DD219827A1 - Kleingasturbine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine, insbesondere Kleingasturbine, in gegenlaeufiger Bauart. Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines wirtschaftlichen Fahrzeugantriebs, der durch Anwendung sehr hoher Turbinen-Eintrittstemperaturen erreicht werden kann. Ausserdem ist fuer Fahrzeugantriebe ein guenstiges Teillastverhalten notwendig. Beide Forderungen werden durch Anwendung einer Gegenlaufturbine erreicht, die durch partielle Kuehlung hohe Gastemperaturen verarbeiten kann. Durch Benutzen des Hochdruckrades als Nutzleistungsturbine und des Niederdruckrades als Verdichterantrieb erhaelt man eine Konzeption, die sowohl einen geringen Bauaufwand und geringe Baulaenge ergibt, als auch Merkmale fuer ein gutes Teillastverhalten aufweist. Figur

Description

Kleingasturbine , .

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Kleingasturbine, deren besonders kompakte Bauart und Eignung für kleine Leistungen den Einsatz vorzugsweise für Fahrzeugantriebe zuläßt.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen: Kleingasturbinen-für Fahrzeugantriebe sind in verschiedenen Bauarten für Leistungen von PKW- bis zu Schwerlastantrieben bekannt· normale Merkmale dieser Bauarten sind; Sadialer Verdichter, angetrieben von einer radialen oder axialen überdruckturbine , unabhängige Hiedeidinick-Sutzleistungsturbine, die zur Verbesserung des Teillastverhaltens meistens mit verstellbaren Leitschaufeln ausgerüstet ist; ferner sind bei Fahrzeugantrieben Wärmeübertrager in regenerativer oder rekuperativer Bauart stets vorhanden. Zur Senkung des Brennstoffverbrauchs bei Teillast ist weiter bekannt - F02 C 6/ 20 DS 2439255 B2 - daß bei der oben beschriebenen zweiwelligen Bauart beide Wellen durch ein Getriebe mit wählbarer Übersetzung verbunden sind, so daß bei bestimmten Betriebszuständen Leistung von einer zur anderen Welle übertragen werden kann· Es ist auch eine dreiwellige Variante (ΈΌ2 C 3/4 SE OS 332099) bekannt, bei der die Nutzleistungsturbine in zwei

Turbinen mit konzentrischen Wellen aufgespalten ist, wovon eine die Hutzleistung bestreitet und die andere je nach Bedarf ihre Leistung auf die Nutzleistung oder den Verdichter übertragen kann. Sine zweiwellige Bauart mit koaxialen Eotoren und gegenläufigen Turbinen ist in GB 2099518 A beschrieben. Diese erbringt eine Einsparung an Schaufelkränzen und eine verkürzte Baulänge· Sie ist vollbeaufschlagt und in dieser Form hauptsächlich für Strahlbetriebwerke geeignet. Grundsätzlich steht die Schwierigkeit, hohe Turbineneintrittstemperatu-. ren zu erreichen, einer Wettbewerbsfähigkeit der Gasturbine gegenüber dem Diesel- und Ottomotor hindernd im Wege. Durch den Einsatz von Keramikwerkstoff en wird heute versucht, diese Schwierigkeit zu überwinden. Das gelingt auch bei den feststehenden Bauteilen, wie Brennkammer, Einströmgehäuse und Leitschaufeln, während das Laufrad mit seinen Schaufeln hohen Fliehkraftspannungen ausgesetzt ist und daher der spröde und rißempfindliche keramische Werkstoff hinsichtlich der Betriebssicherheit nach wie vor unbefriedigende Ergebnisse liefert. '

Ziel der Erfindung: " *.. \ ' Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines wirtschaftlichen Fahrzeugantriebea,, die durch Anwendung sehr hoher Turbinen-Eintrittstemperaturen erreicht werden kann· '

Darlegung des Wesens^ der Erfindung:

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wirtschaftliche, also für hohe Brennkammertemperaturen geeignete Kleingasturbine mit gutem Teillastverhalten zu schaffen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Turbine des Aggregats eine an sich bekannte gegenläufige Axialturbine mit· partieller Kühlung verwendet wird, wodurch die Fähigkeit der Turbine zum Verarbeiten sehr hoher Eintrittstemperaturen bei mäßigen Schaufeltemperaturen gesichert wird. Die besondere Eignung dieses Konzepts für einen Fahrzeugantrieb wird durch die mit der Gegenlaufturbine ausführbare einfachste Anordnung der Bauteile erreicht, indem die beiden

Räder der Gegenlaufturbine jeweils die Funktion des Verdichterantriebs und der Abgabe der Nutzleistung wahrnehmen. Und zwar bringt die Hochdruckturbine die Nutzlast auf und das ; Niederdxuckrad treibt den Verdichter an·

Dadurch,wird folgendes erreicht: 1. Der für Fahrzeugantriebe notwendige freie Lauf der Nutzturbine ohne mechanische Kopplung mit dem Verdichtersatz ist gegeben. 2. Die Nutzlastturbine läuft nicht, wie bei allen bekannten Gasturbinen, im Niederdruckgebiet, was schlechteren Teillastbetrieb bedeutet, sondern im Hochdruckbereich. 3· Zwischen den beiden Rädern besteht eine zwar nicht mechanische, aber doch aerodynamische .Kopplung insofern, als das erste Rad (die Hutzleistungstui!- bine) als Leitbeschaufelung für das zweite Rad (den Verdichterantrieb) aufgefaßt werden kann. Bei Belastung der Hutzturbine und entsprechendem Drehzahl abfall entsteht eine Verkleinerung des Winkels der absoluten Anströmgeschwindigkeit für Rad II, so daß dieses ein vergrößertes Drehmoment an den Verdichter abgeben kann· Daraus folgt eine Drehzahl-und Drucksteige rung am Verdichter, ein erwünschtes hohes Drehmoment bei kleiner Drehzahl der Nutzturbine und ein gutes Beschleuni- ^H gungsverhalten· 4. Es wird an Baulänge gespart, indem die Nutzleistungsturbine und das notwendige Untersetzungsgetriebe in das Innere der Maschine verlegt werden· Baulänge und Bauaufwand werden außerdem durch, den Fortfall von zwei Turbinen-Leitapparaten günstig beeinflußt. Grundsätzlich ergibt die Teilbeaufschlagung der Gegenlaufturbine vergrößerte Schaufellängen, was bei kleinen Leistungen einen verbesserten Wirkungsgrad durch geringere Rand- und Spaltverluste und einen sicheren Betrieb gewährleistet, weil kein extrem kleiner Spalt zwischen Schaufeln und Deckring notwendig ist· Dieser Spalt kann bekanntlich bei Temperaturwechseln Schwierigkeiten wegen verschiedener Ausdehnung der Bauteile verursachen. Die Keramikbauweise ist bei dieser Lösung nur auf die feststehenden Bauteile, also Brennkammer, Sinström- und Abströmgehäuse beschrankt, während die hochbelasteten Laufräder

einschließlich der besonders gefährdeten Schaufeln wegen der durch die partielle Kühlung erzielten niedrigen Schaufeltemperaturen aus Stahl gefertigt werden können·

Ausführungsbeispiel:

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Die beigefügte Figur zeigt einen Schnitt durch die Kleingasturbine.

Der einstufige Verdichter 1 sitzt auf der Innenwelle 2 und ist dadurch mit dem Mederdruck-Turbinenrad 4· verbunden» Das Hochdruckturbinenrad 3 ist auf der innenwelle 2 gelagert und über die Hohlwelle 5 -mit-äem Eitzel 6 verbunden, welches über Zahnräder 7 die Abtriebswelle S mit einer auch bei Motorenüblichen Drehzahl antreibt. Die Brennkammer 9 ist im dargestellten Pail als Sohrbrennkammer tangential zum Umfang der Turbinenräder liegend angeordnet. Sie beaufschlagt den Heißgassektor der !Turbine, der je nach den. Anforderungen an die Kennwerte im Mittel etwa 1/3 des Umfangs einnimmt. Die restlichen etwa 2/3 des TJmfanges gelten als Kühlsektor 10· Hier werden die Turbinenräder von den Bauteilen zur Zu- und Abführung der nach dem Verdichter abgezweigten Kühlluft umschlossen* Das Binströmgehäuse 11 des Verdichters 1 kann zum Anbringen von verstellbaren Vorleitschaufeln zur Verbesserung des Teillastverhaltens ausgenutzt werden·

Claims (1)

1. Erfindungsansprach:

   Kleingasturbine, insbesondere als Fahrzeugantrieb durch wirtschaftlichen Betrieb und gutes Teillastverhalten geeignet, dadurch gekennzeichnet, daß die als (Turbine verwendete Gegenlauf turbine (.3, 4) mit partieller Kühlung mit ihrem Hochdruckrad (3)- über eine Hohlwelle (5) und ein innenliegendes Getriebe die Hutzleistung abgibt, während das Fiederdruckrad (4) über die Innenwelle (2) den Verdichter (1) antreibt·

   !.?.^elf? Zeichnungen"