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Die Erfindung betrifft eine Gasturbine, insbesondere ein Strahltriebwerk, mit einem Einlauf, der einem Verdichter Luft zur Verbrennung mit einem Treibstoff zuführt, womit durch die Gasturbine ein Antriebsstrahl erzeugbar ist, wobei der Verdichter drehfest an einer Welle der Gasturbine angeordnet ist, und mit einer Starteranordnung, die ein als elektrischer Starter/Generator ausgebildetes Hilfsaggregat hat, welches die Turbine startet und den Verdichter über die Welle bis zum Erreichen einer Mindestdrehzahl antreibt, wobei zwischen einer abtriebsseitigen Welle des Hilfsaggregats und der Welle der Gasturbine als jeweilige Kupplungspartner ein Kupplungsmittel vorgesehen ist, welches Kupplungsmittel die Kupplungspartner berührungslos koppelt.
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Starter-Anordnungen sind bekannt und werden verbreitet etwa zum Starten von Klein-Gasturbinen, beispielsweise an Luftfahrtantrieben für Modelle oder Drohnen eingesetzt. Sie finden demnach Einsatz als Anlasser des betreffenden Triebwerks, dessen Start durch das Einblasen von Luft erfolgt, etwa durch dazu eigens vorzuhaltende Pressluft oder ein Gebläse. Dies ist insoweit ungünstig, als entweder nur eine begrenzte Menge von Pressluft meist in schlecht handhabbaren Behältnissen vorgehalten werden muss oder aber das zur Erzeugung der beschleunigten Luft eingesetzte Gebläse aufgrund seiner Positionierung vor dem Einlass die Funktion der Turbine an sich beeinträchtigte.
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Man kennt zum Starten aber auch mit der Welle der Turbine gekoppelte Antriebe, beispielsweise in Form einer dafür eigens vorgesehenen, über ein Getriebe gekoppelten Startturbine oder auch in Form kleinerer Verbrennungsmotoren. Schließlich kennt man hierzu auch elektrische Antriebe, die mit der Turbinenwelle gekoppelt werden. Für alle diese Antriebe muss ein Energieträger vorgehalten werden, etwa ein elektrische Energie speicherndes Speichermittel in Form eines Akkus oder Treibstoff bei einem Verbrennungsmotor. Je nach Beanspruchung des Aggregats muss hierfür ein nicht zu verachtender Aufwand getrieben werden.
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Bei den erwähnten Antrieben wird ein drehfest an der Welle der Gasturbine angeordneter Verdichter von dem Hilfsaggregat angetrieben und dreht sich mit der Welle der Gasturbine. Die Abtriebsseite des Hilfsaggregats und die Welle der Turbine sind als jeweilige Kupplungspartner durch ein Kupplungsmittel gekoppelt, so dass ein Antriebsmoment von dem Hilfsaggregat auf die Turbinenwelle übertragen werden kann.
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Nach Zünden des Luft-Kraftstoffgemischs in einer Brennkammer der Turbine und Beginn der Erzeugung des Antriebsstrahls läuft dieser Prozess selbständig weiter und die Welle dreht sich entsprechend weiter. Ohne diese konkret angeben zu müssen lässt sich die zu erreichende Mindestdrehzahl, bis zu welcher die Welle der Turbine durch das Hilfsaggregat anzutreiben ist dahingehend qualifizieren, dass die Welle sich vermittels ihres Verbrennungsprozesses jedenfalls eigenständig bewegen können muss.
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Die hinsichtlich der Flexibilität in der Handhabung und Drehzahlfestigkeit durchaus günstige Kopplung des Hilfsaggregats an die Turbinenwelle geht aber durchaus mit Problemen einher, denn die Abtriebswelle des Hilfsaggregats dreht sich ja im auf den Anlassvorgang folgenden Betrieb bei starrer Kopplung mit der sehr hohen Drehzahl der Turbine mit. Bei den erwähnten Anwendungen können diese Aggregate mit ihren Turbinenrädern durchaus Umdrehungszahlen in einer Größenordnung von 100.000 U/min bis 250.000 U/min erreichen. Dem wurde versucht dadurch zu begegnen, dass man die Kupplungspartner mit einer durch eine Axialbewegung ein- und auskuppelnden Kupplung verbindet bzw. trennt. Hierbei wurde eine Kupplungsmuffe mit einem auswechselbaren O-Ring versehen, ein System, das sich Bendix-Kupplung nennt.
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Auch diese mittels eines Kupplungsvorgangs zu verbindenden bzw. zu trennenden, starren Kupplungssysteme sind nicht einfach zu handhaben, da der Motor des Hilfsaggregats sowie seine Abtriebswelle geeigneter Kühlung und deren Lager einer passenden Schmierung bedürfen, außerdem ist ihre Lebensdauer begrenzt. Bei starrer Kopplung der Kupplungspartner treten weiter Probleme mit Schwingungen, Resonanzen, sowie Verschleiß von Kupplungsteilen auf. Aufgrund der Empfindlichkeit gegenüber Achs- und Winkelversatz ergeben sich überdies starke Anforderungen an eine hochpräzise Ausrichtung der Achsen von Turbinen und Hilfsaggregatswelle Schließlich ist die trennende bzw. verbindende Kupplung mit O-Ring empfindlich auf Verschmutzungen und Verschleiß.
