DE1237162B - Anordnung einer Maschinenanlage einer Gasturbinenlokomotive - Google Patents

Description

• Anordnung einer Maschinenanlage einer Gasturbinenlokomotive Die Erfindung betrifft die Anordnung einer Maschinenanlage einer Gasturbinenlokomotive in der Reihenfolge »Niederdruckverdichter - Zwischenkühler - Hochdruckverdichter - Wärmetauscher luftseitig - Hochdruckbrennkammer - Hochdruckverdichterturbine - Niederdruckbrennkammer -frei laufende Nutzturbine - Niederdruckverdichterturbine - Wärmetauscher rauchgasseitig - Auspuff«, mit Axial-Turbomaschinen und stehenden Brennkammern, wobei die Kraftübertragung auf die Treibradsätze mechanisch erfolgt.
• Die bekannten Gasturbinenlokomotiven, deren Maschinenanlagen nach dem offenen Prozeß mit Verdichter, Brennkammer und Turbine arbeiten, wobei in einzelnen Fällen ein Wärmetauscher zur Ausnutzung der Abgaswärme verwendet wird, haben den Nachteil eines mäßigen thermischen Wirkungsgrades und eines schlechten Teillastverhaltens, was für Landfahrzeuge sehr ungünstig ist. Es gibt Gasturbinenschaltungen, die durch mehrstufigeZustandsänderungen in verschiedenen Turbosätzen und Brennkammern eine Carnotisierung des Gasturbinenprozesses erzielen. Hierbei ist es auch bekannt, eine frei laufende Nutzturbine koaxial zum Turboverdichtersatz anzuordnen, ferner zwei Brennkammern verschiedener Druckstufen nebeneinander aufzustellen. Derartige Schaltungen sind für Gasturbinenkraftwerke ausgeführt, beanspruchen jedoch viel Platz, wobei es außerdem wegen der Eigenart eines Kraftwerkbetriebes auf das Teillastverhalten der Gasturbine nicht so sehr ankommt.
• Es hat sich herausgestellt, daß für Landfahrzeuge, wie beispielsweise Lokomotiven, der günstigste Prozeß in der oben angegebenen Reihenfolge der einzelnen Maschinenaggregate erzielt wird. Bei einer solchen Reihenfolge wird die Anlage zweckmäßig so ausgelegt, daß der optimale Wirkungsgrad etwa bei Halblast liegt. Man erreicht dann im Bereich von Viertellast bis Vollast einen Wirkungsgradverlauf, der in etwa dem eines Dieselmotors entspricht und somit für Landfahrzeuge sehr günstig ist.
• Eine solche Reihenfolge ist bereits für Straßenfahrzeuge mit kleinerer Leistung - bis etwa 400 PS - verwendet worden. Dabei kommen jedoch vorwiegend Radialmaschinen zur Anwendung, wodurch sich in einfacher Weise eine raumsparende Anordnung der einzelnen Aggregate verwirklichen läßt.
• Die Anforderungen und Bedingungen, die an eine Lokomotive mit hoher Leistung gestellt werden, weichen jedoch grundsätzlich von Landfahrzeugen kleiner und mittlerer Leistung ab. Von einer bestimmten Leistung ab müssen nämlich wegen des höheren Gas- und Luftdurchsatzes Axialmaschinen verwendetwerden,wobei derhöhereMaschinenwirkungsgrad der Axialmaschinen gegenüber den Radialmaschinen eine Senkung der Temperatur vor der Turbine ohne Einbuße an thermischem Gesamtwirkungsgrad erlaubt, wodurch die Lebensdauer und Betriebssicherheit erhöht und überdies die Verwendung von billigen Brennstoffen, insbesondere von vanadiumreichem schwerem Heizöl, ermöglicht wird. Dabei hat sich ferner in bezug auf lange Lebensdauer und hohe Betriebssicherheit die Anordnung von großen Brennkammern nebeneinanderliegend auf der Eintrittsseite der Nutzturbine und eine verhältnismäßige niedrige Feuerraumbelastung bewährt.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Verwendung von Axial-Turbomaschinen und stehenden Brennkammern eine Maschinenanordnung zu schaffen, die entsprechend der eingangs beschriebenen Reihenfolge der Aggregate platzsparend in einer Lokomotive untergebracht werden kann, wobei gleichzeitig der bekannte Vorteil, eine frei laufende, von der Verdichterdrehzahl unabhängige Nutzturbine ohne Drehmomentwandlung die Treibsätze mechanisch antreiben zu lassen, ausgenutzt werden kann.
• Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei der eingangs genannten Anordnung durch die Kombination folgender Merkmale gelöst: a) Hoch- und Niederdruckturboverdichtersatz liegen in der lotrechten Längsmittelebene der Lokomotive übereinander, wobei der Hochdruckteil über dem Niederdruckteil angeordnet ist; b) die frei laufende Nutzturbine ist in an sich bekannter Weise koaxial zur Niederdruckverdichterturbine und zum Niederdruckverdichter angeordnet, wobei die Nutzturbinenwelle durch die als Hohlwelle ausgebildete Welle des Niederdruckturboverdichtersatzes hindurchgeführt ist; c) der Niederdruckverdichter ist mit seinem saugseitigen Ende und der Hochdruckverdichter mit seinem druckseitigenEnde zurFahrzeugquermitte hin angeordnet; d) die Niederdruckverdichterturbine und die Nutzturbine sind bezüglich ihrer Durchströmung in gleicher Richtung wie der Niederdruckverdichter angeordnet; e) dieHochdruckverdichterturbine ist bezüglichihrer Ein- und Austrittsseite spiegelbildlich zum Hochdruckverdichter angeordnet; f) die Hochdruckbrennkammer und die Niederdruckbrennkammer sind in derselben lotrechten Quermittelebene der Lokomotive in an sich bekannter Weise nebeneinanderliegend auf der Eintrittsseite der Nutzturbine angeordnet; g) die Hochdruckverdichterturbine ist an der der übrigen Maschinenanlage abgewandten Seite der Brennkammern angeordnet: h) der Wärmetauscher ist in dem Raum zwischen dem Hochdruckverdichter und den Brennkammern oberhalb der Niederdruckverdichterturbine angeordnet; i) der Zwischenkühler bildet den räumlichen Abschluß der Maschinenanlage an dem Ende, wo Niederdruckverdichter und Hochdruckverdichter übereinander angeordnet sind.
• Als Wärmetauscher kann sowohl ein Rekuperativwärmetauscher als auch ein Regenerativwärmetauscher verwendet werden. Aus Gründen einer platzsparenden Anordnung wird die Kühlluft im Zwischenkühler durch Lüfterräder mit horizontalen Achswellen in Querrichtung durch das Fahrzeug geblasen.
• Die an die Verteilergetriebe im Drehgestell angeschlossenen Gelenkwellen sind untereinander gleich lang, wobei zum Ausgleich unterschiedlicher Entfernungen zwischen der Nutzturbine und diesen Gelenkwellen eine Zwischenwelle angeordnet ist.
• Die Nutzturbinenwelle ist durch in den Verteilergetrieben angeordnete ausrückbare Klauenkupplungen von der Kraftübertragung zu den Treibradsätzen abkuppelbar ausgebildet. Der an die Niederdruckverdichterturbine anschließende Abgaskanal kann als Diffusor ausgebildet sein.
• In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert, wobei die Gasturbinenlokomotive nur einen Führerstand aufweist.
• F i g. 1 zeigt die Gasturbinenlokomotive mit ihrer Maschinenanlage im Längsschnitt, während F i g. 2 einen Querschnitt in der Ebene A-A, F i g. 3 einen Querschnitt in der Ebene B-B und F i g. 4 einen Querschnitt in der Ebene C-C gemäß F4 g. 1 zeigen.
• Der aus dem Niederdruckverdichter 2 und der Niederdruckverdichterturbine 10 bestehende, durch die als Hohlwelle ausgebildete Welle 19 verbundene Niederdruckturboverdichtersatz 2, 10 ist auf dem Brückenträger 23 in der lotrechten Längsmittelebene des Fahrzeuges angeordnet. Der Hochdruckturboverdichtersatz 4, 7, der aus dem Hochdruckverdichter 4 und der Hochdruckverdichterturbine 7 besteht, ist durch die Welle 18 verbunden und liegt ebenfalls in der lotrechten Längsmittelebene des Fahrzeuges über dem Niederdruckturboverdichtersatz 2,10. Die frei laufende, ihre Antriebsleistung mechanisch direkt über Verteilergetriebe 15 auf die Treibradsätze 24 übertragende Nutzturbine 9 liegt koaxial zum Niederdruckturboverdichtersatz 2,10. Dabei ist die Nutzturbinenwelle 20 durch die Welle 19 des Niederdruckturboverdichtersatzes 2, 10 hindurchgeführt.
• Die durch den sich in den beiden Seitenwänden der Lokomotive befindlichen Lufteintritt 1 vom Niederdruckverdichter 2, dessen saugseitiges Ende zur Fahrzeugquermitte hin angeordnet ist, angesaugte und verdichtete Luft gelangt zu den am druckseitigen Ende des Niederdruckverdichters 2 angeordneten und den räumlichen Abschluß der Maschinenanlage an dem Ende, wo der Niederdruckverdichter 2 und der Hochdruckverdichter 4 übereinanderliegen, bildenden Zwischenkühler 3, von dessen oberen Ende sie nach Abkühlung vom mit seinem druckseitigen Ende zur Fahrzeugquermitte liegendem Hochdruckverdichter 4 angesaugt und weiterverdichtet wird, wobei das Verdichtungsdruckverhältnis des Hochdruckverdichters 4 etwa das gleiche ist wie das des Niederdruckverdichters 2, das Gesamtdruckverhältnis demnach das Quadrat des Verdichtungsdruckverhältnisses eines einzelnen Verdichters 2 oder 4 beträgt. Die Kühlluft im Zwischenkühler 3 wird über Lüfterräder mit horizontalen Achswellen in Querrichtung durch das Fahrzeug geblasen.
• Nach Verlassen des Hochdruckverdichters 4 strömt die Luft durch die Rohrbündel des in dem Raum zwischen dem Hochdruckverdichter 4 und den nachstehend angeführten Brennkammern 6 und 8 oberhalb einer Niederdruckverdichterturbine 10 angeordneten, abgasbeheizten Wärmetauschers 5 und wird dort aufgeheizt. Durch den am oberen Ende der Hoehdruckbrennkammer 6 gelegenen Eintrittspunkt D tritt die Luft in die Hochdruckbrennkammer 6 ein, wird dort durch den Brennstoff aufgeheizt und verläßt als heißes Rauchgas die Hochdruckbrennkammer 6, an deren unterem Ende im Punkt E, von wo dieses heiße Rauchgas zur hochliegenden Hochdruckverdichterturbine 7 hinaufgeführt wird. In der Hochdruckverdichterturbine 7, die bezüglich ihrer Ein-und Austrittsseite spiegelbildlich zum Hochdruckverdichter 4 angeordnet ist, wird -die Enthalpie des Rauchgases in dem Maße abgebaut, wie es zum Antrieb des Hochdruckverdichters 4 erforderlich ist. Danach gelangt das Rauchgas zum obenliegenden EintrittF der in derselben lotrechten Quermittelebene wie die Hochdruckbrennkammer 6 neben dieser Niederdruckbrennkammer 8, die beide auf der Eintrittsseite der Nutzturbine 9 liegen. Die den Hochdruckverdichter 4 und die Hochdruckverdichterturbine 7 verbindende Welle 18 ist zwischen den beiden, in der gleichen lotrechten Quermittelebene nebeneinanderstehenden Hoch- und Niederdruckkammern 6 und 8 angeordnet und führt durch eine entsprechend ausgebildete Nische im Wärmetauscher 5 hindurch, wobei dieHochdruckverdichterturbine 7 an der der eigentlichen Maschinenanlage abgewandten Seite der Brennkammern 6 und 8 angeordnet ist.
• In der Niederdruckbrennkammer 8 wird das teilweise entspannte Rauchgas erneut aufgeheizt und strömt nach Verlassen der Niederdruckbrennkammer 8 im Punkt G in die frei laufende Nutzturbine 9, wo es so viel Enthalpie zur Umwandlung in Nutzleistung abgibt, daß in der unmittelbar dahintergeschalteten Niederdruckverdichterturbine 10 die noch notwendige Restenthalpie zur Verfügung steht, um damit den Niederdruckverdichter 2 anzutreiben. Die Nutzturbine 9 und die Niederdruckverdichterturbine 10 sind bezüglich ihrer Durchströmungsrichtung wie der Niederdruckverdichter 2 angeordnet. Nach der nahezu vollständigen Entspannung in der Niederdruckverdichterturbine 10 bis auf einen geringen, zur Überwindung von Strömungswiderständen erforderlichen Überdruck strömt das Rauchgas, nunmehr als Abgas, durch den Abgaskana121, der als Diffusor ausgebildet sein kann, zum Wärmetauscher 5, wo es die vom Hochdruckverdichter 4 kommende Luft aufheizt und durch den im Dach der Lokomotive angeordneten Auspuff 11 entweicht.
• Die Nutzturbinenwelle 20, die durch die als Hohlwelle ausgebildete Welle 19 des Niederdruckturboverdichtersatzes 2, 10 hindurchgeführt ist, treibt über Gelenkwellen 16 die in den beiden Drehgestellen 22 angeordneten Verteilergetriebe 15 an. Auf der Seite der Maschinenanlage, auf der sich die beiden Hoch-und Niederdruck-Brennkammern 6 und 8 befinden, ist wegen der gewünschten gleichen Ausführung der Gelenkwellen 16 eine Zwischenwelle 17 vorgesehen, die unterschiedlicheEntfernungen zwischen derNutzturbine 9 und den Gelenkwellen 16 ausgleicht. Der Antrieb der Treibradsätze 24 von den beiden Verteilergetrieben 15 aus erfolgt in der üblichen Weise mittels längsliegender Gelenkwellen und Kegelrad-oder Stirnradachsgetrieben oder einer Kombination beider Getriebearten.
• Zur Bewegung der Lokomotive bei Rangier- und Leerfahrten sowie zum Antrieb der Hilfsmaschinen, die vom Lastzustand der Hauptmaschinenanlage unabhängig arbeiten müssen, ist in einem Ende der Lokomotive ein Hilfsdieselmotor 12 angeordnet, der . über ein Einwandlergetriebe 13 und eine Gelenkwelle 14 auf das eine in diesem Teil der Lokomotive gelegene Verteilergetriebe 15 arbeitet. Im oberen Teil der beiden Verteilergetriebe 15 ist eine nicht gezeigte, ausrückbare Klauenkupplung vorgesehen, die bei Rangier- und Leerfahrten, wenn also der Hilfsdieselmotor 12 allein die Lokomotive antreibt, die Verbindung zwischen der Nutzturbine 9 und den Treibradsätzen 24 trennt, um so Radreibungs- und Ventilationsverluste innerhalb der Nutzturbine 9 zu vermeiden.
• Für die als reine Unteransprüche anzusehenden Ansprüche 2 bis 7 wird Schutz nur im Zusammenhang mit Anspruch 1 begehrt.

