Gasturbinentriebwerk
Die bis jetzt bekannten Gasturbinentriebwerke sind nicht ohne weiteres für industrielle Zwecke und zur Verwendung als Antriebsvorrichtung für Fahrzeuge geeignet, denn auf diesen Anwendungsgebieten werden hohe Anforderungen hinsichtlich der Anpassungsfähigkeit bezüglich der Leistung, der Rückgewinnung von Wärme und der Drehzahl gestellt, und ein solches Triebwerk soll von einfacher Konstruktion sein und es ermöglichen, einen niedrigen Kraftstoffverbrauch aufrechtzuerhalten. Zwar sind bereits allmählich Verbesserungen bezüglich verschiedener Faktoren erzielt worden, doch in der Praxis sind verschiedene Aufgaben noch nicht gelöst; zu diesen Aufgaben gehören die Vermeidung einer niedrigen Anfahrbeschleunigung, einer schlechten Bremswirkung bei der Verwendung als Antriebsmotor sowie eines hohen Kraftstoffverbrauchs bei Teillast und im Leerlauf.
Ferner ist bis jetzt nicht die Aufgabe gelöst, eine geeignete Vorrichtung zum Über- tragen der Antriebskraft auf die Hauptabtriebswelle zu schaffen und eine ausreichende Energiemenge auf geeignete Weise auf eine Hilfsantriebswelle zu übertragen sowie ein geeignetes Ansprechen des Hilfsantriebes bzw. der Hilfsantriebswelle auf die Steuereinrichtungen zu erreichen. Weiterhin ist bis jetzt die Aufgabe der Schaffung einer anpassungsfähigen Hilfsenergiequelle sowie einer einwandfreien Regelbarkeit und Rückgewinnung von Abgasenergie nicht zufriedenstellend gelöst.
Die Erfindung sieht nunmehr Verbesserungen bei Gasturbinentriebwerken vor, die geeignet sind, die erwähnten Forderungen zu erfüllen.
Es sind Gasturbinentriebwerke bekannt, die einen Gaserzeuger umfassen, und zwar gewöhnlich einen Gaserzeuger der Turbinenbauart, mit einem Verdichter, einer Brennkammer und einer Verdichtungsantriebsturbine, sowie ein Leistungsturbinenaggregat, das nutzbare Energie erzeugt und eine mit der Hauptkraftabgabewelle verbundene Hauptturbine umfasst. Um den spezifischen Kraftstoffverbrauch zu verringern, sind gewöhnlich ein Wärmeaustauscher und/oder eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Energie aus den Abgasen vorhanden. Das erfindungsgemässe Gasturbinentriebwerk ist gekennzeichnet durch einen Gaserzeuger, eine Hauptturbine und eine Hilfsturbine, wobei die Läufer beider Turbinen an den Gaserzeuger verlassenden Gaskanal angeschlossen sind, und die Hilfsturbine mittels Kraftübertragungseinrichtungen mit einem Verdichter des Gaserzeugers und/oder mit der Hauptturbine verbunden ist.
Die Hilfsturbine ist somit geeignet, den Verdichter bei der Inbetriebsetzung des Gaserzeugers und die Leistungsturbine während des Hochfahrens oder beim Antreiben der Last zu unterstützen.
Der Gaskanal kann so ausgelegt werden, dass das Gas im geschlossenen Kreislauf von der Brennkammer durch die Haupt- und Hilfsturbine und eine weitere zum Antrieb des Verdichters bestimmte Turbine und wieder zurück in die Brennkammer gelangt, die für diesen Zweck mit externer Verbrennung arbeitet.
Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen erläutert.
Fig. 1 bis 14 zeigen schematisch einige der möglichen Anordnungen und Betriebsphasen von Gasturbinentriebwerken.
Fig. 15 bis 20 veranschaulichen mehrere aus sogenannten Baukasteneinheiten aufgebaute Gasturbinentriebwerke.
Fig. 21 bis 28 zeigen in graphischen Darstellungen einige der Leistungscharakteristiken oder Kennlinien von Turbinen nach der Erfindung im Vergleich zu denjenigen bekannter Turbinen.
Fig. 29 bis 58 zeigen Einzelheiten der Anordnung von Turbinen und Kraftübertragungsvorrichtungen für verschiedene Verwendungszwecke.
Fig. 59 bis 70 sind schematische Darstellungen, die zur weiteren Erläuterung einiger Betriebscharakteristiken insbesondere bezüglich der Leistungsturbine und der Kraftübertragungsvorrichtung bzw. des Getriebes dienen.
Fig. 71 und 72 zeigen zwei Triebwerksarten, bei denen die Haupt- und Hilfsturbinen parallel an den Gaskanal des Gaserzeugers angeschlossen sind, und Fig. 73 und 74 zeigen weitere Ausführungsformen von Kraftübertragungseinrichtungen solcher Art, die in Fig. 34 gezeigt sind.
Im folgenden werden zunächst der allgemeine Aufbau der Gasturbinentriebwerke und die Grundgedanken der Erfindung erläutert. Der Gaserzeuger kann eine Turbine für den Antrieb des Verdichters aufweisen. Es kann aber auch ein Kolbenverdichter vorgesehen werden. Die Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit einem Gas erzeuger erläutert, der eine Turbine für den Antrieb des Verdichters aufweist.
Fig. 1 zeigt die wichtigsten Läuferteile eines Gaserzeugers der Turbinenbauart. Wie bei bekannten Konstruktionen ist ein Verdichter 1 mit einer Turbine 3, und zwar der sogenannten Verdichterturbine, durch eine Welle 2 gekuppelt, und die Nutzleistung wird von einer gesonderten Turbine 7, d. h. der sogenannten Leistungs- oder Hauptturbine, über eine Welle 8 abgegeben. Es ist eine zusätzliche Turbine 5 vorgesehen, die im folgenden als Hilfsturbine bezeichnet wird und eine Welle umfasst, deren einer Teil 4 sich in Richtung auf die Verdichterseite erstreckt, und deren anderer Teil 6 sich in Richtung auf die Leistungsturbinenseite erstreckt, so dass die Hilfsturbine den Verdichterteil und/oder den Leistungsturbinenteil unterstützen kann.
In Verbindung mit weiteren noch zu erläuternden Merkmalen der Erfindung ist es mit Hilfe der Hilfsturbine 5 möglich, die Nachteile der bis jetzt bekannten Gasturbinen zu vermeiden. In Fig. 1 ist die Hilfsturbine 5 zwischen der Verdichterturbine 3 und der Haupt- oder Leistungsturbine 7 angeordnet. Der Gaserzeuger 20 umfasst eine Brennkammer mit einem Brenner 21. Wenn es besonders darauf ankommt, den Kraftstoffverbrauch niedrig zu halten, sieht man bei der Anlage gewöhnlich einen Wärmetauscher 21a und in manchen Fällen weitere Vorrichtungen 21b zur Nutzbarmachung von Abgaswärme vor.
Fig. 2 zeigt die gleiche Anordnung wie Fig.1, jedoch in Verbindung mit den benötigten Kraftübertragungseinrichtungen 9, 11 und 13 sowie den Abtriebswellen 10, 12 und 14, von denen eine die Hauptlast antreibt (Welle 12), während die Wellen 10 und 14 zwei Hilfslasten antreiben. Gemäss Fig. 2 ist die Hilfsturbine 5 mit dem Läufer des Gaserzeugers, d. h. der Verdichterturbine gekuppelt, wenn das Triebwerk aus dem Leerlauf beschleunigt werden soll, oder wenn mehr oder weniger plötzlich ein höherer Leistungsbedarf auftritt, während die Hauptturbine ihre höhere Leistung an die Hauptlast abgibt.
Fig. 3 veranschaulicht einen Betriebszustand, bei dem sich die Verdichterturbine 3 und die Hilfsturbine 5 gegenseitig unterstützen, um die Hilfslast über die vordere Abtriebswelle 10 anzutreiben, während die Hauptturbine ihre Leistung an die Hauptlast und/oder die hintere Abtriebswelle 14 abgibt, wenn eine solche Welle vorgesehen ist.
Fig. 4 zeigt einen Anwendungsfall, bei dem die Hilfsturbine die Abtriebswelle 10 unabhängig von der Verdichterturbine antreibt oder gegebenenfalls über die Welle 6 durch die Hauptturbine unterstützt wird. Hierbei ergibt sich der Vorteil, dass die Hilfslast unabhängig und ohne eine Überlastung des Gaserzeugers angetrieben werden kann.
Fig. 5 zeigt, auf welche Weise das Triebwerk benutzt werden kann, um als Motorbremse zu wirken.
Die Bremsenergie wird durch die Hilfsturbinenwelle übertragen und in erster Linie von dem Verdichter, jedoch auch von dem Turbinensystem aufgenommen, das die Hilfsturbine umfasst, wenn der Verdichter Luft durch das Turbinensystem fördert. Wenn man bei dem Turbinensystem verstellbare Leitschaufeln vorsieht, kann die Bremswirkung noch vergrössert werden; hierauf wird weiter unten näher eingegangen.
Fig. 6 zeigt, auf welche Weise die Hilfsturbine die Hauptturbine beim Antreiben der Hauptlast über eine kombinierte Kraftübertragungseinrichtung 11 unterstützen kann.
Fig. 7 lässt erkennen, auf welche Weise alle drei Turbinen dazu beitragen können, die Hauptlast 12 und/oder Hilfslasten über die Kraftübertragungseinrich tungen 9 und 11 und die Welle 4, 6 der Hilfsturbine anzutreiben.
Fig. 8 zeigt, auf welche Weise die Hauptlast 12 durch die Hauptturbine angetrieben werden kann, während die Hilfslast 14 gemeinsam durch die Hilfsturbine und die Verdichterturbine angetrieben wird.
Fig. 9 veranschaulicht einen Betriebszustand, bei dem die Hilfsturbine 5 die hintere Abtriebswelle 14 antreibt, während die Hauptturbine 7 die Hauptlast 12 antreibt.
Fig. 10 zeigt einen Betriebszustand, bei dem die Hilfsturbine 5 die vordere Abtriebswelle 10 antreibt und ausserdem dazu beiträgt, zusammen mit der Hauptturbine 7 die Hauptlast 12 anzutreiben.
Fig. 11 zeigt eine Anordnung, bei der die Hilfsturbine 5 aerodynamisch so ausgebildet ist, dass sie auch als Absauggebläse für die Verdichterturbine 3 benutzt werden kann und den Verdichter unterstützt, mittels dessen Luft durch das Turbinensystem gefördert wird.
Wenn zwischen der Hilfsturbine 5 und der Hauptturbine 7 keine feststehenden oder verstellbaren Leitschaufeln vorgesehen sind, kann somit die Hilfsturbine dazu dienen, die Wirbelbildung vor der Leistungsturbine zu beeinflussen, so dass sich eine ähnliche Wirkung erzielen lässt wie bei der Verwendung verstellbarer Leitschaufeln bei der Hauptturbine; wenn solche verstellbaren Leitschaufeln vorgesehen sind, lässt sich diese Wirkung mit Hilfe der Hilfsturbine noch verstärken. Die Hilfsturbine kann ferner dazu dienen, das Verhältnis zwischen der an der Welle verfügbaren Energie und der Menge der Abgaswärme zu variieren, die zu Heizzwecken oder dergleichen verwendet wird; diese Wirkung kann durch verstellbare Leitschaufeln noch vergrössert werden.
Auf diese Weise ist es möglich, die spezifische Belastung der Verdichterturbine bei Teillastbetrieb zu erhöhen, wodurch sich die Turbinentemperatur erhöht, so dass sich der spezifische Kraftstoffverbrauch verringert. Dies kann entweder für sich mit Hilfe der Kraft übertragungseinrichtung 9 oder in Verbindung mit einer mechanischen Belastung der Verdichterturbine über die Kraftübertragungseinrichtungen oder Getriebe 9 und 11 und die Teile 4 und 6 der Hilfsturbinenwelle bewirkt werden.
Fig. 12 lässt erkennen, auf welche Weise eine aerodynamische Bremswirkung allein mit Hilfe des Turbinensystems erzielt werden kann, wenn sowohl die Hilfsturbine 5 als auch die Hauptturbine 7 als Gebläse oder Verdichter arbeiten. Die erzielte Wirkung vergrössert sich noch, wenn man die Hilfsturbine und/oder die Hauptturbine mit verstellbaren Leitschaufeln ausrüstet. Wenn die Turbinen so ausgebildet sind, dass sie sich gegenläufig drehen, wird eine starke Bremswirkung selbst dann erzielt, wenn zwischen den beiden Turbinen überhaupt keine Leitschaufeln angeordnet sind, und wenn die Turbinen somit als ein System von sich gegenläufig drehenden Gebläsen oder Verdichtern arbeiten.
Fig. 13 zeigt die gleiche Anordnung wie Fig. 1 bis 12, jedoch in Verbindung mit einem Leitschaufelsystem.
In Fig. 1 bis 12 wurde das Läufersystem der Einfachheit halber absichtlich ohne irgendwelche Leitschaufeln dargestellt. Jedoch kommt bei diesem Turbinensystem, das eine Hauptturbine und eine Hilfsturbine umfasst, dem Leitschaufelsystem eine besondere Bedeutung zu, da es dieses z. B. ermöglicht, die Belastung der betreffenden Teile den Betriebsbedingungen des Systems anzupassen. Die grösste Anpassungsfähigkeit wird erzielt, wenn man zwei Kränze von verstellbaren Leitschaufeln vorsieht, und zwar einen Leitschaufelkranz 22 vor der Hilfsturbine 5 und einen Laitschaufelkranz 23 hinter der Hilfsturbine, während die einfachste mögliche Konstruktion erreicht wird, wenn man überhaupt keine Leitschaufeln vorsieht und die Getriebe als Reaktionsglieder benutzt. Die zu wählende Anordnung richtet sich, wie später erläutert, nach dem Verwendungszweck und dem jeweils gewünschten Betriebsverhalten.