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Aus der
US 2013/0038057 A1 kennt man bereits eine Gasturbine der eingangs erwähnten Art, die als Turbo-Propeller-Gasturbine ausgebildet ist. Die vorbekannte Gasturbine hat eine Triebwerkseinheit, die einen Niederdruckkompressor, einen Hochdruckkompressor, eine Brennkammer, eine Hochdruckturbine und eine Niederdruckturbine umfasst, welche in axialer Richtung einander nachgeordnet sind. Der Niederdruckturbine ist in Strömungsrichtung ein Propeller nachgeschaltet. Auf der Zuströmseite des Niederdruckkompressors ist eine Starteranordnung vorgesehen, die ein als Startermotor ausgebildetes Hilfsaggregat hat, welches in einem ersten Betriebsmodus die vorbekannte Gasturbine über den Niederdruckkompressor startet, um in einem zweiten Betriebsmodus während des Betriebes der vorbekannten Gasturbine als Stromgenerator zu dienen. Dabei sind zwischen der abtriebsseitigen Welle des Hilfsaggregats und der Welle der Gasturbine als jeweilige Kupplungspartner ein Kupplungsmittel vorgesehen, welches die Kupplungspartner bei entsprechender, in
US 2013/0038057 A1 nicht näher ausgeführter Weise auch berührungslos koppeln kann.
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Aus der
US 2010/0127496 A1 kennt man bereits eine Gasturbine mit einer Starteranordnung, die in einer, an einer Kompressorschaufel vorgesehenen Ringzone Magnete umfasst, welche mit Spulen in einem Kraftübertragungsring in elektromagnetischer Wirkverbindung stehen, wenn die Gasturbine gestartet werden soll.
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Starteranordnungen für Gasturbinen, bei denen eine Kraftübertragung zwischen einem elektrischen Startermotor und der Gasturbine über ein Kupplungsmittel erfolgen soll, dessen Kupplungspartner in elektromagnetischer Wirkverbindung stehen, haben jedoch den Nachteil, dass bei stark divergierenden Geschwindigkeiten und insbesondere, wenn der Startermotor in der Anfangsphase des Startvorganges mit gegenüber der Gasturbine größeren Drehzahlen umläuft, es zu einem Abriss der zwischen den korrespondierenden Magneten ausgeübten Magnetkraft kommen kann, wodurch sich ein übergroßer Schlupf ergibt. Nimmt demgegenüber die Gasturbine Fahrt auf, wird sie sehr schnell wesentlich höhere Drehzahlen erreichen, - Drehzahlen aber, die der elektrische Startermotor niemals erreichen kann.
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Aus der
WO 2015/137814 A1 kennt man bereits eine Magnetkupplungsanordnung, die beispielsweise auch als Wirbelstrombremse verwendbar ist. Die vorbekannte Magnetkupplungsanordnung weist zwei Kupplungsscheiben auf, die auf einer koaxial zu den Drehachsen der Kupplungsscheiben angeordneten Schiebeachse relativ zueinander verstellbar sind. Während eine der Kupplungsscheiben Permanentmagnete trägt, ist die andere Kupplungsscheibe aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt. Eine konkrete Verwendung der vorbekannten Magnetkupplungsanordnung mit ihren axial zueinander verstellbaren Kupplungsscheiben ist in der
WO 2015/137814 A1 jedoch nicht näher erwähnt und aufgrund der vergleichsweise großen axialen Längserstreckung dieser vorbekannten Magnetkupplungsanordnung ist deren Anwendung auf solche Fälle begrenzt, die eine vergleichsweise große Längserstreckung einer solchen Magnetkupplungseinheit zulassen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gasturbine und insbesondere ein Strahltriebwerk der eingangs genannten Art mit einer Starter-Anordnung dahingehend weiterzubilden, dass die vorgenannten Nachteile vermieden werden und auf diese Weise eine unempfindliche und gut handhabbare Starter-Anordnung in der erfindungsgemäßen Gasturbine zur Verfügung steht.
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Diese Aufgabe wird bei der Gasturbine der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Für die erfindungsgemäße Gasturbine ist kennzeichnend, dass einer der Kupplungspartner als Magnetscheibe mit einer Mehrzahl von Magneten und der andere Kupplungspartner als Mitnehmerscheibe aus einem Metall mit hoher elektrischer Leitfähigkeit ausgebildet ist, so dass durch eine Relativbewegung der Magnetscheibe gegenüber der elektrisch leitfähigen Mitnehmerscheibe in der Mitnehmerscheibe Wirbelströme induzierbar sind, die dem äußeren Magnetfeld entgegengesetzte Magnetfelder und dadurch eine Kraftwirkung zwischen der Magnetscheibe und der Mitnehmerscheibe erzeugen.
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In der erfindungsgemäßen Gasturbine ist eine Starter-Anordnung vorgesehen, die ein als elektrischer Starter/Generator ausgebildetes Hilfsaggregat hat. Mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Starter-Anordnung wird mit einem elektrischen Starter/Generator zum einen ein gut beherrschbarer und insbesondere steuerbarer elektrischer Antrieb für das Anlassen der Gasturbine bereitgestellt. In einem Betriebsmodus als Generator ist dieser gleichzeitig in der Lage, nach dem Anlassen der Gasturbine, über die Kopplung mit der Turbinenwelle das ihn zuvor speisende Speichermittel wieder aufzuladen. Gleichzeitig ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Kupplungspartner über das Kupplungsmittel berührungslos zu koppeln, so dass dann die Abtriebsseite des Hilfsaggregats und die Turbinenwelle berührungslos in Eingriff stehen. Hierdurch sind das Hilfsaggregat und das Aggregat dauerhaft mechanisch entkoppelt, so dass Probleme mit Schwingungen, Ausrichtungen, Verschleiß und Verschmutzung effektiv vermieden werden.
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Um die Kupplungspartner in geeigneter Weise berührungslos koppeln zu können und dabei das seitens des Hilfsaggregats erzeugte Antriebsmoment verlustarm an die Turbinenwelle vermitteln zu können, überträgt das Kupplungsmittel mittels einer kontaktfreien Feldkraft ein Antriebsmoment des Hilfsaggregats an die Welle der Turbine, wobei die Feldkraft insbesondere eine magnetische Feldkraft ist. Von einem der Kupplungspartner ausgeübte Magnetkräfte sind in der Lage, den anderen Kupplungspartner in geeigneter Weise berührungslos zu koppeln und ein ausgeübtes Moment an diesen weiterzugeben. Prinzipiell ist es dabei nicht von Belang, von welchem der Partner die Magnetkraft ausgeht, sondern lediglich, dass bei Anwesenheit eines Magnetfeldes eine Bewegung des einen Partners sich auf den jeweils anderen überträgt.
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Dabei ist für die erfindungsgemäße Gasturbine kennzeichnend, dass einer der Kupplungspartner ihrer Starter-Anordnung als Magnetscheibe mit einer Mehrzahl von Magneten und der andere Kupplungspartner als Mitnehmerscheibe aus einem Metall mit hoher elektrischer Leitfähigkeit ausgebildet ist, so dass durch eine Relativbewegung der Magnetscheibe gegenüber der elektrisch leitfähigen Mitnehmerscheibe in der Mitnehmerscheibe Wirbelströme induzierbar sind, die dem äußeren Magnetfeld entgegengesetzte Magnetfelder und dadurch eine Kraftwirkung zwischen der Magnetscheibe und der Mitnehmerscheibe erzeugen.
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Dies beruht auf dem Umstand, dass bei Bewegung eines metallischen Gegenstandes in einem inhomogenen äußeren Magnetfeld, hier also relativ zu der ringförmigen Anordnung von Magneten, in der Mitnehmerscheibe ein Strom und daraus resultierend Wirbelströme induziert werden. Diese Wirbelströme erzeugen wiederum dem äußeren Magnetfeld entgegengesetzte Magnetfelder, so dass es zwischen der Magnetscheibe und der Mitnehmerscheibe zu einer Kraftwirkung kommt. Eine Relativbewegung der Magnetscheibe bezüglich der leitfähigen Mitnehmerscheibe hat den gleichen Effekt, entscheidend ist dabei nicht die Magnetisierbarkeit der Mitnehmerscheibe, sondern nur ihre elektrische Leitfähigkeit. Gute Ergebnisse werden mit Scheiben aus Kupfer oder Aluminium erzielt, es sind aber auch andere Materialien denkbar.
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Die beiden, die Kupplungspartner bildenden, sich ja nicht berührenden Scheiben des Kupplungsmittels bilden also eine Art Wirbelstromkupplung zwischen dem Hilfsaggregat und der Turbine. Prinzipiell ist dabei keine der beiden Anordnungen bevorzugt, es ist also eigentlich gleich, ob beispielsweise die Magnetscheibe den dem Hilfsaggregat zugeordneten Kupplungspartner oder den der Turbinenwelle zugeordneten Kupplungspartner bildet. Aufgrund der thermischen Verhältnisse in Turbinennähe wird jedoch eine Anordnung mit der Magnetscheibe an der Abtriebsseite des Hilfsaggregat zu bevorzugen sein.
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Vorteilhaft kann daher bei in einer Weiterbildung der Starter-Anordnung die Magnetscheibe mit einer ringförmigen Anordnung von Elektromagneten oder Permanentmagneten mit sich abwechselnder Polanordnung versehen ist, wobei im Falle von Permanentmagneten diese insbesondere als Neodym-Magnete ausgebildet sind. Die durch die Kupplungspartner gebildete Wirbelstromkupplung ist also durch eine Scheibe mit einem mehrpolig magnetisierten Magneten gebildet, der einer elektrisch gut leitfähigen Scheibe, beispielsweise einer Kupferscheibe, durch einen Spalt beabstandet gegenübersteht. Magnet und Mitnehmerscheibe sind jeweils rückwärtig mit Eisenscheiben gleichen Durchmessers verbunden. Das übertragbare Antriebsmoment ist dabei von der Bemaßung der Scheiben, dem Magnetwerkstoff, der Polzahl, dem Luftspalt und der Relativdrehzahl abhängig. Je höher die Geschwindigkeit, umso höher ist das übertragbare bzw. übertragene Antriebs- oder Drehmoment. Der auftretende Fluss und damit das Moment wäre dabei notwendinotwendigenfalls etwa durch axiales Verschieben, also durch Veränderung des Luftspaltes möglich. Werte der erwähnten Parameter können sich, lediglich als Beispiele und ohne Einschränkung der Allgemeinheit, bei der Anzahl der Polpaare zu zwischen 8 und 16, bspw. 12, die Fläche der Scheiben mit einem Durchmesser von einigen 10mm, beispielsweise 20 mm, und der Spalt zwischen den Scheiben zu einigen Zehntel Millimeter, beispielsweise 1/10 mm, ergeben. Mit welchen Werten einzelne Parameter auszubilden sind richtet sich in erster Linie nach der Anforderung an den Motor im Starterbetrieb, in welchem der Motor aus der zur Verfügung stehenden Spannung in eine Drehzahl zum Antreiben der Gasturbine über Mitnehmerscheibe und Turbinenwelle versetzt werden muss, die durchaus einige 10.000 Umdrehungen, beispielsweise 40.000 Umdrehungen / Minute betragen kann.
