DE102006015928A1

DE102006015928A1 - Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE102006015928A1
Application number: DE200610015928
Authority: DE
Inventors: Jerry C. J. Robinson
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2006-04-05
Filing date: 2006-04-05
Publication date: 2007-10-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinentriebwerk (10), mit einem Verdichter (11), mit einer mit dem Verdichter (11) über eine Welle (12) gekoppelten Hochdruckturbine (13), mit einer mit der Hochdruckturbine (13) über ein Getriebe (15) gekoppelten Niederdruckturbine (14) und mit einer Freikolbenmaschine (16), wobei im Verdichter (11) verdichtete Verbrennungsluft der Freikolbenmaschine (16) für einen in der Freikolbenmaschine erfolgenden Verbrennungsprozess eines Verbrennungsluft-Kraftstoff-Gemisches zuführbar ist und wobei in der Freikolbenmaschine (16) bei der Verbrennung des Verbrennungsluft-Kraftstoff-Gemisches entstehendes Abgas der Hochdruckturbine (13) und im Anschluss hieran der Niederdruckturbine (14) zuführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinentriebwerk.
Antriebsaggregate von Nutzkraftwagen sind üblicherweise als Dieselbrennkraftmaschinen ausgeführt. Die zunehmend steigenden Forderungen an die Leistung und den Wirkungsgrad sowie das Gewicht eines Antriebsaggregats lassen sich jedoch mit solchen Dieselbrennkraftmaschinen kaum noch erfüllen. Daher besteht ein Bedarf an alternativen Antriebsaggregaten für Nutzkraftwagen.
Aus dem Flugzeugbau sind als Antriebsaggregate Gasturbinentriebwerke bekannt. Solche Gasturbinentriebwerke verfügen über mindestens einen Verdichter sowie mindestens eine Turbine, wobei zwischen dem Verdichter und der Turbine eine Brennkammer angeordnet ist, in welcher eine Verbrennung eines Verbrennungsluft-Kraftstoff-Gemisches bei konstantem Druck erfolgt. Aus der Praxis bekannte, konventionelle Gasturbinentriebwerke mit einer Brennkammer benötigen mindestens 200 g Brennstoff je zu erzeugender Kilowattstunde. Ein solcher Wirkungsgrad ist bei der Verwendung von Gasturbinentriebwerken zum Antrieb von Flugzeugen ausreichend, in der Anwendung in Nutzkraftfahrzeugen jedoch nicht akzeptabel. So darf bei Nutzkraftfahrzeugen unter Volllast lediglich in etwa 150 g Kraftstoff zur Erzeugung einer Kilowattstunde verbraucht werden.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Gasturbinentriebwerk zu schaffen, welches insbesondere zur Verwendung in Nutzkraftfahrzeugen geeignet ist.
Dieses Problem wird durch ein Gasturbinentriebwerk gemäß Anspruch 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Gasturbinentriebwerk umfasst einen Verdichter, eine mit dem Verdichter über eine Welle gekoppelte Hochdruckturbine, eine mit der Hochdruckturbine über ein Getriebe gekoppelte Niederdruckturbine, und eine Freikolbenmaschine, wobei im Verdichter verdichtete Verbrennungsluft der Freikolbenmaschine für einen in der Freikolbenmaschine erfolgenden Verbrennungsprozess eines Verbrennungsluft-Kraftstoff-Gemisches zuführbar ist, und wobei in der Freikolbenmaschine bei der Verbrennung des Verbrennungsluft-Kraftstoff-Gemisches entstehendes Abgas der Hochdruckturbine und im Anschluss hieran der Niederdruckturbine zuführbar ist.
Das erfindungsgemäße Gasturbinentriebwerk verfügt über keine Brennkammer, sondern vielmehr an Stelle einer Brennkammer über eine Freikolbenmaschine. In einer solchen Freikolbenmaschine wird keine mechanische Leistung abgegeben, vielmehr erfolgt in derselben eine quasi-isochore Verbrennung bei in etwa konstantem Volumen. Eine Volumenänderung durch Expansion erfolgt in den der Freikolbenmaschine nachgeordneten Turbinen. Mit dem erfindungsgemäßen Gasturbinentriebwerk kann gewährleistet werden, dass zur Erzeugung jeder Kilowattstunde Leistung weniger als 150 g Brennstoff benötigt werden. Hierdurch wird es möglich, Gasturbinentriebwerke als Antriebsaggregate in Nutzkraftwagen effizient einzusetzen.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine schematisierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Gasturbinentriebwerks.