Fig. 14 zeigt, auf welche Weise eine Verbindung zwischen der Hilfsturbine 5 und dem Läufer 3 der Verdichterturbine mit Hilfe einer ausserhalb des Läufersystems angeordneten Welle hergestellt werden kann. Diese Anordnung ermöglicht es, die Hilfsturbine bezogen auf die Strömungsrichtung hinter der Hauptturbine anzuordnen, was sich in bestimmten Anwendungsfällen als vorteilhaft erweist. Zu diesem Zweck könnte man z. B. auch hydraulische oder elektrische Verbindungen, d. h. Rohrleitungen oder Kabelverbindungen, zwischen dem Generator und dem Motor vorsehen. In diesem Fall kann man die Welle 15 und Teile der Getriebe 9 und 13 fortlassen.
Fig. 14a zeigt eine Anordnung, bei der die Hilfsturbine vor der Verdichterturbine 3 angeordnet ist. Die Hilfsturbine ist mit dem Gaserzeuger und/oder der Hauptturbine durch mechanische, hydraulische, pneumatische oder elektrische Kraftübertragungsvorrichtungen verbunden.
Ferner kann die Hilfsturbine mit einer zweiten Verdichterstufe ausgerüstet oder verbunden sein, die zur Verringerung des Kraftstoffverbrauches im Stillstand oder im Leerlauf oder dann, wenn nur Hilfsgeräte angetrieben zu werden brauchen, allein in Betrieb gesetzt werden kann. Diese zweite Verdichterstufe bewirkt unter normalen Betriebsbedingungen eine Erhöhung des Verdichterverhältnisses, und sie ermöglicht es, den Wärmetauscher zu verkleinern oder ganz fortzulassen.
Aus der vorstehenden Beschreibung von Fig. 1 bis 14a ist die erzielbare Anpassungsfähigkeit des Gasturbinentriebwerks ersichtlich. In den weiteren Figuren sind zwei Hauptausführungsbeispiele für das Gasturbinentriebwerk dargestellt.
Fig. 15 bis 17 zeigen ein sogenanntes Baukastensystem, bei dem die Turbine 5 einen Bestandteil des Gaserzeugerteils bildet, während Fig. 18 bis 20 Anordnungen zeigen, bei denen die Hilfsturbine einen Bestandteil des Leistungs- oder Hauptturbinenteils bildet.
Bei den Anordnungen nach Fig. 15 bis 17 ist eine in Verbindung mit Fig. 43 noch näher zu beschreibende Freilauf- oder Rutschkupplung 55 oder eine andere verstellbare Kraftübertragungseinrichtung vorgesehen.
Bei der ersten Konstruktionsart kann man den Gaserzeugerteil 24 allein als ein Aggregat mit einem einzigen Läufer und/oder mit zwei Läufern betreiben und ihn dann gemäss Fig. 15 oder 16 mit einer freien Leistungsturbine 25 oder gemäss Fig. 17 nur mit einer Kraftübertragungseinrichtung kombinieren.
Bei der zweiten Konstruktionsart ist der Gaser2eugerteil 26 stets in der gleichen Weise ausgebildet, während der Leistungsturbinenblock 27 auf unterschiedliche Weise ausgebildet ist und zwei Turbinen oder nur eine Turbine umfasst. Dieses Baukastensystem umfasst ferner verschiedene noch zu beschreibende Kraftabgabe- und Umsteuervorrichtungen.
Nachstehend wird anhand der in Fig. 21 bis 28 wiedergegebenen graphischen Darstellungen näher auf die wichtigsten Leistungs- und Betriebseigenschaften des Gasturbinentriebwerks eingegangen.
Fig. 21 veranschaulicht durch die Kurven a und b das Beschleunigungsverhalten eines Gaserzeugers zwischen der Leerlaufdrehzahl und der vollen Betriebsdrehzahl im Vergleich zu einem bekannten Gaserzeuger, für den die Kurve c gilt. Während der durch a bezeichneten Phase unterstützt die Hilfsturbine die Verdichterturbine, während bei der durch b bezeichneten Phase der Verdichter nur durch die Verdichterturbine angetrieben wird. Wenn zwischen der Verdichterturbine und der Hilfsturbine ein Getriebe zur Erhöhung der Drehzahl verwendet wird, geht die Wirkung der Massenträgheit der Hilfsturbine mit der zweiten Potenz zurück, während sich das dem Verdichter zugeführte Drehmoment nur mit der ersten Potenz verringert, so dass auf diese Weise die Möglichkeit besteht, die Beschleunigung weiter zu verbessern.
Fig. 22 zeigt durch einen Vergleich zwischen den Kurven d und e die Verbesserung der Drehmomentkennlinien bei niedrigen Drehzahlen für den Fall, dass die Hilfsturbine dazu dient, die Leistungsturbine zu unterstützen. Weitere der Kurve f entsprechende Verbesserungen lassen sich erzielen, wenn man auf eine noch zu beschreibende Weise zwischen der Hilfsturbine und der Hauptturbine verstellbare Leitschaufeln oder ein stufenlos verstellbares Getriebe vorsieht.
Fig. 23 veranschaulicht die Beschleunigungscharakteristik h1 für den Fall, dass die Hilfsturbine nur auf der Hauptturbinenseite benutzt wird, während die Kurve h2 für den Fall gilt, dass die Hilfsturbine zuerst auf der Verdichterseite und dann auf der Leistungsturbinenseite oder gleichzeitig auf beiden Seiten benutzt wird, was z. B. gemäss der weiter unten gegebenen Beschreibung mit Hilfe stufenlos verstellbarer Getriebe möglich ist. Die Kennlinie g1 gilt für ein Gasturbinentriebwerk bekannter Art.
Fig. 24 zeigt entsprechend das Drehmoment in Abhängigkeit von der Zeit d. h. das Ansprechen des Triebwerks auf die Betätigung der Drossel. Hierbei entsprechen die Kurven e und e1 der statischen bzw.
der dynamischen Drehmomentkurve eines Gasturbi nentriebwerkes bekannter Art mit nur einer Turbine, während die Kurven d und dt entsprechend für eine durch eine Hilfsturbine unterstützte Leistungsturbine gelten; die Kurve d2 gibt das dynamische Drehmoment bei einem Triebwerk wieder, das einen durch eine Hilfsturbine unterstützten Gas erzeuger und eine Leistungsturbine umfasst. Die Kurve d3 veranschaulicht eine Beschleunigung, die von der vollen Drehzahl des Gaserzeugers ausgeht, wobei mit einer Überlagerung der Trägheitswirkung der Hilfsturbine gearbeitet wird, die bei diesem Turbinensystem möglich ist. Eine solche Anordnung wird bei Kolbenmotoren häufig angewendet, doch ist sie bei den bis jetzt bekannten Gasturbinentriebwerken unzweckmässig oder nicht gefahrlos anwendbar.
Fig. 25 veranschaulicht die Motorbremswirkungskennlinien verschiedener Anordnungen im Vergleich zu einem Triebwerk bekannter Art, bei dem die Bremswirkung ko der Leistungsturbine vernachlässigbar gering ist. Die Bremswirkung kann jedoch etwas verbessert werden, wenn man die Leistungsturbine mit verstellbaren Düsen ausrüstet. Die Kurve kt veranschaulicht die Bremswirkung des Verdichters, während die Kurve k2 die Bremswirkung eines Verdichters mit verstellbaren Düsen wiedergibt und die Kurve k3 eine weitere Zunahme der Bremswirkung durch eine zusätzliche aerodynamische Abbremsung mit der Hilfsturbine erkennen lässt.
Zu Vergleichszwecken ist das maximale Antriebsdrehmoment d in die gleiche Darstellung eingetragen, so dass man die hervorragende Motorbremswirkung erkennt.Ferner ist die im Notfall durch eine Umsteuerung erzielbare Bremswirkung für verschiedene prozentuale Anteile der Triebwerksleistung dargestellt.
Fig. 26 zeigt den spezifischen Kraftstoffverbrauch bei Teillast für ein bekanntes Turbinensystem f1 und zwei Ausführungsformen von erfindungsgemässen Turbinentriebwerken, von denen das System f5 ohne verstellbare Leitschaufeln und verstellbare Geriebe arbeitet, während das System f mit verstellbaren Leitschaufeln und Getrieben ausgerüstet ist. Die entsprechende Turbinentemperatur sind durch die Kurven tt, t2 und t5 wiedergegeben. Ferner ist die Wirkung der Iflifsturbine auf den Kraftstoffverbrauch im Leerlauf, die mit SFC*s bezeichnet ist, mit dem Leerlauf-Kraftstoffverbrauch SFC* einer Turbine bekannter Art verglichen.
Zu den Gründen für diese erhebliche Verbesserung gehört die erzielbare niedrigere Leerlaufdrehzahl in Verbindung mit der Verbesserung der Beschleunigung, der besseren gegenseitigen Anpassung des Verdichters und der Turbine, der Verwendung verstellbarer Leitschaufeln und der Übertragung der Leistung der Hilfsturbine.
Fig. 27 zeigt die Drehmomentcharakteristik der durch die Hilfsturbine angetriebenen Abtriebswelle für den Fall, dass als Verbindungsgetriebe ein stufenlos verstellbares Getriebe verwendet wird. Bei dem Turbinensystem ist ferner eine zeitweilige Trägheitsrückkopplung von der Hilfsturbine aus im Rahmen der Leistungsfähigkeit des Kraftabgabegetriebes möglich, das gegen Überlastung durch eine geeignete Einstellung des Schlupfpunktes des Getriebes bzw. der Kraftübertragungseinrichtung oder einer Drehmomentbegrenzungsvorrichtung geschützt werden kann, wie es weiter unten näher erläutert ist.
Fig. 28 veranschaulicht das insgesamt von der Hauptabtriebswelle und der Hilfsabtriebswelle abgegebene Drehmoment sowie das maximale Drehmoment, das an der Hilfsabtriebswelle zur Verfügung steht, ohne dass ein zusätzliches, auf die Trägheit der Last zurückzuführendes Drehmoment oder ein Drehmoment ausgenutzt wird, das der Hauptkraftübertragungseinrichtung oder dem Gaserzeuger entnommen wird.
In Fig. 29 bis 58 sind verschiedene gemäss der Erfindung mögliche Konstruktionsbeispiele zum Abgeben der Turbinenleistung dargestellt. Fig. 29 bis 34 zeigen verschiedene wenig Raum beanspruchende, eine konstruktive Einheit bildende Untersetzungs- und Kombinationsgetriebe der Bauart mit Zahnrädern mit abgestuftem Durchmesser für die Hilfsturbine und die Hauptturbine. Hierbei sind die Wellen der Turbinen und die Hauptkraftabgabewelle gleichachsig angeordnet, während Fig. 35 bis 37 verschiedene sogar noch weniger Raum beanspruchende Kombinationsgetriebe mit auf der Innenseite verzahnten Zahnrädern zeigen, bei denen die Kraftabgabewelle gegen die Turbinenwellen versetzt ist.
Fig. 29 zeigt eine Anordnung, bei der die Verbindung zwischen der Hauptturbine 7 und der Hilfsturbine 5 durch eine Freilaufkupplung 28 und/oder eine Reibungskupplung 29 gebildet ist. Die Freilaufkupplung kann auf zwei verschiedene Weisen verwendet werden. Bei der ersten möglichen Anordnung verhindert die Freilaufkupplung, dass sich die Abtriebswelle 14 mit einer Drehzahl dreht, die höher ist als die durch das Übersetzungsverhältnis zwischen der Hilfsturbine und der Hauptturbine bestimmte Drehzahl, so dass die Hilfsturbine automatisch ein- und ausgekuppelt wird.
Bei der zweiten möglichen Anordnung verhindert der Freilauf, dass die Hilfsturbine mit einer niedrigeren Drehzahl arbeitet als die Hauptturbine. Diese letztere Anordnung ist zu bevorzugen, da sie einen Betrieb bei der vollen Drehzahl der Abstriebswelle selbst dann zulässt, wenn die Hauptturbine zum Stillstand gekommen ist der in der Gegenrichtung umläuft. Gleichzeitig ermöglicht diese Anordnung die Ausnutzung der Träg heitswirkung des Fahrzeugs oder der Hauptlast bei hohen Geschwindigkeiten und ferner eine aerodynamische Bremsung bei jeder beliebigen Drehzahl mit Hilfe des gegenläufigen Turbinensystems und der verstellbaren Leitschaufeln bei eingerückter Reibungskupplung.
Fig. 30 zeigt eine Anordnung, die es bei ein und derselben Konstruktion grundsätzlich ermöglicht, jede beliebige der vorstehend erwähnten Charakteristiken in Abhängigkeit von den Betriebserfordernissen auszunutzen. Bei dieser Ausführungsform ist eine Kupplung zum Ausrücken des Freilaufs 28 vorgesehen.
Fig. 31 zeigt, auf welche Weise das Turbinensystem mit zwei Kränzen von verstellbaren Leitschaufeln ausgerüstet werden kann, um eine vollständige Regelung der Leistungsaufteilung zwischen der durch die Hilfsturbine angetriebenen Abtriebswelle 14 und der die Hauptlast 12 treibenden Hauptturbine zu erzielen. In diesem Fall kann die Leistung der einen Turbine stufenlos zwischen 0 und 100 o/o und die Leistung der anderen Turbine gleichzeitig zwischen 100 und 0 o/o bzw. umgekehrt stufenlos variiert werden. Ferner können bei dieser Anordnung die beiden Turbinenwellen sowohl in der gleichen Drehrichtung als auch in entgegengesetzten Drehrichtungen umlaufen. Bei dieser Konstruktion wird eine aussergewöhnlich gute Leistung und Regelbarkeit erzielt.