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In einer anderen zweckmäßigen Weiterbildung der Starter-Anordnung, bei welcher die Magnete in ihrer ringförmigen Anordnung besonders gut anbringbar sind, und derart eine Magnetscheibe einfach realisierbar ist, kann die Magnetscheibe einen Träger mit einer der Anzahl der Magnete entsprechenden Anzahl von Aufnahmen aufweisen, in welchen die Magnete aufgenommen sind, insbesondere wobei die Aufnahmen den Träger in axialer Richtung durchgreifen. Die Ausnehmungen und entsprechend die Magnete können dabei bevorzugt eine zylindrische Formgebung aufweisen. Es sind aber auch andere Formen, beispielsweise ähnlich Kreissektoren, denkbar. Der Träger ist dabei nicht magnetisch vorgesehen.
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Bevorzugt kann hierbei in einer anderen Weiterbildung der Starter-Anordnung die Magnetscheibe mit einer ringförmigen Anordnung von Elektromagneten oder Permanentmagneten mit sich abwechselnder Polanordnung versehen sein, wobei im Falle von Permanentmagneten diese insbesondere als Neodym-Magnete ausgebildet sein können.
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Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung bildet eine Starter-Anordnung, bei der die Magnetscheibe an ihrer dem anderen Kupplungspartner abgewandten Seite mit einer weichmagnetischen Scheibe gleichen Durchmessers verbunden ist. Die weichmagnetische Scheibe bildet dabei den magnetischen Rückschluss der betreffenden Kupplungsseite und ist zudem in der Lage, die Permanentmagnete auch abzuschirmen. Als weichmagnetische Scheibe findet sie deshalb Verwendung, weil die temporäre Magnetisierung, der sie durch das äußere Magnetfeld ausgesetzt ist, nicht zu einer permanenten Magnetisierung führen soll. In gleicher Weise kann eine solche weichmagnetische Scheibe auch an der der Magnetscheibe abgewandten Seite der Mitnehmerscheibe ausgebildet bzw. mit dieser verbunden sein. Eine solche Scheibe kann beispielsweise aus einer Weicheisen-Legierung ausgebildet sein. Um mit dieser Scheibe eine verbesserte mechanische Verbindung herzustellen und überdies Permanentmagnete zuverlässig in ihren Aufnahmen zu halten, kann zusätzlich ein Klebemittel, beispielsweise ein Konstruktionskleber, Verwendung finden.
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In einer anderen vorteilhaften Ausbildung, in der die Mitnehmerscheibe in einfacher Weise einen Partner der Kupplung bilden kann, ist an der Starter-Anordnung die Mitnehmerscheibe in Gebrauchsstellung in einer Aufnahme angeordnet, die an dem dem Antrieb zugewandten Ende der Turbinenwelle angeordnet ist. Die betreffende Aufnahme ist dabei bevorzugt stirnseitig an einer den Verdichter axial ortsfest festlegenden Wellenmutter vorgesehen. Besonders bevorzugt kann die erwähnte Aufnahme dabei mit ihrem Rand die Mitnehmerscheibe einfassen.
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Um das freie, antreibbare Ende der Turbinenwelle in einfacher Weise als Punkt zur Anordnung eines der Kupplungspartner nutzen zu können, sind bei einer Weiterbildung der Starter-Anordnung die Wellenmutter und die Mitnehmerscheibe durch ein gemeinsames Festlegemittel an dem Ende der Turbinenwelle drehfest gehalten. Das Festlegemittel kann dabei durch eine Schraube gebildet sein, die Wellenmutter und Mitnehmerscheibe jeweils an einer koaxialen Öffnung durchgreift Es sind auch andere Festlegemittel denkbar. Wie bereits erwähnt, kann auch die Magnetscheibe an der Wellenmutter und prinzipiell an dem dem Hilfsaggregat zugewandten, freien Ende der Turbinenwelle angeordnet sein.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführung, bei der die zum Betrieb des Starter-Motors notwendige elektrische Energie zurückgewonnen werden kann, ist bei der erfindungsgemäßen Starter-Anordnung das Hilfsaggregat als Motor und als Generator betreibbar, wobei insbesondere ein Umschalten zwischen Motorbetrieb und Generatorbetrieb schaltmittelfrei erreichbar ist.
Das Hilfsaggregat ist dann eine elektrische Maschine, die Bewegungsenergie wieder in elektrische Energie wandelt. Der Generator ist praktisch das Gegenstück zum Antriebsmotor des Hilfsaggregats, der elektrische Energie in Bewegungsenergie der Turbine umgewandelt hatte.