1 zeigt eine schematisierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Gasturbinentriebwerks 10, welches einen Verdichter 11 umfasst, der über eine Welle 12 mit einer Hochdruckturbine 13 gekoppelt ist. Neben dem Verdichter 11 und der Hochdruckturbine 13 verfügt das Gasturbinentriebwerk 10 weiterhin über eine Niederdruckturbine 14, die mit der Hochdruckturbine 13 über ein Getriebe 15 gekoppelt ist.
Das erfindungsgemäße Gasturbinentriebwerk 10 verfügt des Weiteren über eine Freikolbenmaschine 16, die über mindestens eine Freikolbenanordnung 17 verfügt. In 1 sind zwei Freikolbenanordnungen 17 dargestellt, wobei jede der Freikolbenanordnungen 17 über zwei Kolben 18 bzw. 19 verfügt, die an unterschiedlichen Enden einer Kolbenstange 20 angreifen. Jeder Kolben 18 und 19 jeder Freikolbenanordnung 17 ist in einem Zylinder 21 bzw. 22 bewegbar, und zwar derart, dass dann, wenn ein Kolben 18 im entsprechenden Zylinder 21 verdichtet, der andere Kolben 19 im entsprechenden Zylinder 22 entspannt. Die Kolbenstange 20 mit den an derselben gelagerten Kolben 18 und 19 einer jeden Freikolbenanordnung 17 bewegt sich demnach im Sinne des oberhalb bzw. unterhalb der jeweiligen Kolbenstange 20 befindlichen Doppelpfeils hin und her, ohne jedoch mechanische Leistung abzugeben.
Im Verdichter 11 wird Verbrennungsluft in einer ersten Stufe isentrop verdichtet. Im Verdichter 11 verdichtete Verbrennungsluft gelangt über Luftkammern 23 in den Bereich der Freikolbenanordnungen 17 der Freikolbenmaschine 16, wobei abhängig vom Takt der Freikolbenanordnungen 17 die verdichtete Verbrennungsluft einem der Zylinder 21 bzw. 22 der Freikolbenanordnungen 17 zugeführt werden kann. In den Zylindern 21 bzw. 22 der Freikolbenanordnungen 17 erfolgt eine weitere isentrope Verdichtung zumindest der Verbrennungsluft sowie anschließend eine quasi isochore Verbrennung eines Verbrennungsluft-Kraftstoff-Gemisches.
Der Kraftstoff kann entweder erst nach der isentropen Verdichtung der Verbrennungsluft im jeweiligen Zylinder 21 bzw. 22 der Freikolbenanordnungen 17 dem entsprechenden Zylinder zugeführt werden, oder auch vor der Verdichtung, wobei dann in den jeweiligen Zylindern 21 bzw. 22 der Freikolbenanordnungen 17 eine isentrope Verdichtung des Verbrennungsluft-Kraftstoff-Gemisches erfolgt.
Nach Erreichen einer definierten Verdichtung im jeweiligen Zylinder 21 bzw. 22 der Freikolbenanordnungen 17 erfolgt, wie bereits erwähnt, die isochore Verbrennung des Verbrennungsluft-Kraftstoff-Gemisches, wobei bei der Verbrennung entstehendes Abgas aus dem jeweiligen Zylinder 21 bzw. 22 abführbar und über weitere Luftkammern 24 der Hochdruckturbine 13 zuführbar ist. In der Hochdruckturbine 13 erfolgt eine erste Entspannung des Abgases, wobei das Abgas anschließend der Niederdruckturbine 14 zur weiteren Entspannung zugeführt wird.
Den Zylindern 21 bzw. 22 jeder Freikolbenanordnung 17 sind zur Befüllung derselben sowie zur Entleerung derselben nicht-dargestellte Ventile zugeordnet. So ist jedem der Zylinder 21 bzw. 22 jeder Freikolbenanordnung 17 der Freikolbenmaschine 16 mindestens ein Ventil zur Befüllung mit Verbrennungsluft, mindestens ein Ventil zur Befüllung mit Kraftstoff und mindestens ein Ventil zur Entleerung des bei der Verbrennung entstehenden Abgases zugeordnet. Ist in einem Zylinder 21 bzw. 22 einer Freikolbenanordnung 17 eine Verbrennung eines Verbrennungsluft-Kraftstoff-Gemisches erfolgt, so wird das dem jeweiligen Zylinder zugeordnete Ventil zum Abführen des bei der Verbrennung entstandenen Abgases erst dann geöffnet, wenn im anderen Zylinder der Freikolbenanordnung 17 eine definierte Verdichtung erfolgt ist.
Wie bereits erwähnt, erfolgt die Verbrennung innerhalb der Zylinder der Freikolbenanordnungen 17 quasi isochor ohne mechanische Arbeit zu verrichten, die Arbeitsexpansion des Abgases erfolgt in den der Freikolbenmaschine 16 nachgeordneten Turbinen, nämlich in der Hochdruckturbine 13 sowie in der Niederdruckturbine 14.