Fig. 32 zeigt eine Anordnung, die grundsätzlich die gleichen Merkmale aufweist wie die Anordnung nach Fig. 29, bei der jedoch eine Kupplung 31 für den Antrieb in der Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung vorgesehen ist, und bei der der Freilauf 28 und die Reibungskupplung 29 etwas anders angeordnet sind.
Fig. 33 zeigt eine den Anordnungen nach Fig. 29 und 30 ähnelnde Anordnung, bei der jedoch die die Verbindung zwischen der Hilfsturbine und der Hauptturbine bildenden Zahnkranzfreilauf- und Reibungselemente durch ein stufenlos verstellbares Getriebe ersetzt sind, das einen ersten Teil 32 umfasst, der als Generator G bzw. als Motor M arbeiten kann, wobei gegebenenfalls von einer Hilfsabtriebswelle 32a Gebrauch gemacht wird, sowie einen zweiten Teil 33, der als Motor M oder als Generator G betrieben werden kann.
Dieses Getriebe kann als elektro- oder hydrostatisches Getriebe oder auf beliebige andere Weise so ausgebildet sein, dass das Obersetzungsverhältnis stufenlos ver änderbar ist. Ferner ist es möglich, ein mit Rutschkupplungen versehenes abgestuftes Getriebe zu verweden.
Fig.34 zeigt ein Differential-Planetenrad-Verbindungsgetriebe 34 mit einem stufenlos verstellbaren Getriebe 35, das so eingerichtet ist, dass die Hilfsturbine 5 die Abtriebswelle 14 und das Sonnenrad 36 des Differentialgetriebes entgegengesetzt zur Drehrichtung der Hauptabtriebswelle 12 und des daran befestigten Zahnkranzes 37 antreibt. Die Antriebswelle des verstellbaren Getriebes wird von dem Untersetzungsgetriebe der Hilfsturbine aus angetrieben, und das Reaktionsdrehmoment wird von der Abtriebswelle 12 über ein Zwischenzahnrad 39, den Planetenradträger 40 und den Zahnkranz 37 aufgenommen. Somit lässt sich das Drehzahlverhältnis zwischen den beiden Turbinen stufenlos ändern, und man kann jeweils die ideale Leistungsaufteilung auf die Hilfsabtriebswelle und die Hauptabtriebswelle wählen.
Das verstellbare Getriebe 35 kann wie zuvor auf beliebige geeignete Weise ausgebildet sein, z. B. als elektrisches, hydraulisches, pneumatisches oder mechanisches Reibungsgetriebe oder als eine steuerbare Rutschkupplung. Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Hauptabtriebswelle 12 gleichachsig mit den Turbinenwellen angeordnet.
Fig. 35 zeigt eine Anordnung mit ähnlichen Eigenschaften wie die Anordnung nach Fig. 32, bei der jedoch die Abtriebswelle gegenüber der Turbinenwelle versetzt ist. Diese Anordnung ermöglicht einen Antrieb sowohl in der Vorwärtsrichtung als auch in der Rückwärtsrichtung sowie ein vollständig automatisches Arbeiten der Leistungsturbine mit aerodynamischer Turbinenregelung, ohne dass irgendeine Vorrichtung zum Verstellen eines Getriebes benötigt wird. Ferner ermöglicht diese Anordnung die Erzielung einer vollen aerodynamischen Motorbremswirkung und die Schaffung einer ausserordentlich einfachen Konstruktion, so dass diese Anordnung sehr vorteilhaft bei Fahrzeugen angewendet werden kann, bei denen ein kleiner Raumbedarf, ein niedriges Gewicht, eine einfache Konstruktion und geringe Herstellungskosten von sehr grosser Bedeutung sind.
Die Welle 8 der Hauptturbine 7 ist mit einem Untersetzungsgetriebe verbunden, das zwei aussenverzahnte Zahnräder 40 und 41 umfasst. Die Welle 6 der Hilfsturbine 5 trägt ein Ritzel 42, das mit einem Innenzahnkranz 43 und einem weiteren aussenverzahnten Zahnrad 44 zum Antreiben der Hilfstriebswelle 14 kämmt. Die Zahnräder 41 und 44 sind durch eine Kupplung 31 so verbunden, dass die Hauptabtriebswelle 12 sowohl in der Vorwärtsrichtung als auch in der Rückwärtsrichtung angetrieben werden kann. Zwischen dem Zahnkranz 43 und der Abtriebswelle des Zahnrades 41 ist ein Freilauf 28 vorgesehen.
Fig. 36 zeigt eine Anordnung ähnlich derjenigen nach Fig. 30, bei der jedoch ein Freilauf und eine Kupplung 29 ähnlich den im Zusammenhang mit Fig. 35 beschriebenen vorgesehen sind. Gegebenenfalls kann man ebenso wie bei der Anordnung nach Fig. 35 in die Verbindung zu der Abtriebswelle 12 ein umsteuerbares Getriebe einschalten.
Fig. 37 zeigt eine Anordnung, die derjenigen nach Fig. 36 entspricht, bei der jedoch verstellbare Düsen oder Leitschaufeln 23 zwischen den beiden Turbinen angeordnet sind, um eine Verbesserung der Regelbarkeit der über die Hilfsabtriebswelle und die Hauptabtriebswelle abgegebenen Leistung zu erzielen, wobei beide Turbinen in der gleichen Drehrichtung umlaufen.
Das Untersetzungsgetriebe der Hauptturbine umfasst in diesem Fall einen innenverzahnten Zahnkranz 45.
Fig. 38 zeigt die gleiche grundsätzliche Anordnung wie Fig. 37, bei der jedoch der Freilauf und die Reibungskupplungen ähnlich wie bei der Anordnung nach Fig. 33 durch ein stufenlos verstellbares Getriebe 32, 33 ersetzt sind. Ausserdem kann mit Hilfe eines verbundenen Kraftübertragungssystems 32a, 32b Energie zwischen dem Gaserzeuger und den Kraftabgabewellen übertragen werden.
Fig. 39 zeigt wiederum eine Anordnung ähnlich derjenigen nach Fig. 34, bei der - die Kraftübertragungs einrichtung 32a, 32b zur Übertragung von Energie zwischen dem Gaserzeuger und den Kraftabgabewellen als elektrische oder hydraulische Vorrichtung ausgebildet sein kann, wobei der mit 32b bezeichnete Teil z. B.
durch ein Peltonrad gebildet ist.
Fig. 40 zeigt eine Anordnung, die auf der in Fig. 14 gezeigten grundsätzlichen Anordnung basiert, wobei eine äussere Verbindung 15 zwischen dem Läufer des Gaserzeugers und der Hilfsturbine vorgesehen ist, in die ein verstellbares Getriebe 35 eingeschaltet ist. Die Hilfsturbine kann ausserdem über ein Planetenzahnrad 46, einen durch ein Bremsband steuerbaren Freilauf 47, 48 und einen durch ein Bremsband steuerbaren Zahnkranz 49, 50 sowohl die Hauptturbine als auch die Verdichterturbine über das verstellbare Getriebe 35 unterstützen.
Eine aerodynamische Motorbremswirkung wird mit Hilfe der Hilfs- und Hauptabtriebswellen unter Benutzung eines Untersetzungsgetriebes 52 erzielt, das als mechanisches oder hydraulisches Getriebe ausgebildet sein kann und mit der Hilfsturbine über einen inneren Freilauf 51 und mit dem Verdichter über die Hilfsturbine und das verstellbare Getriebe 35 zusammenarbeitet.
Die Bremsbänder und der äussere Freilauf arbeiten in der an Hand von Fig. 29 und 30 bezüglich der Kupplungen und des Freilaufs beschriebenen Weise.
Fig. 41 zeigt eine Anordnung ähnlich derjenigen nach Fig. 40, bei der jedoch die Hilfsturbine 5 in der Strömungsrichtung hinter der Hauptturbine 7 angeordnet ist, wobei ein Planetenzahnradgetriebe 46 und zwei Freilaufkupplungen 47 und 51 vorgesehen sind, und wobei der erste Freilauf 47 mit Hilfe einer Reibungskupplung 53 gesteuert und der Gaserzeuger über ein verstellbares Getriebe 35 angetrieben wird. Bei dem Getriebe 35 handelt es sich vorzugsweise um ein stufenlos verstellbares Getriebe, doch kann man zur Erzielung der einfachsten möglichen Konstruktion eine Reibungskupplung oder einen Freilauf und eine kombinierte Reibungs- und Freilaufkupplung vorsehen, wie es nachstehend an Hand von Fig. 43 bis 51 beschrieben wird.
Die Unterbrechung 54 zwischen den Wellen 2 und 15 deutet an, dass die Möglichkeit besteht, einen Antrieb 54a (Fig. 41a) für einen Vorverdichtungsläufer des Verdichters 1, d. h. eine Laderstufe 54b, vorzusehen, die mit dem Gas erzeuger direkt oder über einen Freilauf verbunden ist.
Fig. 42 zeigt eine Anordnung ähnlich derjenigen nach Fig. 41, wobei der Hauptunterschied darin besteht, dass die Turbinen bei der ersten Anordnung in der gleichen Drehrichtung und bei der zweiten Anordnung in entgegengesetzter Drehrichtung umlaufen. Das Planetenzahnradgetriebe ist zu diesem Zweck entsprechend ausgebildet.
Fig. 43 zeigt eine vereinfachte Anordnung, die in Beziehung zu den Anordnungen nach Fig. 39 bis 42 steht, bei denen in jedem Fall ein Planetenzahnrad Drehmomentvervielfacher zwischen der Hilfsturbine und der Hauptturbine und ein stufenlos verstellbares Getriebe vorgesehen sind.
Die Anordnung ist die gleiche wie die in Fig. 36 dargestellte, doch ist keine Kupplung zum Verriegeln der Freilaufkupplung vorgesehen. Die Kraftübertragungseinrichtung zwischen der Hilfsturbine und dem Läufer des Gaserzeugers ist vereinfacht und umfasst eine Freilaufkupplung und eine Verriegelungskupplung, wobei in die Verbindungswelle 15 eine Rutschkupplung 55 eingeschaltet ist. Die Leitschaufeln 22 und 23 der Hilfsturbine und/oder der Hauptturbine können entsprechend den jeweiligen Erfordernissen als auch feste Leitschaufeln ausgebildet sein.
In manchen Anwendungsfällen kann man die Leitschaufeln zwischen der Hilfsturbine und der Hauptturbine vollständig fortlassen. In diesem Fall ist es jedoch erforderlich, ein auf besondere Weise konstruiertes Turbinentriebwerk vorzusehen, bei dem beide Turbinen in der gleichen Richtung umlaufen. Hierbei kann die Hilfsturbine auf neuartige Weise dazu dienen, die Verdichterturbine zu unterstützen oder ein Gebläse zur Erzeugung einer Vorverwirbelung zu bilden, wobei Energie auf aerodynamischem Wege von der Verdichterturbine über die Hilfsturbine zu der Hauptturbine übertragen wird.
Bei dieser Arbeitsleistung als Gebläse kann die Hilfsturbine auch dazu beitragen, den Mengendurchsatz des Turbinentriebwerkes zu steigern, so dass es mit ihrer Hilfe möglich ist, die insgesamt abgegebene Leistung zu beeinflussen. Die Turbinen- oder Gebläsewirkung wird mit Hilfe der verstellbaren Düsen bzw.
Leitschaufeln gewählt oder geregelt, die in diesem Fall vor der Hilfsturbine angeordnet sind.
Fig. 43a zeigt eine der Anordnung nach Fig. 43 ähnelnde Anordnung, bei der jedoch das Untersetzungs- und Kombinationsgetriebe zur Verwendung bei einem Triebwerk mit gegenläufigen Turbinen ausgebildet ist. In manchen Anwendungsfällen kann man einen Leitschaufelkranz oder beide Leitschaufelkränze vollständig fortlassen, so dass man eine sehr einfache Anordnung mit sehr guten Eigenschaften bezüglich des Drehmomentes, der Beschleunigung und des Kraftstoffverbrauchs erhält.
Die in Fig.44 bis 56 dargestellten Anordnungen können ebenfalls in der bezüglich Fig. 43 und 43a beschriebenen Weise variiert werden, doch ist bei ihnen eine weiter vereinfachte, wenig Raum beanspruchende grundsätzliche Konstruktion in der Weise vorgesehen, dass die der Welle 15 in Fig. 14 entsprechende äussere Welle durch eine Verlängerung 56 der Verdichterturbinenwelle 2 ersetzt ist, die sich in diesem Fall durch die hohle Hilfsturbinenwelle 6 hindurch zu dem Hauptturbinengetriebe erstreckt. Dort sind auch die Freilaufkupplung und die Verrieglungs- und Rutschkupplung 55a für die aerodynamische Übertragung der Energie der Hilfsturbine angeordnet. Somit kann man verschiedene Zahnräder, Wellen, Lager und andere Getriebeteile fortlassen, so dass sich eine sehr wenig Raum beanspruchende Anordnung ergibt.
Die Hauptturbinenwelle 8 ist als Hohlwelle ausgebildet und umschliesst die beiden Wellen 6 und 56.