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Die Kupplungspartner des Kupplungsmittels sind durch die Wirbelstromkupplung „weich“ gekoppelt, da das Kupplungsmittel keine starre mechanische Kopplung der Partner bildet. Im Generatorbetrieb ist die Magnetscheibe das mitgenommene Teil, das durch die „weiche“ Kopplung in der Lage ist, durchzurutschen, wodurch sich die Drehzahl der Motorwelle, abhängig von der Turbinendrehzahl des anderen Kupplungspartners, von selbst einstellt. Die Wirbelstromkupplung weist gewissermaßen einen Rutschkupplungseffekt auf.
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Entspricht oder übersteigt die Generatorspannung die aktuelle Spannung des Speichermittels für den Motorbetrieb führt dies dazu, dass ein Stromfluss gegen die Speiserichtung stattfindet, wobei der zurückfließende Generatorstrom proportional zur Drehzahl des Generators bzw. seiner abtriebsseitigen Welle ist.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Starter-Anordnung ist das Hilfsaggregat durch einen bürstenbehafteten Elektromotor oder durch eine Drehstrom-Synchronmaschine, insbesondere einen dreiphasigen BLDC-Motor gebildet ist. Im Motorbetrieb, der ja der Betriebsmodus als Starter ist, und bei dem die Turbinenwelle niedriger als Generatorwelle dreht, werden die drei Motorphasen über ein Steuermittel so kommutiert, dass der Motor in Rotation versetzt wird. In diesem Modus wird die Turbine gestartet, während das Ladesystem deaktiviert ist.
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Im Generatorbetrieb, in dem die abtriebsseitige Welle des Hilfsaggregats niedriger als die Turbinenwelle dreht, wird die in die Motorphasen induzierte Spannung durch ein Stromrichtmittel gleichgerichtet, so dass ein Ladestrom zu dem Speichermittel der Starter-Anordnung geführt werden kann. Die zuvor beschriebene Motorkommutierung für den Startbetrieb ist in diesem Betriebsmodus deaktiviert.
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Der Betrieb als Motor und Generator funktioniert auch bei Einsatz eines bürstenbehafteten Motors, in diesem Fall kann auf die zuvor erwähnten Stromrichtmittel und elektronische Einrichtungen zur Kommutierung des Motors verzichtet werden, da diese Funktionen bei einem bürstenbehafteten Motor von dessen Kollektor übernommen werden, der mit seinen Schleifkontakten für einen Wechsel der Polung sorgt. Diese Alternative kann insbesondere bei Verwendungen, bei denen nur eine kurze Lebensdauer gefordert ist, eine interessante und vor allem kostengünstiger sein.
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Eine zweckmäßige Weiterbildung der erfindungsgemäßen Starter-Anordnung, die das Kupplungsmittel und den Verbrennungsprozess sowie das von diesem angetriebene Turbinenrad möglichst weit voneinander beabstandet sieht das Kupplungsmittel an dem verdichterseitigen Ende der Welle vor, insbesondere kann dabei das Hilfsaggregat stirnseitig im Bereich des Einlaufs der Turbine/Turbinenwelle angeordnet sein. Letzteres profitiert bei dieser Positionierung vor allem von thermischen Vorteilen und einer kurzen Kopplungsstrecke.
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Um das Hilfsaggregat in geeigneter Weise an dem Aggregat verliersicher festzulegen und dabei weder die Kontur des Aggregats noch den Luftzutritt zu dem Verdichter negativ zu beeinflussen kann bei einer weiteren Ausführung der Starter-Anordnung an einer den Einlauf der Turbine bildenden Öffnung des Turbinengehäuses eine Mehrzahl von in Richtung einer Längsachse des Aggregats nach innen ragenden, insbesondere gekrümmt nach innen ragenden, an einem Rand der Öffnung beabstandet angeordneten, insbesondere gleichmäßig winkelbeabstandet angeordneten, Streben vorgesehen sein, die das Hilfsaggregat tragen. Hierbei sind bevorzugt die Längsachsen von Aggregat und Hilfsaggregat zueinander koaxial angeordnet. Außerdem kann das Hilfsaggregat zu seinem Schutz von einem Gehäuse aufgenommen sein.
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Eine Weiterbildung der Starter-Anordnung kann darin bestehen, dass sich entlang wenigstens einer der Streben elektrische Verbindungsmittel erstrecken, die Motorenstrom an den Phasen des Hilfsaggregats bereitstellen bzw. Generatorstrom an den Phasen des Hilfsaggregats abgreifen. Weiter können an dem der Welle der Turbine abgewandten Ende des Hilfsaggregats dessen Phasenanschlüsse nach außen geführt sein.
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Der Betrieb des Hilfsaggregats in verschiedenen Modi wird durch eine Ausführung der Starter-Anordnung zweckmäßig unterstützt, bei der dem Hilfsaggregat wenigstens ein Steuermittel der Starter-Anordnung zugeordnet ist, das die Kommutierung des Hilfsaggregats im Motorbetrieb steuert und/oder die Ladung wenigstens eines mit dem Hilfsaggregat verbundenen, elektrischen Speichermittels steuert, welches im Generatorbetrieb des Hilfsaggregats aufladbar ist.