Claims (7)

1. Patentansprüche: 1. Anordnung einer Maschinenanlage einer Gasturbinenlokomotive in der Reihenfolge: »Niederdruckverdichter - Zwischenkühler - Hochdruckverdichter - Wärmeaustauscher luftseitig - Hochdruckbrennkammer - Hochdruckverdichterturbine - Niederdruckbrennkammer -frei laufende Nutzturbine - Niederdruckverdichterturbine - Wärmeaustauscher rauchgasseitig - Auspuff«, mit Axial-Turbomaschinen und stehenden Brennkammern, wobei die Kraftübertragung auf die Treibradsätze mechanisch erfolgt, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: a) Hoch- und Niederdruckturboverdichtersatz liegen in der lotrechten Längsmittelebene der Lokomotive übereinander, wobei der Hochdruckteil über dem Niederdruckteil angeordnet ist; b) die freilaufende Nutzturbine (9) ist in an sich bekannter Weise koaxial zur Niederdruckverdichterturbine (10) und zum Niederdruckverdichter (2) angeordnet, wobei die Nutzturbinenwell_e (20) durch die als Hohlwelle ausgebildete Welle (19) des Niederdruckturboverdichtersatzes (2, 10) hindurchgeführt ist; c) der Niederdruckverdichter (2) ist mit seinem saugseitigen Ende und der Hochdruckverdichter (4) mit seinem druckseitigen Ende zur Fahrzeugquermitte hin angeordnet; d) die Niederdruckverdichterturbine (10) und die Nutzturbine (9) sind bezüglich ihrer Durchströmung in gleicher Richtung wie der Niederdruckverdichter (2) angeordnet; e) die Hochdruckverdichterturbine (7) ist bezüglich ihrer Ein- und Austrittsseite spiegelbildlich zum Hochdruckverdichter (4) angeordnet; f) die Hochdruckbrennkammer (6) und die Niederdruckbrennkammer (8) sind in derselben lotrechten Quermittelebene der Lokomotive in an sich bekannter Weise nebeneinanderliegend auf der Eintrittsseite der Nutzturbine (9) angeordnet; g) die Hochdruckverdichterturbine (7) ist an der der übrigen Maschinenanlage abgewandten Seite der Brennkammern (6 und 8) angeordnet; h) der Wärmeaustauscher (5) ist in dem Raum zwischen dem Hochdruckverdichter (4) und den Brennkammern (6 und 8) oberhalb der Niederdruckverdichterturbine (10) angeordnet; i) der Zwischenkühler (3) bildet den räumlichen Abschluß der Maschinenanlage an dem Ende, wo Niederdruckverdichter (2) und Hochdruckverdichter (4) übereinander angeordnet sind.
2. 2. Gasturbinenlokomotive nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmetauscher (5) ein Rekuperativwärmetauscher verwendet wird.
3. 3. Gasturbinenlokomotive nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmetauscher (5) ein Regenerativwärmetauscher verwendet wird.
4. 4. Gasturbinenlokomotive nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluft im Zwischenkühler (3) durch Lüfterräder mit horizontalen Achswellen in Querrichtung durch das Fahrzeug geblasen wird.
5. 5. Gasturbinenlokomotive nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Verteilergetriebe (15) angeschlossenen Gelenkwellen (16) untereinander gleich lang sind, wobei zum Ausgleich unterschiedlicher Entfernungen zwischen der Nutzturbine (9) und diesen Gelenkwellen (16) eine Zwischenwelle (17) angeordnet ist.
6. 6. Gasturbinenlokomotive nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzturbinenwelle (20) durch in den Verteilergetrieben (15) angeordnete ausrückbare Klauenkupplungen von der Kraftübertragung zu den Treibradsätzen (24) abkuppelbar ausgebildet ist.
7. 7. Gasturbinenlokomotive nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der an die Niederdruckverdichterturbine (10) anschließende Abgaskanal (21) als Diffusor ausgebildet ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Gebrauchsmuster Nr. 1907 844, 1910 562; schweizerische Patentschrift Nr. 119 873; Brown Boveri Mitteilungen, 1953, S. 180; Brown Boveri Mitteilungen, 1957, S. 194; Schweizerische Bauzeitung, 1944, S. 285; Kruschik, »Die Gasturbine«, Springer-Verlag Wien, 1960, S. 728.