Fig. 45 zeigt wiederum die gleiche Anordnung, bei der jedoch die Freilaufkupplung und die Kupplung 55b in einem Hilfsgetriebegehäuse vor dem Verdichter 1 angeordnet sind. In diesem Fall ist die Hilfsturbinenwelle 6 mit einer Verlängerung 4 versehen, die durch die als Hohlwelle ausgebildete Verdichterturbinenwelle 2 ragt. Diese Konstruktion ermöglicht die Fortlassung einer der beiden Hohlwellen auf der Hauptturbinenseite, so dass sich die Lagerung vereinfacht und die Turbinenscheibe leichter befestigt werden kann. Eine weiere Vereinfachung, bei der ebenfalls die Hohlwelle der Verdichterturbine fortfällt, ist in Fig. 15 bis 17 dargestellt, wo die Kraftübertragungseinrichtung, d. h.
der Freilauf und die Kupplung, zwischen der Verdichterturbine und der Hilfsturbine angeordnet ist. Bei dieser Konstruktion ist es erforderlich, für eine geeignete Abschirmung gegen Wärme zu sorgen, doch ist dies gewöhnlich ohne Schwierigkeiten möglich. Diese zuletzt erwähnte Anordnung erweist sich dann als ideal, wenn der Gaserzeuger und die Hauptturbine unter einem Winkel zueinander angeordnet sind und die Verbindung zwischen den Wellen 2 und 6 durch einen Winkeltrieb oder ein verstellbares Getriebe gebildet ist; in diesem Fall können die Getriebe- und Verbindungsteile auf der Aussenseite des Aggregats angeordnet werden.
Fig. 46 zeigt die gleiche Anordnung wie Fig. 44, abgesehen davon, dass die hintere Kupplung 29, die ein- oder ausgerückt sein kann, durch ein stufenlos verstellbares Getriebe 32, 33 ersetzt ist, das dem anhand von Fig. 33 und 38 beschriebenen Getriebe ähnelt und als elektrisches, hydrostatisches oder sonstiges Getriebe ausgebildet sein kann.
Fig. 47 zeigt die gleiche grundsätzliche Anordnung wie Fig.46, doch ist gemäss Fig. 47 in die Abtriebswelle 14 ein zu einer Einheit zusammengefasstes verstellbares Getriebe 35 eingeschaltet.
Fig. 48 zeigt die gleiche Anordnung wie Fig.47, doch ist hier anstelle des verstellbaren Getriebes 35 ein Planetenzahnradgetriebe 57 vorgesehen, das über eine Freilaufkupplung 58 betätigt wird,wobei die Steuerung durch eine Reibungskupplung 59 erfolgt. Die Energie wird von der Hilfsturbine 5 und dem zur Vervielfachung des Drehmoments dienenden Planetengetriebe 57 aus der Abtriebswelle 12 zugeführt, so dass die Hilfsturbine die Hauptturbine beim Beschleunigen der Last unterstützt; die Verbindungen zwischen der Verdichterturbine 3 und der Hilfsturbine 5 sind wieder in der zuvor beschriebenen Weise ausgebildet.
Fig. 49 zeigt eine Variante des Triebwerks nach Fig. 48, bei dem jedoch der Planetenradträger und die Kupplungsanordnung durch ein verstellbares Getriebe 35 ersetzt ist. Das Getriebe 35 ist mit einem Differential- und Planetenradgetriebe 60 so kombiniert, dass das Drehmoment des verstellbaren Getriebes vergleichsweise klein ist, um so einen hohen Gesamtwirkungsgrad bei kleinen Abmessungen der Konstruktion zu erzielen. Wenn das Getriebe stufenlos verstellbar ist, kann man die verstellbaren Leitschaufeln fortlassen.
Dies gilt auch für die vorstehend beschriebenen Anordnungen, bei denen ein stufenlos verstellbares Getriebe vorgesehen ist.
Fig. 50 zeigt eine Anordnung, bei der das verstellbare Getriebe durch verstellbare Leitschaufeln 23 zur Steuerung der Hilfsturbine 5 ersetzt ist, die mit einem Differentialgetriebe 61 zusammenarbeitet, das in die äussere Welle 15 zwischen dem Läufer 2 des Gaserzeugers einerseits und der Hauptturbine 7 und der Hilfsturbine 5 andererseits angeordnet ist, wobei die Hilfsturbine entgegengesetzt zur Hauptturbine umläuft.
Während der Beschleunigung aus dem Stillstand sowie beim Leerlaufbetrieb treibt die Hauptturbine die Hauptlast in der üblichen Weise an, während gleichzeitig die Hilfsturbine sowohl die Hauptturbine als auch den Verdichter über das Planetenradgetriebe und die Freilaufkupplung 55 der äusseren Welle 15 unterstützt.
Selbst bei einer hohen Drehzahl des Verdichters kann die Hilfsturbine immer noch Energie sowohl dem Verdichter als auch der Hauptturbine zuführen, wobei die Energiemenge mit Hilfe der verstellbaren Leitschaufeln 23 der Hilfsturbine kontinuierlich geregelt wird.
Bei dieser Anordnung arbeitet die Hilfsturbine mit einer allmählich zunehmenden Drehzahl, während sich die Drehzahl der Hauptturbine erhöht, und die Hilfsturbine läuft mit einer Drehzahl, die höher ist als diejenige der Hauptturbine, wenn diese mit einer hohen Drehzahl arbeitet. Da sich jedoch die Hilfsturbine am kühleren Ende des Gasstromes befindet, kann diese Arbeitsweise zugelassen werden, ohne dass die Lebensdauer der Turbine beeinträchtigt wird, und bei dieser Anordnung wird das verfügbare Material tatsächlich besser ausgenutzt. Bei dem Betrieb mit Teillast arbeitet die Hilfsturbine dann, wenn die Freilaufkupplung 55 verriegelt ist, teilweise mit einer aerodynamischen und teilweise mit einer mechanischen Kraftübertragung.
Hierbei arbeitet die Hilfsturbine 5 als Abgasturbine oder Gebläse, so dass sich der Gegendruck der Hauptturbine 7 verringert und sich die relative Belastung des Gaserzeugers erhöht, wobei die Turbine bei einer höheren Temperatur arbeitet. Daher erhöht sich der Wirkungsgrad des Gaserzeugers, und der spezifische Kraftstoffverbrauch verringert sich. Eine stufenlose Regelung wird mit Hilfe der verstellbaren Leitschaufeln 23 bewirkt, die gemäss Fig. 50 ebenfalls auf der kühleren Abgasaustrittsseite angeordnet sind. Um den Wirkungsgrad der Abgasturbine und die Ausnutzung des Drucks zu verbessern, kann die Hilfsturbine gemäss Fig. 50 mit einem mit Leitschaufeln bestückten Abgasdiffusor 62 versehen sein. Mit Hilfe des Differentialgetriebes, der verstellbaren Leitschaufeln und der verriegelbaren Freilaufkupplung kann eine Motorbremswirkung automatisch erzielt werden.
Diese Wirkung kann zusätzlich dadurch verstärkt werden, dass man das Differential-Planetenradgetriebe mit einer Bremsfreilaufkupplung ausrüstet, die z. B. gemäss Fig.
401 zwischen dem Sonnenrad und dem Planetenradträger angeordnet sein kann.
Fig. 51 und 51a zeigen die gleiche Anordnung wie Fig. 50, wobei jedoch auf der Hauptturbinenseite die Getriebeanordnung in der Verbindung zwischen der Hilfsturbine und dem Läufer des Gaserzeugers abgeändert ist. Fig. 51a zeigt eine Anordnung, bei der sich das Verbindungsglied nicht wie in Fig. 51 ausserhalb des Aggregats, sondern durch Hohlwellen erstreckt. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, dass man das Ausmass der seitlichen Versetzung der Welle vergrössern oder verkleinern und die Drehrichtung ändern kann, indem man geeignete Zwischenzahnräder vorsieht bzw.
fortlässt; durch diese Massnahme wird die grundsätzliche Anordnung nicht geändert. Bei der Anordnung nach Fig. 51 ist die Hauptturbine 7 mit verstellbaren Leitschaufeln 22 und die Hilfsturbine 5 mit festen oder verstellbaren Leitschaufeln 23a ausgerüstet.
Fig. 52 zeigt die gleiche Anordnung wie Fig. 51, jedoch ist in diesem Fall ein stufenlos verstellbares Getriebe 35 in die Verbindung zwischen der Hilfsturbine und dem Läufer des Gaserzeugers eingeschaltet.
Fig. 53 zeigt eine ähnliche Anordnung, bei der jedoch die Hilfsturbine 5 in der Strömungsrichtung vor der Hauptturbine 7 angeordnet ist, so dass die Hilfsturbine wie zuvor zum Abbremsen des Verdichters und zur Beschleunigung des Gaserzeugers dienen kann, wobei sie jedoch als Abgasturbine der Verdichterturbine arbeitet. Ferner kann die Hilfsturbine benutzt werden, um die Erzeugung des Dralls auf der Einlassseite der Hauptturbine zu variieren, oder sie kann einfach als Abgasturbine arbeiten, was durch die Verwendung verstellbarer Düsen der Hauptturbine ermöglicht wird.
Fig. 54 zeigt eine Anordnung ähnlich derjenigen nach Fig. 52, d. h. eine Anordnung mit einem verstellbaren Getriebe 35 zwischen der Hilfsturbine und dem Läufer des Gaserzeugers, wobei jedoch die Hilfsturbine 5 in der Strömungsrichtung vor der Hauptturbine 7 angeordnet und mit festen oder verstellbaren Leitschaufeln 22a ausgerüstet ist.
Fig. 55 zeigt eine Anordnung, bei der die Kraft übertragung zwischen der Hilfsturbine 5 und der Verdichterturbine 3 durch ein elektrisches oder hydrostatisches, verstellbares Getriebe 32, 33 bewirkt wird, wobei das Getriebe in diesem Fall in einem Hilfsgetriebegehäuse vor dem Verdichter angeordnet ist. Die Verbindung zu der Hauptturbine wird durch eine Freilaufkupplung 63 hergestellt, die im Getriebegehäuse der Hauptturbine untergebracht ist, das ein Planetenradgetriebe mit drei Vorwärtsgängen, jedoch ohne Rückwärtsgang enthält. Man kann jedoch einen oder mehrere Rückwärtsgänge vorsehen, wenn man eine verriegelbare Kupplung benutzt, die z. B. zwischen den beiden Sonnenzahnrädern angeordnet ist, sowie ein Zwischenzahnrad zwischen dem vorderen Sonnenzahnrad oder dem vorderen Zahnkranz und den einen kleineren Durchmesser aufweisenden abgestuften Planetenrädern.
Ferner kann man ein Kriechen verhindern bzw. die Last abstützen, wenn man zwei der Kupplungen gleichzeitig einrückt, wenn das Fahrzeug bzw. die Last zum Stillstand gekommen ist, und wenn die Drossel freigegeben bzw. zurückgenommen worden ist; entsprechend werden die beiden Kupplungen wieder ausgerückt, sobald die Drossel betätigt wird und/oder sich die Last bewegt.
Fig. 56 zeigt gundsätzlich die gleiche Anordnung wie Fig. 55, doch ist in diesem Fall ein verstellbares Getriebe 64 vorgesehen, das vorzugsweise so ausgebildet ist, dass es ohne Verwendung von Zwischenzahnrä dem mit der gleichen Drehzahl arbeitet wie die Turbine. Dieses Getriebe kann in der verschiedensten Weise ausgebildet sein, z. B. als elektrisches Getriebe mit einem Stromerzeuger und einem Motor, deren Funktionen vertauscht werden können, so dass eine Kraftübertragung auch im Rückwärtsgang möglich ist.
Ein solches elektrisches Getriebe bietet verschiedene Vorteile, zu denen unter anderem die Tatsache gehört, dass es durch niedrige Umgebungstemperaturen nicht nachteilig beeinflusst wird. Das verstellbare Getriebe kann auch als hydrostatisches Getriebe mit einer Pumpe und einem Motor ausgebildet sein, und wie zuvor kann man die Möglichkeit der Umsteuerung vorsehen. Weiterhin ist es möglich, ein Reibungsgetriebe oder ein hydrodynamisches Getriebe vorzusehen. Alle diese Getriebe können von einfacher Konstruktion mit geradliniger Kraftübertragung oder als mit einer Drehmo; mentunterteilung arbeitende mechanische Getriebe ausgebildet sein, die mit einem höheren Wirkungsgrad bei kleineren Abmessungen arbeiten, bei denen jedoch der Drehzahlbereich kleiner ist.
Die Wahl eines geeigneten Getriebes richtet sich nach den jeweiligen Erfordernissen des Anwendungsfalles, jedoch ermöglicht die beschriebene Anordnung die Erzielung einer grösseren Flexibilität und Anpassungsfähigkeit, so dass der jeweilige Kunde seine Wahl bezüglich der Hilfsgeräte treffen kann, während die Hauptelemente unveränderlich bleiben. Ferner umfasst die Anordnung nach Fig. 56 ein gegenläufiges Turbinentriebwerk, während die Turbinen bei der Anordnung nach Fig. 55 in der gleichen Richtung umlaufen; um eine solche änderung herbeizuführen, kann man auf ziemlich einfache Weise die Beschaufelung der Turbinen ändern und ein Sonnenzahnrad des Untersetzungsgetriebes durch einen Zahnkranz ersetzen. Fig. 56 zeigt anstelle von Kupplungen Bremsbänder 63a; die jeweilige Wahl richtet sich in erster Linie nach dem in radialer Richtung verfügbarem Raum.
Fig. 57 und 58 zeigen zwei Ausführungsformen des Hauptturbinensystems ähnlich derjenigen nach Fig. 34, wobei jedoch das stufenlos verstellbare Getriebe und das diesem zugeordnete Getriebe fortgelassen sind.
Eine aerodynamische Bremswirkung kann im ersteren Fall dadurch erzielt werden, dass man ein Bremsband 65 anzieht, um eine Freilaufkupplung 66 festzustellen, während im zweiten Fall eine aerodynamische Bremswirkung erzielt werden kann, wenn man die beiden Rückwärts- und Vorwärtskupplungen 67 einrückt.
In beiden Fällen sind verstellbare Leitschaufeln vorgesehen, damit die Bremswirkung auf eine noch anhand von Fig. 65 bis 70 zu beschreibende Weise verstärkt werden kann. Die Anordnungen nach Fig.57 und 58 umfassen eine schematisch angedeutete Vorrichtung 68, durch die das Untersetzungsgetriebe und das Turbinensystem gegen Stossbelastungen gesichert werden, die durch die Hauptlast oder die durch die Hilfsabtriebswelle angetriebene Last hervorgerufen werden können.