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Die zuvor aufgeworfene Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Starter-Anordnung an einer Gasturbine oder dergleichen Aggregat, bspw. an einem Strahltriebwerk, insbesondere durch eine Starter-Anordnung wie zuvor beschrieben, wobei zwischen einer Abtriebsseite des Hilfsaggregats und einer Welle des Aggregats als jeweilige Kupplungspartner ein Kupplungsmittel vorgesehen ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere durch die folgenden Verfahrensschritte aus, nämlich
- - Berührungsloses Koppeln einer Abtriebsseite des Hilfsaggregats mit einer Welle des Aggregats
- - Starten des Aggregats durch das Hilfsaggregat als elektrischem Antrieb
- - Erreichen einer Mindestdrehzahl des Aggregats
- - Schaltmittelfreies Umschalten des Betriebs des Hilfsaggregats in den Generatorbetrieb
- - Laden wenigstens eines elektrischen Speichermittels mit einem Ladestrom über ein Steuermittel.
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Auf diese Weise lässt sich etwa eine Gasturbine als Aggregat in vorteilhafter Weise starten, indem es durch ein im Motorbetrieb arbeitendes Hilfsaggregat auf eine Mindestdrehzahl gebracht wird, wonach bei Übersteigen der Drehzahl der Turbinenwelle gegenüber der Hilfsaggregatwelle, das Hilfsaggregat im Generatormodus betrieben wird und hierdurch das ihm Energie liefernde Speichermittel wieder aufgeladen wird. Das unempfindliche, weil berührungslose Kupplungsmittel ist nicht starr und vermeidet ein eigens hierfür vorgesehenes Schaltmittel für den Generatorbetrieb, da sich die Drehzahl an einer Welle des Generators selbst einstellt.
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Bei einer Variante des Verfahrens kann die Ladeendspannung des Speichermittels des Generators in einfacher Weise dadurch manipuliert werden, durch das Steuermittel ein Steuersignal erzeugt wird, mittels dessen ein elektrisches Schaltmittel, bspw. ein Transistor, pulsweitenmoduliert wird.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert. In teilweise schematisierter Ansicht zeigen hierbei die
- 1 eine ebene stirnseitige Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Starter-Anordnung von Seiten des Einlasses in die Turbine mit vor dem Verdichter angeordnetem Hilfsaggregat;
- 2 eine perspektivische Seitenansicht des Aggregats mit der Starter-Anordnung aus der 1;
- 3 eine perspektivische Ansicht einer Starter-Anordnung aus den 1 und 2 mit Turbinenwelle mit Turbinenrad, Verdichter, Hilfsaggregat und Trichter des Einlasses;
- 4 eine perspektivische Ansicht der Starter-Anordnung aus der 3 aus einem anderen Betrachtungswinkel, bei welcher der Trichter des Einlasses sowie die Streben weg gelassen wurden
- 5 eine explodierte, ebene Seitenansicht der Starter-Anordnung aus der 4,
- 6 eine explodierte, perspektivische Seitenansicht der Starter-Anordnung aus der 5;
- 7 ein Prinzipschaltbild der Funktionsweise eines Ausführungsbeispiels des Steuermittels einer Starter-Anordnung.
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In den 1 bis 6 erkennt man eine im Ganzen mit 1 bezeichnete Starter-Anordnung an einer durch eine Gasturbine 10 gebildetes Aggregat. Die Gasturbine 10 weist einen Einlauf 11 auf, der einem Verdichter 12 Luft zur Verbrennung mit einem Treibstoff zuführt, womit durch das Aggregat ein Antriebsstrahl erzeugbar ist. Der Verdichter 12 ist drehfest an einer Welle 15 der Turbine 10 angeordnet. Die Starter-Anordnung 1 weist ein Hilfsaggregat 20, welches die Turbine 10 startet und treibt den Verdichter 12 über die Welle 15 bis zum Erreichen einer Mindestdrehzahl an. Zwischen einer abtriebsseitigen Welle 25 des Hilfsaggregats 20 und der Welle 15 der Turbine 10 als jeweilige Kupplungspartner ein Kupplungsmittel 30 vorgesehen. Das Hilfsaggregat 20 ist dabei als elektrischer Starter/Generator ausgebildet, und dass das Kupplungsmittel 30 koppelt die Kupplungspartner berührungslos.
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Die 1 und 2 zeigen dabei die Gasturbine 10 mit der Starter-Anordnung 1 im Ganzen mit einem Turbinengehäuse 13, an dessen der Starter-Anordnung 1 abgewandtem Ende eine Düse 16 zum Auslass des durch den in der Gasturbine 10 über einen Verbrennungsprozess erzeugten, nicht weiter dargestellten Antriebsstrahls angeordnet ist. In der 1 blickt der Betrachter dabei stirnseitig auf den in den Verdichter 12 mündenden Einlauf 11 der Gasturbine 10 mit seinem sich in axialer Richtung verjüngenden Trichter 14. Im Einlauf positioniert ist das Hilfsaggregat 20 der Starter-Anordnung 1, das mit seinem Gehäuse 22 an drei gleichmäßig winkelbeabstandeten Streben 21, in Blickrichtung vor dem Verdichter 12 aufgehängt ist, wobei die Längsachsen von Gasturbine 10 und Hilfsaggregat 20 koaxial zueinander angeordnet sind. Die Streben 21 ragen vom Rand der Öffnung des Trichters 14 in Richtung der Längsachse und dabei von dem Verdichter 12 weg.
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In der 3 erkennt man die gleiche Starter-Anordnung 1 bei der das Turbinengehäuse 13 weg gelassen wurde, so dass die Turbinenwelle 15 der Gasturbine 10 sowie an deren dem Verdichter 12 abgewandten Ende das Turbinenrad erkennbar sind. Gezeigt ist in der 3 weiter das an den mit dem Rand der Öffnung des Trichters 14 verbundenen Streben 21, an denen das Hilfsaggregat 20 in seinem Gehäuse 22 untergebracht aufgehängt ist.
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In der 4 wird gegenüber der 3 außerdem auf die Darstellung des Trichters 14, der Streben 21 sowie des Gehäuses 22 des Hilfsaggregats 20 verzichtet, so dass nun der an de Turbinenwelle 15 drehfest und axial ortsfest angeordnete Verdichter 12 sowie der BLDC-Motor 23 des Hilfsaggregats 20 gut zu erkennen sind. Weiter erkennt man nun das Kupplungsmittel 30, an welchem die Turbinenwelle 15 und die Welle 25 des Hilfsaggregats 20 als Kupplungspartner miteinander berührungslos und daher weich gekoppelt sind und gleichzeitig durch den Spalt 31 getrennt sind.
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Die 5 und 6 zeigen insbesondere die kontaktfreie Kopplung der Kupplungspartner des Kupplungsmittels 30 gut, die aufgrund der explodierten Darstellung gut nachvollziehbar ist. In den Darstellungen jeweils auf der für den Betrachter linken Seite beginnend erkennt man das an dem dortigen Ende der Turbinenwelle 15 angeordnete Turbinenrad 17. An der Turbinenwelle 15 erkennt man weiter zwei Lagerelemente 18, an denen die Turbinenwelle 15 gelagert ist. Zwischen dem rechten der beiden Lagerelemente 18 und einer Wellenmutter 19 ist der Verdichter 12 axial ortsfest an der Turbinenwelle 15 angeordnet.
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Das Kupplungselement 30 verbindet die Turbinenwelle 15 und die abtriebsseitige Welle 25 des Hilfsaggregats 20, die die Motorwelle des BLDC-Motors 23 bildet, kontaktlos als Kupplungspartner. Hierfür ist an der Wellenmutter 19 eine Aufnahme 34 vorgesehen, die die Mitnehmerscheibe 32 aufnimmt. Die Mitnehmerscheibe 32 ist durch eine Schraube 33 als Befestigungsmittel an der Wellenmutter 19 gehalten und vom Rand der Aufnahme 34 eingefasst.
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Von der Mitnehmerscheibe 32 durch den Spalt 31 beabstandet ist an dem Kupplungsmittel 30 der andere Kupplungspartner in Form der Magnetscheibe 35 zu erkennen, die durch einen nicht magnetischen Magnetträger 36 gebildet ist, in dessen axialen Durchgriffen 37 zwölf Permanentmagnete 38 aufgenommen sind. Der Magnetträger sitzt mit einem Flansch 41 auf der abtriebsseitigen Welle 25 des Hilfsaggregats 20 und ist dort drehfest festgelegt. Aus Richtung des Spalts 31 kommend hinter dem Magnetträger 36 ist eine Rückschlussscheibe 39 mit zu dem Magnetträger 36 gleicher flächiger Ausdehnung aus einer Weicheisen-Legierung angeordnet.
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In der 7 erkennt man ein Prinzipschaltbild, anhand dessen die Betriebsarten des Hilfsaggregats 20 gut zu erklären sind.
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In dem Schaltbild erkennt man schematisch den Motor/Generator 23 des Starter-Anordnung 1. Im Motorbetrieb / Starterbetrieb dreht die Turbinenwelle 15 der Gasturbine 10 niedriger als die abtriebsseitige Welle 25 des Hilfsaggregats 20 mit dem Motor 23, die 3 Motorphasen über das Steuermittel 50 mit Kommutierungssignalen 51 so kommutiert, dass der Motor 23 in Rotation versetzt wird wodurch die Turbine 10 gestartet werden kann. Die Ladefunktion des Generatorbetriebs ist hierbei außer Funktion, es gibt kein PWM-Signal.
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Ist die Turbine 10 gestartet, kann der Motor 23 im Generatorbetrieb betrieben werden. Im Generatorbetrieb in dem die abtriebsseitige Welle 25 des Hilfsaggregats 20 als Generatorwelle niedriger dreht als die Turbinenwelle 15, wird die in die Motorphasen induzierte Spannung von einem Diodennetzwerk 55, bestehend aus sechs Dioden D1 bis D6, gleichgerichtet. Die oben beschriebene Motorkommutierung mittels Kommutierungssignalen 51 für den Startbetrieb ist in diesem Betriebsmodus deaktiviert.
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Sobald die gleichgerichtete Spannung UG größer als die Spannung UA des als Akku ausgebildeten elektrischen Speichermittels 56 wird, fängt der durch den Pfeil 52 symbolisierte Ladestrom über die Diode D7 und den Strommesswiederstand R1 an, in das Speichermittel 51 zu fließen.
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Die Regelung der Ladeendspannung des Speichermittels 51 bzw. die Begrenzung des max. Ladestromes erfolgt alleine über das von dem Steuermittel 50 erzeugte, pulsweitenmodulierte Steuersignal PWM, welches einen Transistor T1 pulsweitenmoduliert. Werden der Ladestrom und/oder die Akkuspannung zu groß, wird über das Steuermittel 50 das Tastverhältnis des Steuersignals PWM mittels eines nicht weiter dargestellten PI-Reglers des Steuermittels 50 von null an langsam erhöht. Hierdurch wird ein Teil des durch den Pfeil 53 symbolisierten Generatorstroms als durch den Pfeil 54 symbolisierter Regelstrom über den Transistor T1 abgeleitet.