Wie bereits erwähnt, sind die Hochdruckturbine 13 sowie die Niederdruckturbine 14 über ein Getriebe 15 gekoppelt, und zwar derart, dass die Hochdruckturbine 13 und die Niederdruckturbine 14 mit unterschiedlichen Drehzahlen antreibbar sind. Bei dem Getriebe 15 handelt es sich vorzugsweise um ein Untersetzungsgetriebe, sodass die Niederdruckturbine 14 mit einer geringeren Drehzahl angetrieben wird als die Hochdruckturbine 13. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis von Hochdruckturbinendrehzahl : Niederdruckturbinendrehzahl 2 : 1.
Bedingt dadurch, dass auch die Niederdruckturbine 14 mit hohen Drehzahlen angetrieben wird, ist zur Ankopplung des Gasturbinentriebwerks 10 an eine Antriebswelle 25 ein weiteres Untersetzungsgetriebe 26 erforderlich, welches zwischen die Niederdruckturbine 14 und die Antriebswelle 25 geschaltet ist.

10: Gasturbinentriebwerks
11: Verdichter
12: Welle
13: Hochdruckturbine
14: Niederdruckturbine
15: Getriebe
16: Freikolbenmaschine
17: Freikolbenanordnung
18: Kolben
19: Kolben
20: Kolbenstange
21: Zylinder
22: Zylinder
23: Luftkammer
24: Luftkammer
25: Antriebswelle
26: Untersetzungsgetriebe

Claims

Gasturbinentriebwerk, mit einem Verdichter (11), mit einer mit dem Verdichter (11) über eine Welle (12) gekoppelten Hochdruckturbine (13), mit einer mit der Hochdruckturbine (13) über ein Getriebe (15) gekoppelten Niederdruckturbine (14), und mit einer Freikolbenmaschine (16), wobei im Verdichter (11) verdichtete Verbrennungsluft der Freikolbenmaschine (16) für einen in der Freikolbenmaschine erfolgenden Verbrennungsprozess eines Verbrennungsluft-Kraftstoff-Gemisches zuführbar ist, und wobei in der Freikolbenmaschine (16) bei der Verbrennung des Verbrennungsluft-Kraftstoff-Gemisches entstehendes Abgas der Hochdruckturbine (13) und im Anschluss hieran der Niederdruckturbine (14) zuführbar ist.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verdichter (11) eine isentrope Verdichtung der Verbrennungsluft erfolgt.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Freikolbenmaschine (16) eine quasi isentrope Verdichtung zumindest der Verbrennungsluft erfolgt.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Freikolbenmaschine (16) eine isentrope Verdichtung des Verbrennungsluft-Kraftstoff-Gemisches bei erfolgt.
Gasturbinentriebwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Freikolbenmaschine (16) eine quasi-isochore Verbrennung des Verbrennungsluft-Kraftstoff-Gemisches erfolgt.
Gasturbinentriebwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Freikolbenmaschine (16) mindestens eine Freikolbenanordnung (17) aus zwei an gegenüberliegenden Enden einer Kolbenstange (20) gelagerten Kolben (18, 19) aufweist, wobei jeder der beiden Kolben (18, 19) sich in einem Zylinder (21, 22) bewegt.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Freikolbenmaschine (16) mehrere parallel geschaltete Freikolbenanordnungen (17) aufweist.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kolben (18, 19) einer Freikolbenanordnung (17) sich derart bewegen, dass dann, wenn ein erster Kolben (18, 19) im entsprechenden Zylinder (21, 22) verdichtet, ein zweiter Kolben (19, 18) im entsprechenden Zylinder (22, 21) entspannt.
Gasturbinentriebwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden Zylinder (21, 22) einer Freikolbenanordnung (17) über mindestes ein Ventil befüllt und über mindestes ein Ventil entleert werden kann.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventil zur Entleerung eines Zylinders (21, 22) einer Freikolbenanordnung (17) dann geöffnet wird, wenn im anderen Zylinder (22, 21) der Freikolbenanordnung (17) eine definierte Verdichtung erfolgt ist.
Gasturbinentriebwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckturbine (13) und die mit derselben über ein Untersetzungsgetriebe (15) gekoppelte Niederdruckturbine (14) mit unterschiedlichen Drehzahlen antreibbar sind, wobei das Verhältnis von Hochdruckturbinendrehzahl zu Niederdruckturbinendrehzahl insbesondere in etwa 2 : 1 beträgt.
Gasturbinentriebwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruckturbine (14) über ein Untersetzungsgetriebe (26) mit einer Antriebswelle (25) gekoppelt ist.