Anhand der weiteren Figuren 59 bis 70 werden die Charakteristiken und die Arbeitsweise des Hauptturbinensystems für den Fall beschrieben, dass die Hauptturbine während ihres Betriebs nicht mit dem Läufer des Gaserzeugers gekuppelt ist. In diesem Spezialfalle wird ein gegenläufiges Turbinentriebwerk betrachtet, bei dem zwischen den Turbinen keine Leitschaufeln vorgesehen sind. Im Gegensatz zu den bis jetzt bekannten Anordnungen arbeiten die vorgeschlagenen Turbinentriebwerke mit voller Kraftabgabe über eine Welle, mit einer zwei Bereiche umfassenden variablen aerodynamischen Bremswirkung unter Benutzung verstellbarer Leitschaufeln der Hauptturbine, in Verbindung mit einer Vorrichtung zur Beseitigung des Dralls in den Abgasen sowie mit niedrigen Drehzahlen arbeitenden Verbindungs- und Planetenradgetrieben.
Hierdurch werden die Schwierigkeiten vermieden, die sich andernfalls infolge der grossen Fliehkräfte der Ritzel, hoher Energieverluste und einer schnellen Abnutzung der Ritzel von mit hohen Drehzahlen arbeitenden Planetenradgetrieben einstellen. Ausserdem kann die Hilfsturbine in der weiter oben schon kurz angedeuteten Weise verschiedene Aufgaben übernehmen. Einige weitere derartige Aufgaben werden im folgenden näher behandelt.
Fig. 59 veranschaulicht das relative Drehmomentverhältnis T*2 und den Wirkungsgrad zu die bei der Hilfsturbine II (5) erzielt werden, wenn die Hilfsturbine die Hauptturbine I (7) im unteren Drehzahlbereich bei feststehenden Leitschaufeln der Hauptturbine unterstützt, wobei die Hilfsturbine nicht mit Leitschaufeln oder einem Düsenkranz ausgerüstet ist. Die Linie T* zeigt das Drehmomentverhältnis einer herkömmlichen Anlage ohne Hilfsturbine.
Fig. 60 veranschaulicht die Drehzahlcharakteristiken der freien Hilfsturbine II (5), die bei der ersten Phase bzw. im ersten Leistungsübertragungsbereich durch ein Getriebe mit der Hauptturbine I verbunden und durch diese gesteuert wird. Im hohen Drehzahlbereich erfolgt eine automatische Regelung durch den Abgasdrall der Hauptturbine. Allgemein gesprochen ist die aerodynamische Konstruktion in diesem Fall derart, dass die Hauptturbine einen relativ starken Drall der Abgase bewirkt. Die Abgase werden direkt der Hilfsturbine zugeführt, die so ausgebildet ist, dass sie den Drall der Abgase beseitigt oder verringert. Wenn die Hauptturbine zum Stillstand kommt, wie es in Fig. 65 bis 67 dargestellt ist, arbeitet die Hauptturbine wie ein normaler Leitschaufelkranz für die Hilfsturbine, die ihrerseits die Aufgabe eines Abgasturboladers übernimmt.
Sie erhöht das Druckverhältnis zwischen Ein- und Ausgangsseite der Hauptturbine und sie verringert die Abgasverluste und damit auch die gesamten Druckverluste, so dass der Mengendurchsatz des ganzen Turbinentriebwerks erhöht wird. In Fig. 60 sind auch die Strömungsgeschwindigkeiten am Ausgang der Hilfsturbine II (5) dargestellt.
Der theoretische Wirkungsgrad eines eine Leistungsturbine und eine Hilfsturbine und verstellbare Leitschaufeln umfassenden Aggregats ist in Fig. 61 dargestellt, während Fig. 62 die theoretischen Drehmo mentcharakteristiken des Turbinentriebwerks für den Fall der Verwendung fester bzw. verstellbarer Leitschaufeln veranschaulicht.
Fig. 63 zeigt in einer graphischen Darstellung den spezifischen Kraftstoffverbrauch des kombinierten Turbinentriebwerks als Funktion der relativen Abtriebsdrehzahl, während Fig. 64 den spezifischen Kraftstoffverbrauch eines Turbinentriebwerks mit verstellbaren Leitschaufeln in Abhängigkeit von der relativen Leistungsabgabe zeigt.
Die allgemeine Leistung des Turbinentriebwerks bei feststehenden Leitschaufeln und die Bremswirkung, die bei umgestellten Leitschaufeln und auf aerodynamischem Wege unter Benutzung der Turbine als Bremse erzielt wird, sind in Fig. 65 dargestellt. Die Turbinenund Getriebeanordnung bei Benutzung einer Turbine nach Fig. 65 unter zusätzlicher Verwendung verstellbarer Leitschaufeln und einer aerodynamischen Reaktionsbremse sowie einer Hilfskraftabgabewelle ist in Fig. 66 gezeigt.
Fig. 67 bis 70 zeigenVektordiagramme bzw. Gescwindigkeitspläne der Strömungsgeschwindigkeiten, die für die Turbinen und das Planetenradgetriebe nach Fig. 66 gelten.
In jeder der Figuren 67 bis 70 ist jeweils ein Geschwindigkeitsplan für die Hauptturbine I und für die Hilfsturbine II dargestellt, der die Strömungsgeschwindigkeiten für die Eingangs- und die Ausgangsseiten der Turbinen in üblicher Weise unter Verwendung von im Strömungsmaschinenbau allgemein üblichen Bezeich- nung darstellt.
Fig. 67 und 68 veranschaulichen die Situation für den Punkt A (Stillstandspunkt) in Fig. 65 und für den Punkt B bei der ersten Phase, bei der beide Turbinen nach Fig. 65 Arbeit leisten, während Fig. 69 die Situation für den Punkt E der zweiten Phase wiedergibt, bei der allein die Turbine I arbeitet Fig. 70 veranschaulicht die Situation am Punkt c in Fig. 65, d. h. den Fall, dass verstellbare Leitschaufeln in ihre Bremsstellung gebracht worden sind, dass das Reaktionselement frei ist (DR-pos), bzw. dass das Reaktionselement verriegelt ist (BR-pos).
Die Hilfsabgasturbine kann so ausgebildet sein, dass sie einen geringeren, jedoch immer noch erheblichen Drall der Abgase in der Rückwärtsrichtung bewirkt, d. h. entgegen der Richtung der aus der Hauptturbine austretenden Gase. In diesem Fall ist der Drall vorzugsweise weniger als halb so gross wie der zuletzt genannte Drall, so dass der Energieinhalt weniger als 25 o/o beträgt.
Wenn das Turbinentriebwerk gemäss Fig. 65 bis 70 beginnt, die Last zu bewegen, wird der resultierende Drall der Abgase verringert und dann allmählich in der entgegengesetzten Richtung gesteigert, woraufhin der Drall wieder abnimmt und dann erneut in der ursprünglichen Richtung zunimmt, wie es im unteren Teil von Fig. 60 dargestellt ist, so dass der Drall ständig nach beiden Seiten gegenüber der Nullinie variiert.
Fig. 61. und 62 lassen den Gewinn bezüglich des relativen Wirkungsgrades und die Drehmomentvervielfachung mit Hilfe verstellbarer Leitschaufeln im Vergleich zu feststehenden Leitschaufeln bei der Hilfsturbine erkennen.
Fig. 63 und 64 zeigen den entsprechenden Gewinn bezüglich des spezifischen Kraftstoffverbrauchs SFC in Abhängigkeit vom Drehzahlverhältnis bzw. dem Leistungsverhältnis bei der Hilfsturbine und bei der Verwendung verstellbarer Leitschaufeln in Verbindung mit einer mechanisch-aerodynamischen Kraftübertragung.
Fig. 65 bis 70 veranschaulichen die grundsätziche Arbeitsweise des Turbinentriebwerks und des mit niedriger Drehzahl arbeitenden Planetenradgetriebes ohne Kraftübertragungsvorgänge sowie die gemäss Fig. 70 nur mit Hilfe der Hauptturbine bewirkte aerodynamische Abbremsung mit Hilfe verstellbarer Leitschaufeln, jedoch ohne Benutzung der Reaktionsbremse BR.
Fig. 71 veranschaulicht die Anordnung einer grösseren Anlage, wobei jede Turbine eine grössere Einheit ist, z. B. eine mehrstufige Axialturbine. Die Hauptturbine 7 und die Hilfsturbine 5 sind gemäss dieser Ausführungsform achsparallel angeordnet. Die Welle 8 der Hauptturbine 7 und die Zwischenwelle 6 der Hilfsturbine 5 sind über ein Getriebe 11 miteinander verbunden. Die Hilfsturbine 5 kann ausserdem mittels einer Transmission 9 und einer Kupplung mit der Welle 2 des Gaserzeugers in Verbindung stehen.
Fig. 72 zeigt eine weitere Ausführung der in Fig. 53 dargestellten Anlage. Die Hauptturbine 7 ist mit Hilfe einer variablen Kraftübertragungseinrichtung 35 mit der Abtriebswelle 14 verbunden. Die Hilfsturbine 5 treibt eine besondere Last 70 an und ist über eine Kupplung 31c mit einer weiteren Abtriebswelle 12 verbindbar. Über ein Getriebe steht eine Welle 15 mit der Kraftübertragungseinrichtung 35 in Eingriff, an welches Getriebe auch die Hilfsturbine 5 angeschlossen sein kann. Die Welle 15 kann mittels einer mit Freirad versehenen Kupplung 55 mit dem Gaserzeuger verbunden werden.
Die Hilfsturbine ist mit verstellbaren Leitschaufeln versehen und in der Gasleitung zur Hauptturbine 7 ist ein von einem Servomotor gesteuertes Ventil 35c vorgesehen.
Die Fig. 73 und 74 veranschaulichen Ausführungsbeispiele zweier Kraftübertragungseinrichtungen ähnlich der in Fig. 34 dargestellten. Die Kupplungen 31a, 31b und 31c lassen jedoch einen unmittelbaren mechanischen Antrieb zu, mit kontinuierlich variabler Übersetzung vorwärts. Ausserdem ist Antrieb rückwärts möglich, sowie Kraftüberführung von der Hilfsturbine und/oder der Verdichterturbine des Gaserzeugers.
Die beschriebenen Gasturbinentriebwerke arbeiten mit einem hohen Wirkungsgrad und daher wirtschaftlich und sind genügend flexibel, um den in der Praxis gestellten Anforderungen in einer solchen Weise zu entsprechen, dass es im Gegensatz zu den bekannten Gasturbinentriebwerken möglich wird, die Triebwerke in solchen grossen Stückzahlen herzustellen, die den Stückzahlen entsprechen oder die Stückzahlen überschreiten, in denen die bis jetzt gebräuchlichen Kolbentriebwerke hergestellt werden. Die Beschleunigungseigenschaften und Regelbarkeit der beschriebenen Gasturbinentriebwerke sind derart, dass diese Triebwerke in grossem Umfang als Antriebsvorrichtungen für Fahrzeuge, zu industriellen Zwecken und in anderen Anwendungsfällen verwendet werden können, so dass ein solches Triebwerk den besten Konstruktionen von Kolbenmotoren gleichwertig oder sogar überlegen ist.
Das Gasturbinentriebwerk arbeitet bei der Inbetriebsetzung und bei niedrigen Abtriebsdrehzahlen mit einer hohen Drehmomentvervielfachung und kann schnell bis zur vollen Leistung beschleunigt werden, so dass das Triebwerk auf hervorragende Weise geeignet ist, ein Fahrzeug oder eine andere Last zu beschleunigen. Es ist weiterhin eine ausreichende Motorbremswirkung vorhanden, ohne dass es erforderlich ist, irgendwelche zusätzlichen Verzögerungs- und Kühlvorrichtungen zu verwenden.
Ferner ist eine einfache Vorrichtung ausreichend, mittels deren das Ausmass der Abgabe von Abgaswärme zu Heizungszwecken, zur Luftklimatisierung oder zu anderen Zwecken im Vergleich zur Erzeugung mechanischer, elektrischer, hydraulischer oder pneumatischer Energie variiert werden kann, so dass sich ein solches Triebwerk als besonders vorteilhaft erweist, wenn es zu industriellen Zwecken sowie auf dem Gebiet des Eisenbahnwesens als einzige Quelle für die benötigte Energie verwendet wird.
Es kann weiterhin eine Verbesserung bezüglich der Abgabe von Energie an einen Hilfsantrieb sowie eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs im Leerlauf und bei Teillast erreicht werden, so dass das Triebwerk in Verbindung mit der schon erwähnten verbesserten Regelbarkeit des Drehmoments beim Beschleunigen und Abbremsen hervorragend zur Verwendng als An triebsvorrichtung für Eisenbahnfahrzeuge, gewöhnliche Kraftfahrzeuge und Fahrzeuge für industrielle Zwecke sowie in anderen Fällen geeignet ist, in denen die erwähnten Forderungen erfüllt werden müssen.
Da es möglich ist, zwei oder mehr voneinander unabhängige Kraftabgabewellen vorzusehen, eignet sich das beschriebene Gasturbinentriebwerk sehr gut zur Verwendung bei Erdbewegungsmaschinen, Bauhilfsgeräten und Vorrichtungen zum Bewegen von Lasten, doch ist ein solches Triebwerk auch zur Verwendung bei Hubschraubern, Schwebefahrzeugen und dergleichen geeignet.