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Hierdurch passieren folgende zwei Dinge: Zum einen verringert sich der Ladestrom in das Speichermittel 56 und zum anderen fällt die Drehzahl des Generators (Motors) 23 geringfügig ab, da die Wirbelstromkupplung des Kupplungsmittels 30 durch die insgesamt gesteigerte Strombelastung des Generators 23 mehr Schlupf entwickelt. Ein erhöhter Motorstrom bedeutet ein größeres Drehmoment, was wiederum den Schlupf des Kupplungsmittels erhöht, wodurch dann die Drehzahl des Generators 23 sinkt.
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Im Extremfall, wenn das Steuersignal PWM Signal auf 100% eingestellt würde, was quasi ein Kurzschließen des Generators 23 bedeutete, bräche die Drehzahl des Generators 23 und damit auch seine Ausgangsspannung auf sehr niedrige Werte ein, die Drehzahl zu einigen Umdrehungen. Es flösse zwar dann immer noch ein konstanter Strom über den Transistor T1 und die Motorwicklungen, aber bei insgesamt sehr geringen Verlustleistungen, da sich Motorspannung und Drehzahl durch den Kurzschluss-Betrieb bei nahe null einpendelten.
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Dies ist auf den Rutschkupplungseffekt des Kupplungsmittels 30 als Wirbelstromkupplung zurückzuführen. In dem gerade beschriebenen Betriebspunkt flösse dann kein Ladestrom mehr in das Speichermittel 56, überdies würde der Generator/Motor 23 insbesondere hinsichtlich seiner Lagerung geschont, das er mit nur wenigen Umdrehungen läuft. Was in diesem Betriebspunkt dann wärmer wird, ist die kupferne Mitnehmerscheibe 32 an der Turbinenwelle 15, diese wird aber durch den Luftstrom in die Turbine 10 ohnehin durch die Luftgeschwindigkeiten im Einlauf der Turbine 10 im Bereich von einigen hundert km/h immer extrem gekühlt.
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Die vorstehend beschriebene Erfindung betrifft demnach eine Starter-Anordnung 1 an einer Gasturbine 10 oder dergleichen Aggregat, bspw. an einem Strahltriebwerk, mit einem Einlauf 11, der einem Verdichter 12 Luft zur Verbrennung mit einem Treibstoff zuführt, womit durch das Aggregat ein Antriebsstrahl erzeugbar ist, wobei der Verdichter 12 drehfest an einer Welle 15 der Turbine 10 angeordnet ist, und mit einem Hilfsaggregat 20, welches die Turbine 10 startet und den Verdichter 12 über die Welle 15 bis zum Erreichen einer Mindestdrehzahl antreibt. Dabei ist zwischen einer abtriebsseitigen Welle 25 des Hilfsaggregats 20 und der Welle 15 der Turbine 10 als jeweiligen Kupplungspartnern ein Kupplungsmittel 30 vorgesehen. Um eine unempfindliche und gut handhabbare Starter-Anordnung 1 zur Verfügung zu haben, ist hierbei erfindungsgemäß das Hilfsaggregat 20 als elektrischer Starter/Generator ausgebildet, und das Kupplungsmittel 30 koppelt die Kupplungspartner berührungslos.
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Gegenüber bekannten Kupplungsmöglichkeiten, die mit starrer Kopplung die Kupplungspartner mit gleicher Drehzahl laufen lassen müssen, wird so eine unempfindliche und weiche Kopplung der Kupplungspartner geschaffen und gleichzeitig eine Ladung eines Energiespeichermittels im Generatorbetrieb des Hilfsaggregats 20 ermöglicht.
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Hierdurch ergeben sich mehrere Vorteile. Denn die erfindungsgemäße Starter-Anordnung 1 ist mit den durch das Hilfsaggregat 20 im Betrieb erreichten, vergleichsweise niedrige Drehzahlen unproblematisch hinsichtlich ihrer Lebensdauer, auch Kühlung und Schmierung sind einfach zu realisieren. Überdies werden bei starrer, mechanischer Kopplung auftretende Probleme, wie Schwingungen, Resonanzen oder Verschleiß einer trennenden Kupplung vermieden. Die erfindungsgemäße Starter-Anordnung 1 ist weiter unempfindlich gegen Achsversatz/Winkelversatz von Turbinenwelle 15 und abtriebsseitiger Welle 25 des Hilfsaggregats 20, also der Motor-/Generatorwelle, so dass auf eine hochpräzise Ausrichtung beider Achsen verzichtet werden kann. Überdies ist sie auch gegen Verschmutzung unempfindlich. Überdies kann auf Schaltnetzteile oder für die Ladereglung auf Gleichspannungswandler verzichtet werden, so dass dessen Platzbedarf/Gewicht/Kosten/ eingespart werden können und seitens des Wandlers keine Störaussendung stattfindet. Die Laderegelung kann mittels eines Transistors T1 stattfinden. Diese Starter-Anordnung 1 funktioniert auch bei höchsten Drehzahlen der Turbinenwelle 15 von einigen 100.000 Umdrehungen / min und ermöglicht die Stromerzeugung / Ankopplung eines Generators 23 auch bei kleinsten Turbinen 15 und sehr hohe Drehzahlen.
