DE1626026A1

DE1626026A1 - Gasturbine zum Antrieb von Fahrzeugen

Info

Publication number: DE1626026A1
Application number: DE19671626026
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Oswald Conrad
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1967-03-09
Filing date: 1967-03-09
Publication date: 1970-08-20
Also published as: DE1626026B2; US3506372A; FR1560711A; GB1162939A

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft η g«■>ggogPaim 7025/4 Stuttgart-Untertürkheim 7.März 1967

Pat entanmeldung

"Gasturbine zum Antrieb von Fahrzeugen"

Die Pahrzeuggasturbine ist dem Fahrzeugkolbenmotor durch ihr hohes Standmoment überlegen. Das Standmoment der Gasturbine beträgt etwa das 2,5-fache ihres Moments bei der Nenndrehzahl, während das des Kolbenmotors UuIl ist. I¹Ur Personenkraftwagen wird ein Standmoment von etwa dem 5~fachen Wert des Hennmomentes benötigt. Sowohl Kolbenmotor als auch Gasturbine benötigen daher ein Schaltgetriebe, so daß das gegenüber dem Kolbenmotor verhältnismäßig günstige Momentenverhalten der Gasturbine keine wesentlichen Vorteile bringt.

Es ist schon versucht worden, durch zwei koaxial angeordnete, laufräder das Standmoment der Turbine zu erhöhen und so das Schaltgetriebe entbehrlich zu machen. Dabei erteilt der in einem stehenden ersten Laufrad erzeugte Austrittsdrall dem folgenden zweiten Laufrad ein entgegengesetztes Moment, das über ein Planetengetriebe und eine Überholkupplung auf die Abtriebswelle übertragen wird. Unterhalb etwa der halben Henndrehzahl haben beide Laufräder entgegengesetzte Drehrichtung und sind beide wirksam, oberhalb ist nur das erste Laufrad wirksam, das zweite läuft im gleichen Drehsinn leer mit. Es

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werden Standmomentenverhältnisse von 5 - 6 erreicht. Ein Nachteil dieser Anordnung ist die Notwendigkeit eines Umkehrgetriebes. Ein weiterer Nachteil ist die Störung der Strömung durch das bei den höheren Drehzahlen leer mitlaufende Laufrad, also gerade da, wo ein hoher Wirkungsgrad' erwünscht ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Turbine mit zwei koaxial angeordneten Laufrädern zu schaffen, die diese Mängel vermeidet. Dies geschieht dadurch, daß ein Anfahrlaufrad mit hohem Standmoment über einen Freilauf und ein Betriebslaufrad mit niederem Standmoment fest mit der Turbinenwelle verbunden ist, wobei die Ausgangsseiten beider Laufräder in einen zentral angeordneten gemeinsamen Abströmringraum münden, während die Eingangsseiten der Laufräder mit je einer Eingangsspirale verbunden sind, die wahlweise mit dem gemeinsamen Eingangskanal verbindbar sind.

Eine besonders einfache Führung des Gasstromes wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß in einem Zweigstück zwischen dem Eingangskanal und den beiden Eingangsspiralen eine Klappe schwenkbar gelagert ist, die in ihren beiden Endstellungen jeweils eine der beiden Zweigleitungen zu den Eingangsspiralen verschließt.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung bringt ein Drehzahlgeber beim überschreiten bzw. beim Unterschreiten der Schaltdrehzahl die Klappe über einen Kraftschalter und einen Stellmotor in die die Zweigleitung zum Anfahrlaufrad schließende bzw« öffnende Stellung.

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Ein günstiger Drehmomentverlauf ergibt sich nach, der Erfindung dadurch, daß die Schaltdrehzahl 40 bis 60$ der Uenndrehzahl des Betriebslaufrades beträgt und daß das Anfahrlaufrad und das Betriebslaufrad bei der Schaltdrehzahl jeweils das gleiche Drehmoment abgeben.

Die Zeichnung zeigt als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Axialturbine und zwar in

Fig. 1 eine Seitenansicht, in

Pig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Pig. 1, in

Pig. 3 eine Draufsicht mit angebautem Zwischenstück, teilweise im Schnitt, und in

Pig. 4 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm der Turbine.

In einem Turbinengehäuse 11 sind auf einer Welle 12 zwei Laufräder, ein Anfahrlaufrad 13 und ein Betriebslaufrad 14, angeordnet. Ein Zweigstück 15 stellt die Verbindung zwischen dem Gehäuse 11 und einem nicht dargestellten Gaserzeuger her.

Die Turbinenwelle 12 ist in Wälzlagern 16 und 17 im Gehäuse 11 gelagert. Ein Plansch 18 an der Turbinenwelle 12 dient zur Übertragung des Drehmomentes auf ein einfaches Untersetzungsgetriebe. Labyrinthdichtungen 19 dichten das Gehäuse gegen die Welle 12 ab. Das Anfahrlaufrad 13 ist über einen Klemmrollenfreilauf 20 mit der Welle 12 verbunden, während das Betriebslaufrad 14 fest auf der Welle 12 sitzt. Die Lauf-

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räder 13 und 14 sind so ausgelegt, daß das Anfahrlaufrad 13 ein hohes, das Betriebslaufrad 14 ein niedrigeres Standmoment hat. Das Anfahrlaufrad 13 hat dementsprechend einen größeren mittleren Durchmesser als das Betriebslaufrad 14· Weiterhin unterscheiden sich Größe und Profil der Schaufeln 21 des Anfahrlaufrades 13 von den Schaufeln 22 des Betriebslaufrades 14·

Die Ausgangsseiten der Laufräder 13 und 14 münden in einen gemeinsamen zentralen Abströmringraum 23· Die beiden Stirnseiten 24 und 25 des Abströmringraumes 23 gehen jeweils in zwei koaxiale Leitringe 26 und 27 über, zwischen denen die Leitschaufeln 28 und 29 angeordnet sind. Die äußeren Leitringe 26 sind soweit verlängert, daß sie als Mantel für die Laufräder 13 und 14 dienen. Beiderseits an den Abströmringraum 23 schließen sich Eingangsspiralen 30 bzw. 31 für die Laufräder 13 bzw; 14 an.

Das in Fig.3 sichtbare Zweigstück 15 besteht aus dem Eingangskanal 32, der in die beiden Zweigleitungen 33 bzw. 34 zu den Eingangsspiralen 30 bzw. 31 übergeht. Im Zweigstück 15 ist eine Klappe 35 gelagert, die durch einen Hebel 36 um ihre Achse 37 in zwei Endstellungen A bzw. B geschwenkt werden kann, in denen jeweils eine Zweigleitung 33 bzw. 34 geöffnet und die andere geschlossen ist.

Schematisch dargestellt sind ein Drehzahlgeber 38, ein Kraftschalter 39 und ein Stellmotor 40. Als Drehzahlgeber kann beispielsweise ein Fliehkraftpendel, als Kraftschalter und Stellmotor ein hydraulischer Steuerschieber mit Folgekolben verwendet werden. Der Drehzahlgeber 38 ist durch eine Welle 41 mit der Turbinenwelle 12 und durch eine Stange 42 mit dem

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Kraftsehalter 39 verbunden. Eine weitere Stange 43 verbindet den Stellmotor 40 mit dem Hebel 36 zur Verstellung der Klappe 35.

In Fig. 3 steht die Klappe 35 in der Endlage A, in der der Gasstrom durch den liingangskanal 32, die Zweigleitung 33 > die Eingangsspirale 30 und die Leitschaufeln 28 geführt wird. Der Gasstrom beaufschlagt die Schaufeln 21 des Anfahrlaufrades 13 und versetzt dieses in Drehung. Der Klemmrollenfreilauf 20 ist in der Sperrstellung, so daß die Turbinenwelle 12 mitgedreht wird. Beim Überschreiten einer bestimmten Drehzahl verstellt der Drehzahlgeber 38 über die Stange 42 den Kraftschalter 39· Der vom Kraftschalter 39 beeinflußte Stellmotor 40 verschiebt die Stange 43 und schwenkt damit den Hebel 36 mit der Klappe 35 um deren Achse 37 in die andere Endlage B, in der die Zweigleitung 33 geschlossen und die Zweigleitung 34 geöffnet ist. Damit beaufschlagt der durch die Eingangsspirale 31 und die Leitschaufeln 29 geführte Gasstrom die. Schaufeln 22 des Betriebslaufrades 14, das damit beschleunigt v/ird. Das Betriebslaufrad 14 und die mit ihm fest verbundene Turbinenwelle 12 überholen das nicht mehr beaufschlagte Anfahrlaufrad 13, dessen Klemmrollenfreilauf 20 sich öffnet und damit die drehfeste Verbindung mit der Turbinenwelle 12 löst. Das nicht mehr durchströmte Anfahrlaufrad 13 bleibt stehen oder läuft leer mit.

Das Anfahrlaufrad 13 dient nicht nur ,dazu, das Anfahren des fahrzeuges zu erleichtern, sondern es hat auch die Aufgabe in allen anderen Fahrzustanden, in denen bei geringer Fahrgeschwindigkeit ein hohes Drehmoment erwünscht ist, z.B. bei

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langsamer Stadtfahrt oder auf Steigungen, das Fahrzeug anzutreiben. Der Gasstrom wird wie "beschrieben beim Unterschreiten der Schaltdrehzahl auf das Anfahrlaufrad 13 geleitet.

Das Zusammenwirken des Anfahrlaufrades 13 und des Betriebslaufrades 14 ist in Fig.4 in einem dimensionslosen Drehmoment-Drehzahl -Diagramm dargestellt. Auf der Abszisse ist das Verhältnis der Drehzahl η der Turbinenwelle 12 zur Nenndrehzahl n^jj des Betriebslaufrades 14, auf der Ordinate das Verhältnis des Drehmoments M der Turbinenwelle zum Nenndrehmoment ILr-g des Betriebslaufrades 14 aufgetragen. Die linie A bezeichnet den Drehmomentverlauf des Anfahrlaufrades 13» die Linie B denjenigen des Betriebslaufrades 14« Als weiteres Beispiel zeigt die Linie 0 den Drehmomentverlauf eines Anfahrlaufrades, das gegenüber dem in der Zeichnung dargestellten Anfahrlaufrad 13 einen größeren Durchmesser aufweist. Zum Vergleich ist noch der Drehmomentverlauf D eines üblichen, von einer Kolbenbrennkraftmaschine angetriebenen Vierganggetriebes eingezeichnet. ILw ist das Standmoment des Anfahrlaufrades 13, M_QB das Standmoment des Betriebslaufrades 14 und n_g. ist die Schaltdrehzahl, die im Beispiel bei 55$ der Nenndrehzahl des Betriebslaufrades 14 liegt. Ist D. der Durchmesser des Anfahrlaufrades und D_B derjenige des Betriebslaufrades, so ist bei gleichen Umlenkverhältnissen in beiden Laufrädern das Standmoment M_Q» des Anfahrlaufrades 13 etwa das D./D-g-fache des Standmomentes des Betriebslaufrades 14. Im Beispiel ergibt sich bei einem Verhältnis des Standmomentes M_Q zum Nennmoment HL· beider Lauf räder von.' Mq/Mjj = 2,5 und bei einem Durchmesserverhältnis von D^/D-g = bei einer Drehzahlverringerung von der Nenndrehzahl bis zum

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Stillstand der Turbine eine 5-fache Drehmomentsteigerung. Dagegen ergibt ein Anfahrlaufrad mit einem Drehmomentverlauf nach Linie C, dessen Durchmesserverhältnis zum Betriebslaufrad etwa 3 s 1 beträgt, eine über 7-fache Drehmomentsteigerung im Stillstand. Pur dieses Laufrad ist im Diagramm das Standmoment" mit Μ_ββ und die Schaltdrehzahl mit n™ bezeichnet. Ein Vergleich dieser Y/erte mit der Drehmomentwandlung nach der Linie D eines von einer Kolbenbrennkraftmaschine angetriebenen Vierganggetriebes zeigt, daß die erfindungsgemäße Gasturbine ein Schaltgetriebe überflüssig macht, da deren Drehmomentwandlung die eines Vierganggetriebes mindestens erreicht bzw. noch wesentlich übertrifft.

Will man zu große Durchmesserunterschiede der beiden Laufräder einer Turbine vermeiden, so läßt sich dies dadurch erreichen, daß man zwischen dem Anfahrlaufrad und dem Klemmrollenfreilauf ein einfaches Untersetzungsgetriebe, z.B. ein Umlaufgetriebe, anordnet. Man kann dadurch auch mit einem kleineren Durchmesser des Änfahrlaufrades die gleiche Drehmomentwandlung erreichen.

Statt der im Beispiel gezeigten Axiallaufräder ist es auch möglich, Radiallaufrader zu verwenden. Am grundlegenden Aufbau und am Zusammenwirken der beiden Laufräder ändert sich dabei nichts.

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Claims

Ansprüche

γ 1. Gasturbine zum Antrieb von Fahrzeugen mit zwei koaxial ^^angeordneten Lauf rädern, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anfahrlaufrad (13) mit hohem Standmoment über einen Freilauf (20) und ein Betriebslaufrad (H) mit niederem Standmoment fest mit der Turbinenwelle (12) verbunden ist, wobei die Ausgangsseiten beider Laufräder (13 und 14) in einen zentral angeordneten gemeinsamen Abströmringraum (23) münden, während die Eingangsseiten der Laufräder (13 und 14) mit je einer Eingangsspirale (30 bzw. 31) verbunden sind, die wahlweise mit dem gemeinsamen Eingangskanal (32) verbindbar sind.
2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Zweigstück (15) zwischen dem Eingangskanal (32) und den beiden Eingangsspiralen (30,31) eine Klappe (35) schwenkbar gelagert ist, die in ihren beiden Endstellungen (B bzw. A) jeweils eine der beiden Zweigleitungen (33 bzw. 34) zu den Eingangsspiralen (30 bzw. 31) verschließt.
3. Gasturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drehzahlgeber (38) beim Überschreiten bzw. beim Unterschreiten der Schaltdrehzahl die Klappe (35) über einen Kraftschalter (39) und einen Stellmotor (40) in die die Zweigleitung (33) zum Anfahrlaufrad (13) schließende bzw. öffnende Stellung bringt.

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4· Gasturbine nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltdrehzahl etwa 40 bis 60$ der Nenndrehzahl des Betriebslaufrades (14) beträgt und daß das Anfahrlaufrad (13) und das Betriebslaufrad (14) bei der Schaltdrehzahl jeweils das gleiche Drehmoment abgeben.

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