Gas turbine engine
The gas turbine engines known up to now are not readily suitable for industrial purposes and for use as a drive device for vehicles, because in these fields of application high demands are made with regard to the adaptability with regard to the power, the recovery of heat and the speed, and such an engine is intended by be of simple construction and enable low fuel consumption to be maintained. While improvements have gradually been made on various factors, various problems have not yet been solved in practice; These tasks include avoiding low starting acceleration, poor braking when used as a drive motor and high fuel consumption at part load and when idling.
Furthermore, the task has not yet been solved to create a suitable device for transmitting the drive force to the main output shaft and to transmit a sufficient amount of energy in a suitable manner to an auxiliary drive shaft and to achieve a suitable response of the auxiliary drive or the auxiliary drive shaft to the control devices . Furthermore, the task of creating an adaptable auxiliary energy source as well as perfect controllability and recovery of exhaust gas energy has not been satisfactorily solved up to now.
The invention now provides improvements in gas turbine engines capable of meeting the aforementioned needs.
Gas turbine engines are known which include a gas generator, usually a turbine-type gas generator having a compressor, a combustor, and a compression drive turbine, and a power turbine set that generates useful energy and includes a main turbine connected to the main output shaft. In order to reduce the specific fuel consumption, a heat exchanger and / or a device for recovering energy from the exhaust gases are usually present. The gas turbine engine according to the invention is characterized by a gas generator, a main turbine and an auxiliary turbine, the rotors of both turbines being connected to the gas duct leaving the gas generator, and the auxiliary turbine being connected by means of power transmission devices to a compressor of the gas generator and / or to the main turbine.
The auxiliary turbine is thus suitable for supporting the compressor when the gas generator is started up and the power turbine when starting up or when driving the load.
The gas duct can be designed in such a way that the gas flows in a closed circuit from the combustion chamber through the main and auxiliary turbine and another turbine designed to drive the compressor and back into the combustion chamber, which works with external combustion for this purpose.
The invention and advantageous details of the invention are explained below with reference to schematic drawings of exemplary embodiments.
Figures 1 to 14 show schematically some of the possible arrangements and phases of operation of gas turbine engines.
15 to 20 illustrate a plurality of gas turbine engines constructed from so-called modular units.
Figures 21 through 28 graphically illustrate some of the performance characteristics or characteristics of turbines of the invention compared to those of known turbines.
Figures 29 through 58 show details of the arrangement of turbines and power transmission devices for various uses.
59 to 70 are schematic representations which serve to further explain some operating characteristics, in particular with regard to the power turbine and the power transmission device or the transmission.
71 and 72 show two types of engines in which the main and auxiliary turbines are connected in parallel to the gas duct of the gas generator, and FIGS. 73 and 74 show further embodiments of power transmission devices of the type shown in FIG.
In the following, the general structure of the gas turbine engines and the basic ideas of the invention will first be explained. The gas generator can have a turbine for driving the compressor. A reciprocating compressor can also be provided. The invention is explained below in connection with a gas generator which has a turbine for driving the compressor.
Fig. 1 shows the main rotor parts of a turbine type gas generator. As in known constructions, a compressor 1 is coupled to a turbine 3, namely the so-called compressor turbine, by a shaft 2, and the useful power is provided by a separate turbine 7, i. H. the so-called power or main turbine, delivered via a shaft 8. An additional turbine 5 is provided, which is referred to below as the auxiliary turbine and comprises a shaft, one part 4 of which extends in the direction of the compressor side, and the other part 6 of which extends in the direction of the power turbine side, so that the auxiliary turbine the Can support compressor part and / or the power turbine part.
In connection with further features of the invention to be explained, it is possible with the aid of the auxiliary turbine 5 to avoid the disadvantages of the gas turbines known up to now. In FIG. 1, the auxiliary turbine 5 is arranged between the compressor turbine 3 and the main or power turbine 7. The gas generator 20 comprises a combustion chamber with a burner 21. If it is particularly important to keep fuel consumption low, the system usually provides a heat exchanger 21a and in some cases further devices 21b for utilizing exhaust heat.
Fig. 2 shows the same arrangement as Fig. 1, but in connection with the required power transmission devices 9, 11 and 13 and the output shafts 10, 12 and 14, one of which drives the main load (shaft 12), while the shafts 10 and 14 drive two auxiliary loads. According to FIG. 2, the auxiliary turbine 5 is connected to the rotor of the gas generator, i.e. H. the compressor turbine is coupled when the engine is to be accelerated from idle, or when more or less suddenly a higher power requirement occurs, while the main turbine delivers its higher power to the main load.
Fig. 3 illustrates an operating state in which the compressor turbine 3 and the auxiliary turbine 5 support each other in order to drive the auxiliary load via the front output shaft 10, while the main turbine gives its power to the main load and / or the rear output shaft 14, if such Shaft is provided.
4 shows an application in which the auxiliary turbine drives the output shaft 10 independently of the compressor turbine or, if necessary, is supported by the main turbine via the shaft 6. This has the advantage that the auxiliary load can be driven independently and without overloading the gas generator.
Figure 5 shows how the engine can be used to act as an engine brake.
The braking energy is transmitted through the auxiliary turbine shaft and is primarily absorbed by the compressor, but also by the turbine system that includes the auxiliary turbine when the compressor conveys air through the turbine system. If adjustable guide vanes are provided in the turbine system, the braking effect can be increased still further; this is discussed in more detail below.
FIG. 6 shows the way in which the auxiliary turbine can support the main turbine in driving the main load via a combined power transmission device 11.
7 shows the way in which all three turbines can contribute to driving the main load 12 and / or auxiliary loads via the power transmission devices 9 and 11 and the shaft 4, 6 of the auxiliary turbine.
Fig. 8 shows how the main load 12 can be driven by the main turbine, while the auxiliary load 14 is driven jointly by the auxiliary turbine and the compressor turbine.
9 illustrates an operating state in which the auxiliary turbine 5 drives the rear output shaft 14, while the main turbine 7 drives the main load 12.
10 shows an operating state in which the auxiliary turbine 5 drives the front output shaft 10 and also contributes to driving the main load 12 together with the main turbine 7.
11 shows an arrangement in which the auxiliary turbine 5 is aerodynamically designed so that it can also be used as an exhaust fan for the compressor turbine 3 and supports the compressor by means of which air is conveyed through the turbine system.
If no fixed or adjustable guide vanes are provided between the auxiliary turbine 5 and the main turbine 7, the auxiliary turbine can thus serve to influence the vortex formation in front of the power turbine, so that a similar effect can be achieved as when using adjustable guide vanes in the main turbine; if such adjustable guide vanes are provided, this effect can be increased with the aid of the auxiliary turbine. The auxiliary turbine can also serve to vary the ratio between the energy available at the shaft and the amount of exhaust heat that is used for heating purposes or the like; this effect can be further increased by adjustable guide vanes.
In this way it is possible to increase the specific load on the compressor turbine during partial load operation, as a result of which the turbine temperature increases, so that the specific fuel consumption is reduced. This can be effected either by itself with the aid of the power transmission device 9 or in conjunction with a mechanical load on the compressor turbine via the power transmission devices or gears 9 and 11 and the parts 4 and 6 of the auxiliary turbine shaft.
12 shows the manner in which an aerodynamic braking effect can be achieved with the aid of the turbine system alone when both the auxiliary turbine 5 and the main turbine 7 operate as fans or compressors. The effect achieved is even greater if the auxiliary turbine and / or the main turbine are equipped with adjustable guide vanes. If the turbines are designed so that they rotate in opposite directions, a strong braking effect is achieved even if there are no guide vanes at all between the two turbines and if the turbines thus work as a system of counter-rotating fans or compressors.
13 shows the same arrangement as FIGS. 1 to 12, but in connection with a guide vane system.
In Figures 1 through 12, the rotor system has been intentionally shown without any guide vanes for the sake of simplicity. However, in this turbine system, which comprises a main turbine and an auxiliary turbine, the guide vane system is of particular importance, since this z. B. enables the load on the parts concerned to be adapted to the operating conditions of the system. The greatest adaptability is achieved when two rings of adjustable guide vanes are provided, namely a guide vane ring 22 in front of the auxiliary turbine 5 and a Lait blade ring 23 behind the auxiliary turbine, while the simplest possible construction is achieved if no guide blades at all are provided and the gearbox as Reaction links used. The arrangement to be selected depends, as explained later, on the intended use and the particular desired operating behavior.
14 shows the manner in which a connection between the auxiliary turbine 5 and the rotor 3 of the compressor turbine can be established with the aid of a shaft arranged outside the rotor system. This arrangement makes it possible to arrange the auxiliary turbine behind the main turbine in relation to the direction of flow, which proves to be advantageous in certain applications. For this purpose one could e.g. B. also hydraulic or electrical connections, d. H. Provide pipelines or cable connections between the generator and the engine. In this case, the shaft 15 and parts of the gears 9 and 13 can be omitted.
14 a shows an arrangement in which the auxiliary turbine is arranged in front of the compressor turbine 3. The auxiliary turbine is connected to the gas generator and / or the main turbine by mechanical, hydraulic, pneumatic or electrical power transmission devices.
Furthermore, the auxiliary turbine can be equipped or connected to a second compressor stage, which can be put into operation on its own to reduce fuel consumption when stationary or idling or when only auxiliary devices need to be driven. This second compressor stage brings about an increase in the compression ratio under normal operating conditions, and it makes it possible to reduce the size of the heat exchanger or to omit it entirely.
From the above description of FIGS. 1 to 14a, the achievable adaptability of the gas turbine engine can be seen. In the other figures, two main exemplary embodiments for the gas turbine engine are shown.
15 to 17 show a so-called modular system in which the turbine 5 forms part of the gas generator part, while FIGS. 18 to 20 show arrangements in which the auxiliary turbine forms part of the power or main turbine part.
In the arrangements according to FIGS. 15 to 17, an overrunning or slipping clutch 55, to be described in more detail in connection with FIG. 43, or another adjustable force transmission device is provided.
In the first type of construction, the gas generator part 24 can be operated alone as a unit with a single rotor and / or with two rotors and then combined according to FIG. 15 or 16 with a free power turbine 25 or according to FIG. 17 only with a power transmission device.
In the second type of construction, the gas generator part 26 is always designed in the same way, while the power turbine block 27 is designed in different ways and comprises two turbines or only one turbine. This modular system also includes various power output and reversing devices to be described.
The most important performance and operating characteristics of the gas turbine engine will now be discussed in more detail with reference to the graphs shown in FIGS. 21 to 28.
21 illustrates, by curves a and b, the acceleration behavior of a gas generator between the idling speed and the full operating speed in comparison with a known gas generator for which curve c applies. During the phase indicated by a, the auxiliary turbine supports the compressor turbine, while in the phase indicated by b, the compressor is driven only by the compressor turbine. If a gearbox is used between the compressor turbine and the auxiliary turbine to increase the speed, the effect of the inertia of the auxiliary turbine decreases with the second power, while the torque supplied to the compressor only decreases with the first power, so that in this way the possibility is to further improve the acceleration.
By comparing curves d and e, FIG. 22 shows the improvement in the torque characteristics at low speeds for the case that the auxiliary turbine is used to support the power turbine. Further improvements corresponding to curve f can be achieved if adjustable guide vanes or a continuously variable transmission are provided between the auxiliary turbine and the main turbine in a manner to be described below.
23 illustrates the acceleration characteristic h1 for the case that the auxiliary turbine is only used on the main turbine side, while curve h2 applies for the case that the auxiliary turbine is used first on the compressor side and then on the power turbine side or at the same time on both sides, what z. B. is possible according to the description given below with the help of continuously variable transmission. The characteristic curve g1 applies to a known type of gas turbine engine.
24 shows the torque as a function of time d. H. the response of the engine to the actuation of the throttle. The curves e and e1 correspond to the static and
the dynamic torque curve of a gas turbine engine of a known type with only one turbine, while curves d and dt apply accordingly to a power turbine supported by an auxiliary turbine; the curve d2 shows the dynamic torque in an engine that includes a gas generator supported by an auxiliary turbine and a power turbine. The curve d3 illustrates an acceleration which is based on the full speed of the gas generator, working with a superimposition of the inertial effect of the auxiliary turbine, which is possible with this turbine system. Such an arrangement is often used in piston engines, but it is inexpedient or unsafe to use in the gas turbine engines known up to now.
25 illustrates the engine braking action characteristics of various arrangements in comparison with an engine of a known type in which the braking action ko of the power turbine is negligibly small. The braking effect can, however, be improved somewhat if the power turbine is equipped with adjustable nozzles. Curve kt illustrates the braking effect of the compressor, while curve k2 reproduces the braking effect of a compressor with adjustable nozzles and curve k3 shows a further increase in braking effect due to additional aerodynamic braking with the auxiliary turbine.
For comparison purposes, the maximum drive torque d is entered in the same diagram so that the excellent engine braking effect can be seen. Furthermore, the braking effect that can be achieved in an emergency by reversing the direction is shown for various percentages of the engine power.
26 shows the specific fuel consumption at part load for a known turbine system f1 and two embodiments of turbine engines according to the invention, of which system f5 works without adjustable guide vanes and adjustable gear, while system f is equipped with adjustable guide vanes and gearboxes. The corresponding turbine temperatures are shown by the curves tt, t2 and t5. Furthermore, the effect of the Iflif turbine on the idling fuel consumption, denoted by SFC * s, is compared to the idling fuel consumption SFC * of a known type of turbine.
The reasons for this considerable improvement include the lower idle speed that can be achieved in connection with the improvement in acceleration, the better mutual adaptation of the compressor and the turbine, the use of adjustable guide vanes and the transmission of the power of the auxiliary turbine.
27 shows the torque characteristics of the output shaft driven by the auxiliary turbine for the case that a continuously variable transmission is used as the connecting transmission. In the turbine system, a temporary inertia feedback from the auxiliary turbine is also possible within the scope of the performance of the power output gear, which can be protected against overload by a suitable setting of the slip point of the gear or the power transmission device or a torque limiting device, as will be explained in more detail below.
28 illustrates the total torque output by the main output shaft and the auxiliary output shaft as well as the maximum torque that is available at the auxiliary output shaft without using any additional torque due to the inertia of the load or a torque which the main power transmission device or the Gas generator is removed.
29 to 58 show various possible construction examples according to the invention for outputting the turbine power. 29 to 34 show various small-space-consuming, structural unit-forming reduction and combination gears of the type with gear wheels with stepped diameter for the auxiliary turbine and the main turbine. Here, the shafts of the turbines and the main power output shaft are arranged coaxially, while FIGS. 35 to 37 show various even less space-consuming combination transmissions with toothed wheels on the inside, in which the power output shaft is offset from the turbine shafts.
29 shows an arrangement in which the connection between the main turbine 7 and the auxiliary turbine 5 is formed by an overrunning clutch 28 and / or a friction clutch 29. The one-way clutch can be used in two different ways. In the first possible arrangement, the overrunning clutch prevents the output shaft 14 from rotating at a speed that is higher than the speed determined by the gear ratio between the auxiliary turbine and the main turbine, so that the auxiliary turbine is automatically engaged and disengaged.
In the second possible arrangement, the freewheel prevents the auxiliary turbine from operating at a lower speed than the main turbine. This latter arrangement is to be preferred, since it allows operation at the full speed of the output shaft even when the main turbine has come to a standstill and is rotating in the opposite direction. At the same time, this arrangement allows the inertia effect of the vehicle or the main load to be used at high speeds and also allows aerodynamic braking at any speed with the help of the counter-rotating turbine system and the adjustable guide vanes with the friction clutch engaged.
Fig. 30 shows an arrangement which, with one and the same construction, basically enables any of the above-mentioned characteristics to be utilized depending on the operational requirements. In this embodiment, a clutch for disengaging the freewheel 28 is provided.
31 shows how the turbine system can be equipped with two rings of adjustable guide vanes in order to achieve complete control of the power distribution between the output shaft 14 driven by the auxiliary turbine and the main turbine driving the main load 12. In this case, the output of one turbine can be continuously varied between 0 and 100 o / o and the output of the other turbine at the same time between 100 and 0 o / o or vice versa. Furthermore, with this arrangement, the two turbine shafts can rotate both in the same direction of rotation and in opposite directions of rotation. With this construction an exceptionally good performance and controllability is achieved.
Fig. 32 shows an arrangement which basically has the same features as the arrangement of Fig. 29, but in which a clutch 31 is provided for driving in the forward or reverse direction, and in which the one-way clutch 28 and the friction clutch 29 are somewhat are arranged differently.
33 shows an arrangement similar to the arrangements according to FIGS. 29 and 30, but in which the ring gear freewheel and friction elements forming the connection between the auxiliary turbine and the main turbine are replaced by a continuously variable transmission which comprises a first part 32, which is used as a Generator G or can work as a motor M, using an auxiliary output shaft 32a if necessary, as well as a second part 33 which can be operated as a motor M or as a generator G.
This transmission can be designed as an electro- or hydrostatic transmission or in any other way so that the transmission ratio can be continuously changed. It is also possible to use a stepped gearbox with slip clutches.
34 shows a differential planetary gear connecting gear 34 with a continuously variable gear 35 which is set up so that the auxiliary turbine 5 drives the output shaft 14 and the sun gear 36 of the differential gear opposite to the direction of rotation of the main output shaft 12 and the ring gear 37 attached to it. The drive shaft of the variable speed transmission is driven by the reduction gear of the auxiliary turbine, and the reaction torque is received by the output shaft 12 via an intermediate gear 39, the planetary gear carrier 40 and the ring gear 37. This means that the speed ratio between the two turbines can be changed continuously, and you can choose the ideal power distribution between the auxiliary output shaft and the main output shaft.
The adjustable gear 35 can be formed in any suitable manner as before, e.g. B. as an electrical, hydraulic, pneumatic or mechanical friction gear or as a controllable slip clutch. In the exemplary embodiments described above, the main output shaft 12 is arranged coaxially with the turbine shafts.
35 shows an arrangement with similar properties to the arrangement according to FIG. 32, but in which the output shaft is offset with respect to the turbine shaft. This arrangement enables a drive both in the forward direction and in the reverse direction as well as a completely automatic operation of the power turbine with aerodynamic turbine control without the need for any device for adjusting a transmission. Furthermore, this arrangement enables the achievement of a full aerodynamic engine braking effect and the creation of an extremely simple construction, so that this arrangement can be used very advantageously in vehicles in which a small space requirement, a low weight, a simple construction and low manufacturing costs are of great importance are.
The shaft 8 of the main turbine 7 is connected to a reduction gear which comprises two externally toothed gears 40 and 41. The shaft 6 of the auxiliary turbine 5 carries a pinion 42 which meshes with an internal ring gear 43 and a further externally toothed gear 44 for driving the auxiliary drive shaft 14. The gears 41 and 44 are connected by a clutch 31 so that the main output shaft 12 can be driven in both the forward direction and the reverse direction. A freewheel 28 is provided between the ring gear 43 and the output shaft of the gear 41.
FIG. 36 shows an arrangement similar to that according to FIG. 30, in which, however, a freewheel and a clutch 29 similar to those described in connection with FIG. 35 are provided. If necessary, as with the arrangement according to FIG. 35, a reversible gear can be switched on in the connection to the output shaft 12.
37 shows an arrangement which corresponds to that of FIG. 36, but in which adjustable nozzles or guide vanes 23 are arranged between the two turbines in order to improve the controllability of the power output via the auxiliary output shaft and the main output shaft, with both turbines rotate in the same direction of rotation.
The reduction gear of the main turbine in this case comprises an internally toothed ring gear 45.
38 shows the same basic arrangement as FIG. 37, in which, however, the freewheel and the friction clutches are replaced by a continuously variable transmission 32, 33, similar to the arrangement according to FIG. 33. In addition, with the aid of a connected power transmission system 32a, 32b, energy can be transmitted between the gas generator and the power output shafts.
39 again shows an arrangement similar to that according to FIG. 34, in which the force transmission device 32a, 32b for the transmission of energy between the gas generator and the force output shafts can be designed as an electrical or hydraulic device, the part designated by 32b being e.g. B.
is formed by a Pelton wheel.
FIG. 40 shows an arrangement based on the basic arrangement shown in FIG. 14, an external connection 15 being provided between the rotor of the gas generator and the auxiliary turbine, into which an adjustable gear 35 is connected. The auxiliary turbine can also support both the main turbine and the compressor turbine via the adjustable gear 35 via a planetary gear 46, a freewheel 47, 48 controllable by a brake band, and a toothed ring 49, 50 controllable by a brake band.
An aerodynamic engine braking effect is achieved with the aid of the auxiliary and main output shafts using a reduction gear 52, which can be designed as a mechanical or hydraulic gear and cooperates with the auxiliary turbine via an internal freewheel 51 and with the compressor via the auxiliary turbine and the adjustable gear 35.
The brake bands and the outer freewheel work in the manner described with reference to FIGS. 29 and 30 with regard to the clutches and the freewheel.
41 shows an arrangement similar to that according to FIG. 40, but in which the auxiliary turbine 5 is arranged downstream of the main turbine 7 in the direction of flow, a planetary gear transmission 46 and two overrunning clutches 47 and 51 being provided, and the first freewheel 47 with the aid a friction clutch 53 is controlled and the gas generator is driven via an adjustable gear 35. The transmission 35 is preferably a continuously variable transmission, but to achieve the simplest possible construction a friction clutch or a freewheel and a combined friction and freewheel clutch can be provided, as will be described below with reference to FIGS. 43 to 51 .
The interruption 54 between the shafts 2 and 15 indicates that it is possible to use a drive 54a (FIG. 41a) for a precompression rotor of the compressor 1, i. H. a charger 54b to be provided which is connected to the gas generator directly or via a freewheel.
42 shows an arrangement similar to that according to FIG. 41, the main difference being that the turbines rotate in the same direction of rotation in the first arrangement and in the opposite direction of rotation in the second arrangement. The planetary gear transmission is designed accordingly for this purpose.
Fig. 43 shows a simplified arrangement related to the arrangements of Figs. 39 to 42, in which in each case a planetary gear torque multiplier is provided between the auxiliary turbine and the main turbine and a continuously variable transmission.
The arrangement is the same as that shown in Fig. 36 except that no clutch is provided for locking the one-way clutch. The power transmission device between the auxiliary turbine and the rotor of the gas generator is simplified and comprises an overrunning clutch and a locking clutch, with a slip clutch 55 being switched into the connecting shaft 15. The guide vanes 22 and 23 of the auxiliary turbine and / or the main turbine can also be designed as fixed guide vanes in accordance with the respective requirements.
In some applications, the guide vanes between the auxiliary turbine and the main turbine can be omitted entirely. In this case, however, it is necessary to provide a specially constructed turbine engine in which both turbines rotate in the same direction. Here, the auxiliary turbine can serve in a novel way to support the compressor turbine or to form a fan for generating a pre-turbulence, with energy being transmitted aerodynamically from the compressor turbine via the auxiliary turbine to the main turbine.
With this work as a fan, the auxiliary turbine can also contribute to increasing the throughput of the turbine engine, so that it is possible with its help to influence the overall output. The turbine or blower effect is achieved with the help of the adjustable nozzles or
Guide vanes selected or regulated, which in this case are arranged in front of the auxiliary turbine.
FIG. 43a shows an arrangement similar to the arrangement according to FIG. 43, but in which the reduction and combination gear is designed for use in an engine with turbines rotating in opposite directions. In some applications, a guide vane ring or both guide vane rings can be omitted completely, so that a very simple arrangement with very good properties in terms of torque, acceleration and fuel consumption is obtained.
The arrangements shown in FIGS. 44 to 56 can also be varied in the manner described with reference to FIGS. 43 and 43a, but they have a further simplified, less space-consuming basic construction in such a way that the shaft 15 in FIG. 14 corresponding outer shaft is replaced by an extension 56 of the compressor turbine shaft 2, which in this case extends through the hollow auxiliary turbine shaft 6 to the main turbine transmission. The overrunning clutch and the locking and slip clutch 55a for the aerodynamic transmission of the energy of the auxiliary turbine are also arranged there. Thus, you can omit various gears, shafts, bearings and other gear parts, so that an arrangement that takes up very little space results.
The main turbine shaft 8 is designed as a hollow shaft and encloses the two shafts 6 and 56.
45 again shows the same arrangement, but in which the overrunning clutch and the clutch 55b are arranged in an auxiliary gear housing in front of the compressor 1. In this case, the auxiliary turbine shaft 6 is provided with an extension 4 which protrudes through the compressor turbine shaft 2, which is designed as a hollow shaft. This construction allows one of the two hollow shafts to be omitted on the main turbine side, so that the bearing is simplified and the turbine disk can be fastened more easily. A further simplification, in which the hollow shaft of the compressor turbine is also omitted, is shown in FIGS. 15 to 17, where the power transmission device, i.e. H.
the freewheel and the clutch, is arranged between the compressor turbine and the auxiliary turbine. In this construction it is necessary to provide adequate shielding against heat, but this can usually be done without difficulty. This last-mentioned arrangement proves to be ideal when the gas generator and the main turbine are arranged at an angle to one another and the connection between the shafts 2 and 6 is formed by an angle drive or an adjustable gear; in this case the gear and connection parts can be arranged on the outside of the unit.
FIG. 46 shows the same arrangement as FIG. 44, except that the rear clutch 29, which can be engaged or disengaged, is replaced by a continuously variable transmission 32, 33 similar to that described with reference to FIGS. 33 and 38 Transmission is similar and can be designed as an electric, hydrostatic or other transmission.
47 shows the same basic arrangement as FIG. 46, however, according to FIG. 47, an adjustable gear 35 combined to form a unit is switched into the output shaft 14.
48 shows the same arrangement as FIG. 47, but instead of the adjustable gear 35, a planetary gear transmission 57 is provided, which is actuated via an overrunning clutch 58, the control being effected by a friction clutch 59. The energy is supplied from the output shaft 12 by the auxiliary turbine 5 and the planetary gear 57, which is used to multiply the torque, so that the auxiliary turbine assists the main turbine in accelerating the load; the connections between the compressor turbine 3 and the auxiliary turbine 5 are again formed in the manner described above.
49 shows a variant of the engine according to FIG. 48, in which, however, the planetary gear carrier and the clutch arrangement are replaced by an adjustable gear 35. The transmission 35 is combined with a differential and planetary gear transmission 60 in such a way that the torque of the variable transmission is comparatively small in order to achieve a high overall efficiency with small dimensions of the construction. If the transmission is continuously variable, the adjustable guide vanes can be omitted.
This also applies to the arrangements described above, in which a continuously variable transmission is provided.
Fig. 50 shows an arrangement in which the adjustable gear is replaced by adjustable guide vanes 23 for controlling the auxiliary turbine 5, which works together with a differential gear 61 which is inserted into the outer shaft 15 between the rotor 2 of the gas generator on the one hand and the main turbine 7 and the Auxiliary turbine 5 is arranged on the other hand, wherein the auxiliary turbine rotates opposite to the main turbine.
During acceleration from standstill and when idling, the main turbine drives the main load in the usual way, while the auxiliary turbine supports both the main turbine and the compressor via the planetary gear and the overrunning clutch 55 of the outer shaft 15.
Even at a high speed of the compressor, the auxiliary turbine can still supply energy to both the compressor and the main turbine, the amount of energy being continuously regulated with the aid of the adjustable guide vanes 23 of the auxiliary turbine.
