert sein, um den Anstellwinkel dieser Schaufeln durch ein Hebelgestänge 52 verändern zu kön nen, das durch einen Fluidum-Servomotor 53 von einem druckabhängigen Regler 54 betä tigt wird, der in einer Kammer 55 enthalten ist, welche innen dem Kompressorför derdruck durch die Rohrverbindung 56 ausgesetzt ist.
In gleicher Weise verändert ein druckabhän giger Regler 57 in einer Kammer 58, welche innen dem Förderdruck des Gebläses über eine Rohrverbindung 59 ausgesetzt ist, den Anstellwinkel der Leitflügel 60 über einen Fluidum-Servomotor 61 und ein Hebelge stänge 62.
Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausfüh- rungsform werden der Kompressorrotor 1 und eine koaxiale Welle 63, auf welcher er mittels Lager 4 drehbar gelagert ist, von dem mit Schaufeln versehenen Turbinenrotor 2 durch ein Differentialgetriebe angetrieben, welches Zahnkränze 21, 22 und Planetenräder 20 auf weist, welch letztere von radialen, an der Welle 63 befestigten Zapfen 19 getragen wer den: Der Turbinenrotor 2 ist koaxial zur Welle 63 und mittels Lager 5 drehbar darauf gelagert.
Die Welle 63 ist in vordern und hintern Lagern 13 bzw. 16 drehbar, welche in einem Statorgehäuse 10 angeordnet sind, welches dem Kompressor und der Turbine ge meinsam ist und zwischen diesen die Ver brennungskammer 11 bildet, in welcher durch Brennerdüsen 12 eingespritzter Brennstoff verbrannt wird.
Der Kompressor mit dem nachstehend beschriebenen Steuermechanis mus und die Verbrennungskammer sind von einer Gondel 64 umschlossen, welche an ihrem vordern Ende zusammen mit einem Einsatz körper 65 einen ringförmigen Lufteinlass für den Kompressor bildet und welche zusammen mit einer äussern Verkleidung 66 einen ring förmigen Lufteinlass bestimmt, der nach hin ten zii. einem Gebläseleitkanal 67 führt, wel- eher mittels radialer Rippen oder Leitflügel 68 auf dem Statorgehäuse 10 abgestützt ist, während ein Einsatzkörper 69 und eine diesen umgebende Verkleidung 70, die sich von dem Gehäuse 10 nach hinten erstreckt,
einen ring förmigen Auspuffleitkanal bestimmt, der in einer Strahldüse 71 endigt. Mit dem hintern Ende der Welle 63 ist ein mit Schaufeln ver- sehener Gebläserotor 72 aus einem Stück ge bildet, dessen Schaufeln 73 in dem Gebläse- leitkanal 67 arbeiten und einen Umhüllungs ring 74 tragen, welcher die innern Turbinen teile von den äussern Gebläseteilen der er wähnten Schaufeln trennen, wobei die Anord nung derart ist, dass das Leitkanalgebläse den Druck des Strahles in der Düse 71 erhöht.
Bei dieser Konstruktion werden die Sta- torschaufeln 7 und die Rotorschaufeln 6 von Wellen 75 bzw. 76 getragen, so dass der An stellwinkel der Schaufeln verändert werden kann. In diesem Zusammenhang betätigt ein durch eine Welle 29 und ein Kegelradgetriebe 28 von Kompressorrotor 1 angetriebener Ge schwindigkeitsregler 27 einen Fluidum-Servo- motor 77, welcher durch ein Hebelgestänge 78 gleichzeitige und entsprechende Bewegungen einer Welle 79 und der Wellen 75 der Stator- schaufeln 7 hervorruft.
Ein Kurbelarm 80 am innern Ende der Welle 79 übt eine Axial bewegung auf eine Betätigungsbüchse 81 aus, welche durch ein Kurbelgestänge 82 mit den Wellen 76 der Rotorschaufeln 6 verbunden ist, so dass gleichzeitige und entsprechende Bewegungen erzeugt werden. Auf diese Weise wird der Anstellwinkel der Kompressorschau- feln 6, 7 in Übereinstimmung mit der Kom- pressorgesehwindigkeit verändert, und folg lich wird die Turbinenleistung auf den Kom pressor und das Leitkanalgebläse durch das Differentialgetriebe im Betrieb entsprechend verteilt.