DE1626026C - Gasturbine zum Antrieb von Fahrzeugen - Google Patents

Description

Die Fahrzeuggasturbine ist dem Fahrzeugkolbenmotor durch ihr hohes Standdrehmoment überlegen. Das Standdrehmoment der Gasturbine beträgt etwa das 2,5fache ihres Drehmoments bei der Nenndrehzahl, während das des Kolbenmotors Null ist. Für Personenkraftwagen wird ein Standdrehmoment von etwa dem 5fachen Wert des Nenndrehmoments benötigt. Sowohl Kolbenmotor als auch Gasturbine benötigen daher ein Schaltgetriebe, so daß das gegenüber dem Kolbenmotor verhältnismäßig günstige Drehmomentverhalten der Gasturbine keine wesentlichen Vorteile bringt.

Um das Drehmomentverhalten von Fahrzeuggasturbinen zu verbessern, hat man in diesen zwei Laufräder mit jeweils verschieden großen Standdrehmomenten angeordnet. So weist eine bekannte Gasturbine zum Antrieb von Fahrzeugen ein Anfahrlaufrad mit hohem Standdrehmoment und ein Betriebslaufrad mit niederem Standdrehmoment auf, deren Einlasse wechselweise über ein Zweigstück mit einem Einlaßkanal verbindbar sind und deren Auslässe in einen gemeinsamen Abgassammeiraum münden. Jedes der beiden Laufräder ist in einem besonderen Gehäuse untergebracht und durch Wellen, die durch den Abgassammeiraum geführt und gegen diesen abgedichtet sind, mit einem Sammelgetriebe verbunden. Diese Anordnung beansprucht viel Raum und bringt durch die zusätzlichen Gehäuse- und Getriebeteile einen erheblichen baulichen Aufwand mit sich. Außerdem vermindern die Reibungsverluste im Sammelgetriebe den Wirkungsgrad der Anlage.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und eine einfach gebaute und raumsparende Gasturbine mit gutem Wirkungsgrad und einem für Fahrzeuge geeigneten Drehmomentverlauf zu schaffen..Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß das Anfahrlaufrad mit einem Freilauf und das Betriebslaufrad fest auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind, die in einem Gehäuse gelagert ist, das aus dem eine schwenkbare Klappe enthaltenen Zweigstück, zwei daran anschließenden Einlaßspiralen und einem zwischen diesen angeordneten, die Laufräder aufnehmenden und den Abgassammeiraum bildenden zentralen Gehäuseteil besteht.

Es ist zwar schon eine Gasturbine bekannt, bei der koaxial in einem Gehäuse neben einem den Verdichter des Gaserzeugers antreibenden Laufrad, zwei weitere Laufräder angeordnet sind, deren Aufgabe es ist, das Standdrehmoment 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 Drehmoment, das über ein Planetengetriebe auf die Abtriebswelle übertragen wird. Unterhalb etwa der halben Nenndrehzahl haben beide Laufräder entgegengesetzte Drehrichtung und sind beide wirksam, oberhalb ist nur das erste Laufrad wirksam, das zweite läuft im gleichen Drehsinn leer mit. Ein wesentlicher 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 ferner eine Anordnung bekannt geworden, bei der zwei spiegelbildlich gleiche Gasturbinen, die fest auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind, von einem gemeinsamen Gehäuse umschlossen sind.

Die Gasturbinen werdenVon mindestens zwei Gaserzeugern gespeist, deren Gase durch zwei einander gegenüberliegende Eingangskanäle zugeführt und die durch zwei einander gegenüberliegende Ausgangskanäle abgeführt werden. Durch Zu- oder Abschalten von einem oder mehreren Gaserzeugern und gegebenenfalls zusätzliches Verstellen von Klappen in den Gaskanälen können jeweils eine der beiden Turbinen oder beide Turbinen zusammen betrieben werden.

ίο Diese Ausführung unterscheidet sich demnach sowohl in der Anordnung der Gaskanäle als auch in der Wirkungsweise grundsätzlich vom Erfindungsgegenstand.

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.

Ein günstiger Drehmomentverlauf ergibt sich nach der Erfindung dadurch, daß die Schaltdrehzahl 40 bis 60 % der Nenndrehzahl des Betriebslaufrades γ beträgt und daß das Anfahrlaufrad und das Betriebs- '( ; laufrad bei der Schaltdrehzahl jeweils das gleiche Drehmoment abgeben.