With this arrangement, the auxiliary turbine operates at a gradually increasing speed as the speed of the main turbine increases, and the auxiliary turbine operates at a speed higher than that of the main turbine when it is operating at a high speed. However, because the auxiliary turbine is at the cooler end of the gas flow, this mode of operation can be allowed without affecting the life of the turbine, and with this arrangement the available material is actually better utilized. When operating at part load, the auxiliary turbine works when the overrunning clutch 55 is locked, partly with an aerodynamic and partly with a mechanical power transmission.
Here, the auxiliary turbine 5 works as an exhaust gas turbine or fan, so that the back pressure of the main turbine 7 is reduced and the relative load on the gas generator increases, the turbine operating at a higher temperature. Therefore, the efficiency of the gas generator increases and the specific fuel consumption decreases. A stepless regulation is effected with the aid of the adjustable guide vanes 23, which according to FIG. 50 are also arranged on the cooler exhaust gas outlet side. In order to improve the efficiency of the exhaust gas turbine and the utilization of the pressure, the auxiliary turbine according to FIG. 50 can be provided with an exhaust gas diffuser 62 equipped with guide vanes. With the help of the differential gear, the adjustable guide vanes and the lockable overrunning clutch, an engine braking effect can be achieved automatically.
This effect can be further enhanced by equipping the differential planetary gear with a brake freewheel clutch that z. B. according to Fig.
401 can be arranged between the sun gear and the planet carrier.
51 and 51a show the same arrangement as FIG. 50, but the gear arrangement in the connection between the auxiliary turbine and the rotor of the gas generator being modified on the main turbine side. FIG. 51a shows an arrangement in which the connecting member does not extend outside the unit as in FIG. 51, but rather through hollow shafts. In this context, it should be noted that the extent of the lateral displacement of the shaft can be increased or decreased and the direction of rotation can be changed by providing or using suitable idler gears.
leaves away; this measure does not change the basic arrangement. In the arrangement according to FIG. 51, the main turbine 7 is equipped with adjustable guide vanes 22 and the auxiliary turbine 5 is equipped with fixed or adjustable guide vanes 23a.
FIG. 52 shows the same arrangement as FIG. 51, but in this case a continuously variable transmission 35 is switched into the connection between the auxiliary turbine and the rotor of the gas generator.
53 shows a similar arrangement, in which, however, the auxiliary turbine 5 is arranged upstream of the main turbine 7 in the direction of flow, so that the auxiliary turbine can serve as before to brake the compressor and to accelerate the gas generator, although it works as an exhaust gas turbine of the compressor turbine . Furthermore, the auxiliary turbine can be used to vary the generation of swirl on the inlet side of the main turbine, or it can simply work as an exhaust gas turbine, which is made possible by the use of adjustable nozzles of the main turbine.
Fig. 54 shows an arrangement similar to that of Fig. 52; H. an arrangement with an adjustable gear 35 between the auxiliary turbine and the rotor of the gas generator, but the auxiliary turbine 5 is arranged in the flow direction in front of the main turbine 7 and equipped with fixed or adjustable guide vanes 22a.
55 shows an arrangement in which the power transmission between the auxiliary turbine 5 and the compressor turbine 3 is effected by an electric or hydrostatic, adjustable gear 32, 33, the gear in this case being arranged in an auxiliary gear housing in front of the compressor. The connection to the main turbine is established by an overrunning clutch 63, which is accommodated in the gear housing of the main turbine, which contains a planetary gear with three forward gears, but without reverse gear. However, you can provide one or more reverse gears if you use a lockable clutch that z. B. is arranged between the two sun gears, as well as an intermediate gear between the front sun gear or the front ring gear and the smaller diameter stepped planetary gears.
You can also prevent creeping or support the load if you engage two of the clutches at the same time when the vehicle or the load has come to a standstill, and when the throttle has been released or withdrawn; accordingly, the two clutches are disengaged again as soon as the throttle is actuated and / or the load moves.
Fig. 56 basically shows the same arrangement as Fig. 55, but in this case an adjustable gear 64 is provided, which is preferably designed so that it works at the same speed as the turbine without the use of intermediate gears. This transmission can be designed in various ways, for. B. as an electric transmission with a power generator and a motor, the functions of which can be interchanged so that power transmission is also possible in reverse.
Such an electric transmission offers several advantages, including the fact that it is not adversely affected by low ambient temperatures. The adjustable transmission can also be designed as a hydrostatic transmission with a pump and a motor, and as before, the possibility of reversing can be provided. It is also possible to provide a friction gear or a hydrodynamic gear. All these gears can be of simple construction with straight power transmission or as with a torque; be designed ment subdivision working mechanical transmissions that work with a higher efficiency with smaller dimensions, but in which the speed range is smaller.
The choice of a suitable gearbox depends on the respective requirements of the application, but the arrangement described enables greater flexibility and adaptability to be achieved, so that the respective customer can make his choice with regard to the auxiliary equipment, while the main elements remain unchanged. Furthermore, the arrangement according to FIG. 56 comprises a counter-rotating turbine engine, while the turbines in the arrangement according to FIG. 55 rotate in the same direction; In order to bring about such a change, one can change the blading of the turbines in a fairly simple way and replace a sun gear of the reduction gear with a ring gear. 56 shows brake bands 63a instead of clutches; the respective choice depends primarily on the space available in the radial direction.
57 and 58 show two embodiments of the main turbine system similar to that according to FIG. 34, but the continuously variable transmission and the transmission associated therewith being omitted.
An aerodynamic braking effect can be achieved in the former case by pulling a brake band 65 in order to lock an overrunning clutch 66, while in the second case an aerodynamic braking effect can be achieved by engaging the two reverse and forward clutches 67.
In both cases, adjustable guide vanes are provided so that the braking effect can be increased in a manner to be described with reference to FIGS. 65 to 70. The arrangements according to FIGS. 57 and 58 comprise a schematically indicated device 68, by means of which the reduction gear and the turbine system are secured against impact loads which can be caused by the main load or the load driven by the auxiliary output shaft.
The characteristics and the mode of operation of the main turbine system for the case that the main turbine is not coupled to the rotor of the gas generator during its operation will be described with reference to the further FIGS. 59 to 70. In this special case, a counter-rotating turbine engine is considered, in which no guide vanes are provided between the turbines. In contrast to the arrangements known up to now, the proposed turbine engines operate with full power output via a shaft, with a two-range variable aerodynamic braking effect using adjustable guide vanes of the main turbine, in conjunction with a device for eliminating the swirl in the exhaust gases and at low speeds working connecting and planetary gears.
This avoids the difficulties that would otherwise arise as a result of the large centrifugal forces of the pinions, high energy losses and rapid wear and tear of the pinions of planetary gears operating at high speeds. In addition, the auxiliary turbine can take on various tasks in the manner already briefly indicated above. Some other such tasks are discussed in more detail below.
59 illustrates the relative torque ratio T * 2 and the efficiency to which are achieved with the auxiliary turbine II (5) when the auxiliary turbine supports the main turbine I (7) in the lower speed range with stationary guide vanes of the main turbine, the auxiliary turbine not having guide vanes or a nozzle ring. Line T * shows the torque ratio of a conventional system without an auxiliary turbine.
60 illustrates the speed characteristics of the free auxiliary turbine II (5) which, in the first phase or in the first power transmission range, is connected to the main turbine I by means of a transmission and is controlled by it. In the high speed range, automatic control takes place through the exhaust gas swirl of the main turbine. Generally speaking, the aerodynamic design in this case is such that the main turbine causes a relatively strong swirl of the exhaust gases. The exhaust gases are fed directly to the auxiliary turbine, which is designed in such a way that it eliminates or reduces the swirl of the exhaust gases. When the main turbine comes to a standstill, as shown in FIGS. 65 to 67, the main turbine works like a normal guide vane ring for the auxiliary turbine, which in turn takes on the task of an exhaust gas turbocharger.
It increases the pressure ratio between the inlet and outlet side of the main turbine and it reduces the exhaust gas losses and thus also the total pressure losses, so that the throughput of the entire turbine engine is increased. The flow velocities at the outlet of the auxiliary turbine II (5) are also shown in FIG.
The theoretical efficiency of a unit comprising a power turbine and an auxiliary turbine and adjustable guide vanes is shown in FIG. 61, while FIG. 62 illustrates the theoretical torque characteristics of the turbine engine for the case of the use of fixed or adjustable guide vanes.
63 shows in a graphical representation the specific fuel consumption of the combined turbine engine as a function of the relative output speed, while FIG. 64 shows the specific fuel consumption of a turbine engine with adjustable guide vanes as a function of the relative power output.
The general performance of the turbine engine with stationary vanes and the braking effect achieved with repositioned vanes and aerodynamically using the turbine as a brake are shown in FIG. 65. The turbine and gear arrangement when using a turbine according to FIG. 65 with the additional use of adjustable guide vanes and an aerodynamic reaction brake as well as an auxiliary power output shaft is shown in FIG. 66.
67 to 70 show vector diagrams or velocity diagrams of the flow velocities which apply to the turbines and the planetary gear train shown in FIG. 66.
In each of FIGS. 67 to 70, a speed diagram for the main turbine I and for the auxiliary turbine II is shown, which shows the flow speeds for the inlet and outlet sides of the turbines in the usual way using the designations commonly used in turbo-machine construction.
67 and 68 illustrate the situation for point A (standstill point) in FIG. 65 and for point B in the first phase, in which both turbines according to FIG. 65 are performing work, while FIG. 69 shows the situation for point E. of the second phase, in which only the turbine I is operating. FIG. 70 illustrates the situation at point c in FIG. H. the case that adjustable guide vanes have been brought into their braking position, that the reaction element is free (DR-pos), or that the reaction element is locked (BR-pos).
The auxiliary exhaust gas turbine can be designed in such a way that it causes a lesser, but still considerable, swirl of the exhaust gases in the reverse direction, i. H. against the direction of the gases emerging from the main turbine. In this case, the twist is preferably less than half as large as the last-mentioned twist, so that the energy content is less than 25 o / o.
When the turbine engine according to FIGS. 65 to 70 begins to move the load, the resulting swirl of the exhaust gases is reduced and then gradually increased in the opposite direction, whereupon the swirl decreases again and then increases again in the original direction, as in the lower direction Part of Fig. 60 is shown, so that the twist constantly varies on both sides with respect to the zero line.
61 and 62 show the gain with regard to the relative efficiency and the multiplication of torque with the aid of adjustable guide vanes in comparison with fixed guide vanes in the auxiliary turbine.
63 and 64 show the corresponding gain with regard to the specific fuel consumption SFC as a function of the speed ratio or the power ratio for the auxiliary turbine and when using adjustable guide vanes in connection with a mechanical-aerodynamic power transmission.
65 to 70 illustrate the basic mode of operation of the turbine engine and the planetary gear train operating at low speed without power transmission processes, as well as the aerodynamic braking effected according to FIG. 70 only with the aid of the main turbine with the aid of adjustable guide vanes, but without using the reaction brake BR.
Fig. 71 illustrates the arrangement of a larger plant with each turbine being a larger unit, e.g. B. a multi-stage axial turbine. The main turbine 7 and the auxiliary turbine 5 are arranged axially parallel according to this embodiment. The shaft 8 of the main turbine 7 and the intermediate shaft 6 of the auxiliary turbine 5 are connected to one another via a gear mechanism 11. The auxiliary turbine 5 can also be connected to the shaft 2 of the gas generator by means of a transmission 9 and a coupling.
FIG. 72 shows a further embodiment of the system shown in FIG. 53. The main turbine 7 is connected to the output shaft 14 with the aid of a variable power transmission device 35. The auxiliary turbine 5 drives a special load 70 and can be connected to a further output shaft 12 via a coupling 31c. A shaft 15 is in engagement with the power transmission device 35 via a gear, to which gear the auxiliary turbine 5 can also be connected. The shaft 15 can be connected to the gas generator by means of a coupling 55 provided with a free wheel.
The auxiliary turbine is provided with adjustable guide vanes and a valve 35c controlled by a servomotor is provided in the gas line to the main turbine 7.
FIGS. 73 and 74 illustrate exemplary embodiments of two power transmission devices similar to that shown in FIG. The clutches 31a, 31b and 31c, however, allow a direct mechanical drive with continuously variable forward translation. In addition, reverse drive is possible, as well as power transmission from the auxiliary turbine and / or the compressor turbine of the gas generator.
The gas turbine engines described work with a high degree of efficiency and therefore economically and are flexible enough to meet the requirements made in practice in such a way that, in contrast to the known gas turbine engines, it is possible to manufacture the engines in such large numbers that correspond to the number of items or exceed the number of items in which the piston engines commonly used up to now are manufactured. The acceleration properties and controllability of the gas turbine engines described are such that these engines can be used to a large extent as drive devices for vehicles, for industrial purposes and in other applications, so that such an engine is equivalent to or even superior to the best designs of piston engines.
The gas turbine engine operates at startup and at low output speeds with a high torque multiplication and can be accelerated quickly to full power, so that the engine is ideally suited to accelerating a vehicle or other load. There is still sufficient engine braking without the need to use any additional retardation and cooling devices.
Furthermore, a simple device is sufficient, by means of which the extent of the emission of exhaust gas heat for heating purposes, for air conditioning or for other purposes can be varied compared to the generation of mechanical, electrical, hydraulic or pneumatic energy, so that such an engine is particularly advantageous when it is used for industrial purposes as well as in the railway sector as the only source of the required energy.
It can also be achieved an improvement in terms of the delivery of energy to an auxiliary drive and a reduction in fuel consumption when idling and at part load, so that the engine in conjunction with the aforementioned improved controllability of the torque during acceleration and braking is excellent for use as a drive device for railway vehicles, ordinary motor vehicles and vehicles for industrial purposes as well as in other cases in which the mentioned requirements must be met.
Since it is possible to provide two or more independent power output shafts, the gas turbine engine described is very well suited for use in earthmoving machines, auxiliary construction equipment and devices for moving loads, but such an engine is also suitable for use in helicopters, hover vehicles and the like.