Die Zeichnung zeigt als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Axialturbine, und zwar in
F i g. 1 eine Seitenansicht, in
F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1, in

F i g. 3 eine Draufsicht mit angebautem Zwischenstück, teilweise im Schnitt und in

Fig. 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 Flansch 18 an der Turbinenwelle 12 dient zur Übertragung des Drehmomentes auf ein einfaches Untersetzungsgetriebe. Labyrinthdichtungen 19 dichten das Gehäuse 11 ^!> 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 Laufräder 13 und 14 sind so ausgelegt, daß das Anfahrlaufrad 13 ein hohes, das Betriebslaufrad 14 ein niedrigeres Standdrehmoment 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 Abgassammelraum 23. Die beiden Stirnseiten 24 und 25 des Abgassammelraumes 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 so weit verlängert, daß ■ sie als Mantel für die Laufräder 13 und 14 dienen. Beiderseits an den Abgassammeiraum 23 schließen sich Einlaßspiralen 30 bzw. 31 für die Laufräder 13 bzw. 14 an.

Das in Fig. 3 sichtbare Zweigstück 15 besteht aus dem Einlaßkanal 32, der in die beiden Zweig-

leitungen 33 bzw. 34 zu den Einlaßspiralen 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 Kraftschalter 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 Einlaßkanal 32, die Zweigleitung 33, die Einlaßspirale 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 Einlaßspirale 31 und die Leitschaufeln 29 geführte Gasstrom die Schaufeln 22 des Betriebslaufrades 14, das damit beschleunigt wird. 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 Fahrzuständen, in denen bei geringer Fahrgeschwindigkeit ein hohes Drehmoment erwünscht ist, z. B. bei 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 «vß des Betriebslaufrades 14, auf der Ordinate das Verhältnis des Drehmoments M der Turbinenwelle zum Nenndrehmoment M_NB 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 C 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. M_UA ist das Standdrehmoment des Anfahrlaufrades 13, M₀₈ das Standdrehmoment des Betriebslaufrades 14 und n_SA ist die Schaltdrehzahl, die im Beispiel bei 55 % der Nenndrehzahl des Betriebslaufrades 14 liegt. Ist D_A der Durchmesser des Anfahrlaufrades und D_B derjenige des Betriebslaufrades, so ist bei gleichen Umlenkverhältnissen in beiden Laufrädern das Standdrehmoment M_0A des Anfahrlaufrades 13 etwa das D_AI £>_ßfache des Standdrehmoments des Betriebslaufrades

ίο 14. Im Beispiel ergibt sich bei einem Verhältnis des Standdrehmoments M₀ zum Nenndrehmoment M_n beider Laufräder von M₀IM_n = 2,5 und bei einem Durchmesserverhältnis von D_AID_B = 2 bei einer Drehzahlverringerung von der Nenndrehzahl bis zum Stillstand der Turbine eine 5fache Drehmomentsteigerung. Dagegen ergibt ein Anfahrlaufrad mit einem Drehmomentverlauf nach Linie C, dessen Durchmesserverhältnis zum Betriebslaufrad etwa 3 : 1 beträgt, eine über 7fache Drehmomentsteigerung im Stillstand. Für dieses Laufrad ist im Diagramm das Standdrehmoment mit M_oc und die Schaltdrehzahl mit n_sc bezeichnet. Ein Vergleich dieser Werte 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 Anfahrlaufrades die gleiche Drehmomentwandlung erreichen.

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

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Gasturbine zum Antrieb von Fahrzeugen mit einem Anfahrlaufrad mit hohem Standdrehmoment und einem Betriebslaufrad mit niederem Standdrehmoment, deren Einlasse wechselweise über ein Zweigstück mit einem Einlaßkanal verbindbar sind und deren Auslässe in einen gemeinsamen Abgassammeiraum münden, dadurch gekennzeichnet, daß das Anfahrlaufrad (13) mit einem Freilauf (20) und das Betriebslaufrad (14) fest auf einer gemeinsamen Welle (12) angeordnet sind, die in einem Gehäuse (11) gelagert ist, das aus dem eine schwenkbare Klappe (35) enthaltenden Zweigstück (15), zwei daran anschließenden Einlaßspiralen (30, 31) und einem zwischen diesen angeordneten, die Laufräder (13, 14) aufnehmenden und den Abgassammeiraum bildenden zentralen Gehäuseteil (23) besteht.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drehzahlgeber (38) vorhanden ist, der 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.

3. Gasturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltdrehzahl etwa 40 bis 60 % der Nenndrehzahl des Betriebslaufrades (14) beträgt und daß das Anfahrlaufrad (13) und das Betriebslaufrad (14) derart ausgelegt sind, daß sie bei der Schaltdrehzahl jeweils das gleiche Drehmoment abgeben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen