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Beschreibung Gasturbinentriebwerke Die bis Jetzt bekannten Gasturbinentriebwerke
sind nicht ohne weiteres fUr industrielle Zwecke und zur Verwendung als Antriebsvorrichtung
für Fahrzeuge geeignet, denn auf diesen Anwendungsgebieten werden hohe Anforderungen
hinsichtlich der Anpassungsfähigkeit bezUglich der Leistung, der RUckgewinnung von
Wärme und der Drehzahl gestellt, und ein solches Triebwerk soll von einfacher Konstruktion
sein und es ermöglichen, einen niedrigen Kraftstoffverbrauch aufrechtzuerhalten.
Zwar sind bereits allmählich Verbesserungen bezüglich verschiedener Faktoren erzielt
worden, doch in der Praxis sind verschiedene Aufgaben noch nicht gelöst; zu diesen
Aufgaben gehören die Vermeidung einer niedrigen Anfahrbeschleunigung, einer schlechten
Bremswirkung bei der Verwendung als Antriebsmotor sowie eines hohen Kraftstoffverbrauchs
bei Teil last und im Leerlauf Ferner ist bis jetzt nicht die Aufgabe gelöst, eine
geeignete Vorrichtung zum uebertragen der
Antr:ebskraft auf die
Hauptabtriebswelle zu schaffen und eine ausreichende Energiemenge auf geeignete
Weise auf eine Hilfsantriebswelle zu übertragen sowie ein geeignetes Ansprechen
des Hilfsantriebes bzw. der Hilfsantriebswelle auf die Steuereinrichtungen zu erreichen.
Weiterhin ist bis jetzt die Aufgabe der Schaffung einer anpassungsfähigen Hilfsenergiequelle
sowie einer einwandfreien Regelbarkeit und Rückgewinnung von Abgasenergie nicht
zufriedenstellend gelöst.
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Die Erfindung sieht nunmehr Verbesserungen bei Gasturbinentriebwerken
vor, die geeignet sind, die erwähnten Forderungen zu erfüllen.
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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gas turbinentriebwerke und
betrifft insbesondere derartige Triebwerke, die einen Gaserzeuger umfassen, und
zwar gewöhnlich einen Gaserzeuger der urbinenbauart mit einem Verdichter, einer
Brennkammer und einer Verdichterantriebsturbine als Hauptbestandteile sowie ein
Leistungsturbinenaggregat, das nutzbare Energie erzeugt und eine mit der Hauptkraftabgabewelle
verbundene Hauptturbine umfaßt. Um den spezifischen Kraftstoffverbrauch zu verringern,
sind gewöhnlich ein Wärmetauscher und/oder eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von
Energie aus den Abgasen vorgesehen. Gemäß der Erfindung ist ferner eine im folgenden
als Hilfsturbine bezeichnete dritte Turbine zum Antreiben einer gesonderten Kraftabgabewelle
vorgesehen, die auch geeignet ist, die Verdichterantriebsturbine während der :Enbetriebsetzung
des Gaserzeugers und die Leistungsturbine während des Hochfahrens oder beim Antreiben
der Last zu unterstützen.
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Der Läufer dieser Hilfsturbine ist in dem gleichen vom Gaserzeuger
kommenden Gaskanal angeordnet, wie der Läufer der Hauptturbine.
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Die Hauptaufgal dem Erfindung besteht in der Schaffung eines vollstänligen
Triebwerks mit einem Turbinensystem und Getrieben, das mit einem hohen Wirkungs
-grad
und daher wirtschaftlich arbeitet und genügend flexibel ist,
um den in der Praxis gestellten ßnforderungen in einer solchen Weise zu entsprechen,
daß es im Gegensatz zu den bis Jetzt bekannten Konstruktionen von Gasturbinentriebwerken
möglich wird, solche Triebwerke in Stücktahlen herzustellen, die den Stückzahlen
entsprechen oder die Stückzahlen überschreiten, in denen die bis Jetzt gebräuchlichen
kolbentriebwerke hergestellt werden. Wie schon erwähnt, sieht die Erfindung ferner
ein Triebwerk der genannten Art vor, dessen Beschleunigungseigenschaften und Regelbarkeit
derart sind, daß solche Triebwerke in großem Umfang als Antriebsvorrichtungen für
Fahrzeuge, zu industriellen Zwecken und in anderen Anwendungsfällen verwendet werden
können, so daß ein solches Triebwerk den besten Konstruktionen von Kolbenmotoren
gleichwerltig oder sogar überlegen ist. Weiterhin sieht die Erfindung ein Gasturbinentriebwerk
vor, das bei der Inbetriebsetzung und bei niedrigen Abtriebsdrehzahlen mit einer
hohen Drehmomentvervielfachung arbeitet und schnell bis zur vollen Leistung beschleunigt
werden kann, so daß das Triebwerk auf hervorragende Weise geeignet ist, ein Fahrzeug
oder eine andere Last zu beschleunigen. Gemäß einem weiteren Merkmal sieht die Erfindung
eine ausreichende Motorbremswirkung vor, ohne daß es erforderlich ist, irgendwelche
zusätzlichen Verzögerungs- und Kühlvorrichtungen zu verwenden. Ferner sieht die
Erfindung bei einem Turbinensystem der genannten Art eine einfache Vorrichtung vor,
mittels deren das Ausmaß der Abgabe von Abgaswärme tu Heisungszwecken, zur Luftklimatisierung
oder zu anderen Zwecken im Vergleich zur Erzeugung mechanischer, elektrischer, hydraulischer
oder pneumati scher Energie variiert werden kann, eo daß sich ein solches Triebwerk
als besonders vorteilhaft erweist, wenn es zu industriellen Zwecken sowie auf dem
Gebiet des Eisenbahnwesens als eLn$iSe Quelle für die benötigte
Energie
verwendet wird. Schließlich sieht die Erfindung eine Verbesserung bezüglich der
Abgabe von Energie an einen Rilfsantrieb sowie eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs
im Leerlauf und bei Teillast derart vor, daß ein erfindungsgemäßes Triebwerk in
Verbindung mit der schon erwähnten verbesserten Regelbarkeit des Drehmoments beim
Beschleunigen und Abbremsen hervorragend zur Verwendung als Antriebsvorrichtung
für Eisenbahnfahrzeuge, gewöhnliche Kraftfahrzeuge und Fahrzeuge für industrielle
Zwecke sowie in anderen Fällen geeignet ist, in denen die weiter oben genannten
Forderungen erfüllt werden müssen.
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Da es möglich ist, zwei oder mehr voneinander unabhängige Kraftabgabewellen
vorzusehen, eignet sich ein erfindungsgemäßes Turbinensystem sehr gut zur Verwendung
bei Erdbewegungsmaschinen, Bauhilfsgeräten und Vorrichtungen zum Bewegen von Lasten,
doch ist ein solches Triebwerk auch zur Verwendung bei Eubschraubern, Schwebefahrzeugen
und dergleichen geeignet.
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Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden
im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an Ausführungspielen erläutert.
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Fig. 1 bis 14 zeigen schematisch einige der mögli chen Anordnungen
und Betriebsphasen erfindungsgemäßer Gasturbinentriebwerke.
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Fig. 15 bis 20 veranschaulichen mehrere aus sogenannten Baukasteneinheiten
aufgebaute erfindungsgemäße Turbinensysteme.
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Fig. 21 bis 28 zeigen in graphischen Darstellungen einige der Leistungscharakteristiken
oder Kennlinien von Turbinen nach der Erfindung im Vergleich zu denjenigen bekannter
Turbinen.
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Fig. 29 bis 58 zeigen Einzelheiten der Anordnung von Turbinen und
Kraftübertragungsvorrichtungen für
verschiedmie Verwendungszwecke.
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Fig. 59 bis 70 sind schematische Darstellungen, die zur weiteren
Erläuterung einiger Betriebscharakteristiken insbesondere bezüglich der Leistungsturbine
und der Kraftübertragungsvorrichtung bzw. des Getriebes dienen.
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Im folgenden werden zunächst der allgemeine Aufbau erfindungsgemäßer
Gasturbinentriebwerke und die Grundgedanken der Erfindung erläutert. Der Gaserzeuger
kann als Gaserzeuger der Turbinenbauart ausgebildet sein, oder man kann als Gaserzeuger
eine mit drehender Bewegung arbeitende Brennkraftmaschine oder einen Freikolbenmotor
verwenden. Die Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit einem Gaserzeuger der
Turbinenbauart beschrieben, doch es sei bemerkt, daß man das benötigte Gels auch
jeder beliebigen anderen geeigneten Quelle entnehmen könnte.
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Fig. 1 zeigt die wichtigsten Läuferteile eines Gaserzeugers der turbinenbauart.
Wie bei bekannten gonstruktionen ist ein Verdichter 1 mit einer Turbine 3, und zwar
der sogenannten Verdichterturbine, durch eine Welle 2 gekuppelt, und die Nutzleistung
wird von einer gesonderten Turbine 7, d.h. der sogenannten Leistungs-oder Hauptturbine,
über eine Welle 8 abgegeben. Gemäß der Erfindung ist eine zusätzliche Turbine 5
vorgesehen, die im folgenden als Hilfßturbine bezeichnet wird und eine Welle umfaßt,
deren einer Teil 4 sich in Richtung auf die Verdichterseite erstreckt, und deren
anderer Teil 6 sich in Richtung auf die Leistungsturbinenseite erstreckt, so daß
die Rilfsturbine den Verdichterteil und/oder den Leistungsturbinenteil unterstützen
kann, In Verbindung mit weiteren noch zu erläuternden Merkmalen der Erfindung ist
es mit Hilfe der Hilfstrubine 5 möglich, die Nachteile der bis jetzt bekannten Gasturbinen
zu vermeiden. In Fig. 1 ist die Rilfsturbine 5 zwischen der Verdichterturbine
3
und der Haupt- oder Leistungsturbine 7 angeord-.
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nest. Der Gaserzeuger 20 umfaßt eine Brennkammer mit einem Brenner
21. Wenn es besonders darauf ankommt, den Kraftstoffverbrauch niedrig zu halten,
sieht man bei der Anlage gewöhnlich einen Wärme-Qauscher 21a und in manchen Fallen
weitere Vorrichtungen 21b zur Nutzbarmachung von Abgaswärme vor.
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Fig. 2 zeigt die gleiche Anordnung wie Fig. 1, jedoch in Verbindung
mit den benötigten Kraftübertragungsvorrichtungen 9, 11 und 13 sowie den Abtriebswellen
10, 12 und 14 von denen eine die Hauptlast antreibt (Welle 12), während die Wellen
10 und 14 zwei Hilfslasten antreiben.
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.Gemäß Fig. 2 ist die Hilfsturbine 5 mit dem Läufer des Gaserzeugers,
d.h. der Verdichterturbine gekuppelt, wenn das Triebwerk aus dem Leerlauf beschleunigt
werden soll, oder wenn mehr oder weniger plötzlich ein höherer Leistungsbedarf auftritt,
während die Hauptturbine ihre höhere Leistung an die Hauptlast abgibt.
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Fig. 3 veranschaulicht einen Betriebszustand, bei dem sich die Verdichterturbine
3 und die Hilfsturbine 5 gegenseitig unterstützen, um die Hilfslast über die vordere
Abtriebswelle 10 anzutreiben, während die Hauptturbine ihre Leistung an die Hauptlast
und/oder die hintere Abtriebswelle 14 abgibt, wenn eine solche Welle vorgesehen
ist.
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Fig. 4 zeigt einen.Anwendungsfall, bei dem die Hilfsturbine die Abtriebswelle
10 unabhängig von der Verdichterturbine antreibt oder gegebenenfalls über die Welle
6 durch die Hauptturbine unterstützt wird. Hierbei ergibt sich der Vorteil, daß
die Hilfslast unabhängig und ohne eine Uberlastung des Gaserzeugers angetrieben
werden kann.
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Fig. 5 zeigt, auf welche Weise das Triebwerk benutzt werden kann,
um als Motorbremse zu wirken. Die Bremsenergie
wird durch die Hilfsturbinenwelle
übertragen und in erster Linie von dem Verdichter, Jedoch auch von dem Turbinensystem
aufgenommen, das die Hilfsturbine umfaßt, wenn der Verdichter Luft durch das Turbinensystem
fördert.
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Wenn man bei dem Turbinensystem verstellbare Leitschaufeln vorsieht,
kann die Bremswirktmg noch vergrößert werden; hierauf wird weiter unter näher eingegangen.
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Fig. 6 zeigt, auf welche Weise die Hilfsturtine die Hauptturbine
beim Antreiben der Hauptlast über eine kombinierte Kraftübertragungsvorrichtung
11 unterstützen kann.
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Fig. 7 läßt erkennen, auf welche Weise alle drei Turbinen dazu beitragen
können, die Hauptlast 12 und/ oder Hilfslasten über die Eraftubertragungsvorrichfungen
9 und 11 und die Welle 4, 6 der Hilfsturbine anzutreiben.
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Fig. 8 zeigt, auf welche Weise die Hauptlast 12 durch die Hauptturbine
angetrieben werden kann, während die Hilfslast 14 gemeinsam durch die Hilf sturbine
und die Verdichterturbine angetrieben wird.
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Fig. 9 veranschaulicht einen Betriebszustand, bei dem die Hilfsturbine
5 die hintere Abtriebswelle 14 antreibt, während die Hauptturbine 7 die Hauptlast
12 antreibt.
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Fig. 10 zeigt einen Betriebszustand, bei dem die Hilfsturbine 5 die
vordere Abtriebswelle 10 antreibt und außerdem dazu beiträgt, zusammen mit der Hauptturbine
7 die Hauptlast 12 anzutreiben.
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Fig. 11 zeigt eine Anordnung, bei der die Hilfsturbine 5 aerodynamisch
so ausgebildet ist, daß sie auch als Absauggebläse für die Verdichterturbine 3 benutzt
werden kann und den Verdichter unterstützt, mittels dessen
Luft
durch das Turbinensystem gefördert wird. Wenn zwischen der Hilfsturbine 5 und der
Hauptturbine 7 keine feststehenden oder verstellbaren Leitschaufeln vorgesehen sind,
kann somit die Hilf sturbine dazu dienen, die Wirbelbildung vor der Leistungsturbine
zu beeinflussen, so daß sich eine ähnliche Wirkung erzielen läßt wie bei der Verwendung
verstellbarer Leitschaufeln bei der Hauptturbine; wenn solche verstellbaren Leitschaufeln
vorgesehen sind, läßt sich diese Wirkung mit Hilfe der Hilfsturbine noch verstärken
Die Hilf sturbine kann ferner dazu dienen, das Verhältnis zwischen der an der Welle
verfügbaren Energie und der Menge der Abgaswärme zu variieren, die zu Heizzwecken
oder dergleichen verwendet wird; diese Wirkung kann durch verstellbare Leitschaufeln
noch vergrößert werden.
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Auf diese Weise ist es möglich, die spezifische Belastung der Verdichterturbine
bei Teillastbetrieb zu erhöhen, wordurch sich die Turbinentemperatur erhöht, so
daß sich der spezifische Kraftstoffverbrauch verringert.
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Dies kann entweder für sich mit Hilfe der Kraftübertragungsvorrichtung
9 oder in Verbindung mit einer mechanischen Belastung der Verdichterturbine über
die Kraftübertragungsvorrichtungen oder Getriebe 9 und 11 und die Teile 4 und 6
der Hilfsturbinenwelle bewirkt werden.
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Fig. 12 läßt erkennen, auf welche Weise eine aerodynamische Bremswirkung
allein mit Hilfe des Turbinensystems erzielt werden kann, wenn sowohl die Hilfsturbine
5 als auch die Hauptturbine 7 als Gebläse oder Verdichter arbeiten. Die erzielte
Wirkung vergrößert sich noch, wenn man die Hilfsturbine und/oder die Hauptturbine
mit verstellbaren Leitschaufeln ausrüstet. Wenn die Turbinen so ausgebildet sind,
daß sie sich gegenläufig drehen, wird eine starke Bremswirkung selbst dann erzielt,
wenn zwischen den beiden Turbinen überhaupt keine Leitschaufeln
angeordnet
sind, und wenn die Turbinen somit als ein System von sich gegenläufig drehenden
Gebläsen oder Verdichtern arbeiten.
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Fig. 13 zeigt die gleiche Anordnung wie Fig. 1 bis 12, jedoch in
Verbindung mit einem Leitschaufelsystem.
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In Fig. 1 bis 12 wurde das Läufersystem der Einfachheit halber absichtlich
ohne irgendwelche Leitschaufeln dargestellt. Jedoch kommt bei diesem Turbinensystem,
das gemäß der Erfindung eine Hauptturhine und eine Hilfsturbine umfaßt, dem Leitschaufelsystem
eine besondere Bedeutung zu, da es dieses z.B. ermöglicht, die Belastung der betreffenden
Teile den Betriebsbedingungen des Systems anzupassen. Die größte Anpassungsfähigkeit
wird erzielt, wenn man zwei Kränze von verstellbaren Leitschaufeln vorsieht, und
zwar einen Leitschaufelkranz 22 vor der Hilfsturbine 5 und einen Leitschaufelkranz
23 hinter der Hilfsturbine, während die einfachste mögliche Konstruktion erreicht
wird, wenn man überhaupt keine Leitschaufeln vorsieht und die Getriebe als Reaktionsglieder
benutzt. Die zu wählende Anordnung richtet sich, wie weiter unten erläutert, nach
dem Verwendungszweck und dem Jeweils gewünschten Betriebsverhalten.
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Fig. 14 zeigt, auf welche Weise eine Verbindung zwi schen der Hilfsturbine
5 und dem Läufer 3 der Verdichterturbine mit Hilfe einer außerhalb des Läufersystems
angeordneten Welle hergestellt werden kann. Diese Anordnung ermöglicht es, die Hilfsturbine
bezogen auf die Strömungsrichtung hinter der Hauptturbine anzuordnen, was sich in
bestimmten Anwendungsfälien als vorteilhaft erweist. Zu diesem Zweck könnte man
z.B. auch hydraulische oder elektrische Verbindungen, d.h. Rohrleitungen oder Kabelverbindungen,
zwischen dem Generator und dem Motor vorsehen. In diesem Fall kann man die Welle
15 und Teile
der Getriebe 9 und 13 fortlassen.
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Fig. 14a zeigt eine Anordnung, bei der die Hilfsturbine vor der Verdichterturbine
3 angeordnet ist. Die Hilfsturbine ist mit dem Gaserzeuger und/oder der Hauptturbine
durch mechanische, h:a,:7au1ische, pneumatische oder elektrische Kraftübertragungsvorrichtungen
verbunden.
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Ferner kann die Hilfsturbine mit einer zweiten Verdichterstufe ausgerastet
oder verbunden sein, die zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs im Stillstand
oder im Leerlauf oder dann, wenn nur HilfsgerEte angetrieben zu werden brauchen,
allein in Betrieb gesetzt werden kann.
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Diese zweite Verdichterstufe bewirkt unter normalen Betriebsbedingungen
eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses, und sie ermöglicht es, den Wärmetauscher
zu verkleinern oder ganz fortzulassen.
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Aus der vorstehenden Beschreibung der Grundgedanken der Erfindung
an Hand von Fig. 1 bis 14a ist die gemäß der Erfindung erzielbare Anpassungsfähigkeit
eines Gasturbinentriebwerks nach der Erfindung ersichtlich. In den weiteren Figuren
sind zwei T!uptausfhhrungsbeispiele für erfindungsgemäße Gasturbinentrebwerke dargestellt.
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Fig. 15 bis 17 zeigen ein sogenanntes Baukastensystem, bei dem die
Turbine 5 einen Bestandteil des Gaserzeugerteils bildet, während Fig. 18 bis 20
Anordnungen zeigen, bei denen die Hilfsturbine einen Bestandteil des Leistungs-
oder Hauptturbinenteils bildet. Bei den Anordnungen nach Fig. 15 bis 17 ist eine
in Verbindung mit Fig. 43 noch näher zu beschreibende Freilauf-oder Rutschkupplung
55 oder eine andere verstellbare Kraftübertragungsvorrichtung vorgesehen.
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Bei der ersten Konstruktionsart kann man den Gaserzeugerteil 24 allein
als ein Aggregat mit einem einzigen
Läufer und/oder mit zwei LEu£ern
betreiben und ihn dann gemäß Fig. 15 und 16 mit einer freien Leistungsturbine 25
oder gemäß Fig. 17 nur mit einer KraftUbertragungsvorrichtung kombinieren.
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Bei der zweiten Konstruktionsart ist der Gaserzeugerteil 26 stets
in der gleichen Weise ausgebildet, während der Leistungsturbinenblock 27 auf unterschiedliche
Weise ausgebildet ist und zwei Turbinen oder nur eine Turbine umfaßt. Dieses Baukastensystem
umfaßt ferner verschiedene noch zu beschreibende Kraftabgabe- und Umsteuervorrichtungen.
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Nachstehend wird an Hand der in Fig. 21 bis 28 wiedergegebenen graphischen
Darstellungen näher auf die wichtigsten Leistungs- und Betriebseigenschaften der
erfindungsgemäßen Gasturbinentriebwerke eingegangen.
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Fig. 21 veranschaulicht durch die Kurven a und b das Beschleunigungsverhalten
eines erfindungsgemäßen Gaserzeugers zwischen der Leerlaufdrehzahl und der vollen
Betriebsdrehzahl im Vergleich zu einem bekannten Gaserzeuger, ftlr den die Kurve
c gilt. Während der durch a bezeichneten Phase unterstützt die Hiífsturbine die
Verdichterturbine, während bei der durch b bezeichneten Phase der Verdichter nur
durch die Verdichterturbine angetrieben wird. Wenn zwischen der Verdichterturbine
und der Hilfsturbine ein Getriebe zur Erhöhung der Drehzahl verwendet wird, geht
die Wirkung der Massenträgheit der Hilfsturbine mit der zweiten Potenz zurück, während
sich das dem Verdichter zugefUhrte Drehmoment nur mit der ersten Potenz verringert,
so daß auf diese Weise die Möglichkeit besteht, die Beschleunigung weiter zu verbesse,rn.
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Fig 22 zeigt durch einen Vergleich zwischen den Kurven d und e die
Verbesserung der Drehmomentkennlinien bei niedrigen Drehzahlen für den Fall, daß
die Rilfsturbine dazu dient, die Leistungsturbine zu unterstützen.
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Weitere der Kurve f entsprechende Verbesserungen lassen sich erzielen,
wenn man auf eine noch zu beschreibende Weise zwischen der Hilfsturbine und der
Hauptturbine verstellbare Leitschaufeln oder ein stufenlos verstellbares Gebtriebe
vorsieht.
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Fig. 23 veranschaulicht~ die Beschleunigungscharakteristik h1 für
den Fall, daß die Hilfsturbine nur auf der Hauptturbinenseite benutzt wird, während
die Kurve h2 für den Fall gilt, daß die Hilf sturbine zuerst auf der Verdichterseite
und dann auf der Leistungsturbinenseite oder gleichzeitig auf beiden Seiten benutzt
wird, was z.B.
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gemäß der weiter unten gegebenen Beschreibung mit Hilfe stufenlos
verstellbarer Getriebe möglich ist. Die Kennlinie g1 gilt für ein Gasturbinentriebwerk
bekannter Art.
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Fig. 24 zeigt entsprechend das Drehmoment in Abhängigkeit von der
Zeit, d.h. das Ansprechen des Triebwerks auf die Betätigung der Drossel. Hierbei
entsprechen die Kurven e und e1 der statischen bzw. der dynamischen Drehmomentkurve
eines Gasturbinentriebwerks bekannter Art mit nur einer Turbine, während die Kurven
d und d1 entsprechend für eine durch eine Hilfsturbine unterstützte Leistungsturbine
gelten; die Kurve d2 gibt das dynamische Drehmoment bei einem Triebwerk wieder,
das einen durch eine Hilfsturbine unterstützten Gaserzeuger und eine Leistungsturbine
umfaßt. Die Kurve d3 veranschaulicht eine Beschleunigung, die von der vollen Drehzahl
des Gaserzeugers ausgeht, wobei mit einer Sberlagerung der Trägheitswirkung der
Hilfsturbine gearbeitet wird, die bei diesem Turbinensystem möglich ist. Eine solche
Anordnung wird bei Kolbenmotoren häufig angewendet, doch ist sie'
bei
den bis Jetzt' bekannten Gasturbinentriebwerken unzweckmäßig oder nicht gefahrlos
anwendbar.
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Fig. 25 veranschaulicht die Motorbremswirkungskennlinien verschiedener
erfindungsgemäßer Anordnungen im Vergleich zu einem Triebwerk bekannter Art, bei
dem die Bremswirkung ko der Leistungsturbine vernachlässigbar gering ist. Die Bremswirkung
kann jedoch etwas verbessert werden, wenn man die Leistungsturbine mit verstellbaren
Düsen ausrüstet. Die Kurve k1 veranschaulicht die Bremswirkung des Verdichters,
wahrend die Kurve k2 die Bremswirkung eines Verdichters mit verstellbaren Düsen
wiedergibt und die Kurve k3 eine weitere Zunahme der Bremswirkung durch eine zusätzliche
aerodynamische Abbremsung/uer HilSsturbine erkennen läßt. Zu Vergleichszwecken ist
das maximale Antriebsdrehmoment d in die gleiche Darstellung eingetragen, so daß
man die hervorragende Motorbremswirkung erkennt. Ferner ist die im Notfall durch
eine Umsteuerung erzielbare Bremswirkung für verschiedene prozentuale Anteile der
Triebwerksleistung dargestellt.
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Fig. 26 zeigt den spezifischen Kraftstoffverbrauch bei Teillast für
ein bekanntes Turbinensystem f1 und zwei erfindungsgemäße Turbinensysteme, von denen
das System f2 ohne verstellbare Leitschaufeln und verstellbare Getriebe arbeitet,
während das System f3 mit verstellbaren Lemtschaufeln und Getrieben ausgerüstet
ist. Die entsprechende Turbinentemperaturen sind durch die Kurven t1, t2 und t3
wiedergegeben. *Ferner ist die Wirkung der Hilfsturbine auf den Kraftstoffverbrauch
Im Leerlauf die mit SFC*3 bezeichnet ist, mit dem Leerlauf-Kraftstoffverbrauch SFC*1
einer Turbine bekannter Art verglichen. Zu den Gründen für diese erhebliche Verbesserung
gehört die erzielbare niedrigere Leerlaufdrehzahl in Verbindung mit der Verbesserung
der Beschleunigung, der besseren gegenseitigen
Anpassung des Verdichters
und der Turbine, der Verwendung verstellbarer Leitschaureln und der Übertragung
der Leistung der Hilfsturbine0 Fig. 27 zeigt die Drehmomentcharakteristik der durch
die Hilfsturbine angetriebenen Abtriebswelle für den Fall, daß als Verbindungsgetriebe
ein stufenlos verstellbares Getriebe verwendet wird. Bei dem Turbinensystem ist
ferner eine zeitweilige Trägheitsrückkopplung von der Hilfsturbine aus im Rahmen
der Leistungsfähigkeit des Kraftabgabegetriebes möglich, das gegen Überlastung durch
eine geeignete Einstellung des Schlupfpunktes des Getriebes bzw. der Kraftübertragungsvorrichtung
oder einer Drehmomentbegrenzungsvorrichtung geschtitzt werden kann, wie es weiter
unten näher erläutert ist.
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Fig. 28 veranschaulicht das insgesamt von der Hauptabtriebswelle
und der Hilfsabtriebswelle abgegebene Drehmoment sowie das maximale Drehmoment,
das an der Hilfsabtriebswelle zur Verfügung steht, ohne daß ein zusätzliches, auf
die Trägheit der Last zurüekzuführendes Drehmoment oder ein Drehmoment ausgenutzt
wird, das der Hauptkraftübertragungsvorrichtung oder dem Gaserzeuger entnommen wird.
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In Fig. 29 bis 58 sind verschiedene gemäß der Erfindung mögliche
Konstruktionen zum Abgeben der Turbinenleistung dargestellt. Fig. 29 bis 34 zeigen
verschiedene wenig Raum beanspruchende, eine konstruktive Einheit bildende Untersetzungs-
und Kombinationsgetriebe der Bauart mit Zahnrädern mit abgestuRtem Durchmesser für
die Hilfsturbine und die Hauptturbine. Hierbei sind die Wellen der Turbinen und
die Hauptkraftabgabewelle gleichachsig angeordnet, während Fig. 35 bis 37 verschiedene
sogar noch weniger Raum beanspruchende Kombinationsgetriebe mit auf der Innenseite
verzahnten Zahnrädern zeigen, bei denen die Kraftabgabewelle gegen die Turbinenwellen
versetzt ist.
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Fig. 29 zeigt eine Anordnung, bei der die Verbindung zwischen der
Hauptturbine 7 und der Hilfsturbine 5 durch eine Freilaufkupplung 28 und/oder eine
Reibungskupplung 29 gebildet ist Die Freilaufkupplung kann auf zwei verschiedene
Weisen verwendet werden. Bei der ersten möglichen Anordnung verhindert die Freilaufkupplung,
daß sich die Abtriebswelle 14 mit einer Drehzahl dreht, die höher ist als die durch
das Ubersetzungsverhältnis zwischen der Hilfsturbine und der Hauptturbine bestimmte
Drehzahl, so daß die Hilfsturbine automatisch ein- und ausgekuppelt wird. Bei der
zweiten möglichen Anordnung verhindert der Freilauf, daß die Hilfsturbine mit einer
niedrigeren Drehzahl arbeitet als die Hauptturbine. Diese letztere Anordnung ist
zu bevorzugen, da sie einen Betrieb bei der vollen Drehzahl der Abtriebswelle selbst
dann zuläßt, wenn die Hauptturbine zum Stillstand gekommen ist oder in der Gegenrichtung
umläuft. Gleichzeitig ermöglicht diese Anordnung die Ausnutzung der Trägheits wirkung
des Fahrzeugs oder der Hauptlast bei hohen Geschwindigkeiten und ferner eine aerodynamische
Bremsung bei Jeder beliebigen Drehzahl mit Hilfe des gegenläufigen Turbinensystems
und der verstellbaren Leitschaufeln bei eingerückter Reibungskupplung.
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Fig. 30 zeigt eine Anordnung, die es bei ein und derselben Konstruktion
grundsätzlich ermöglicht, jede beliebige der vorstehend erwähnten Charakteristiken
in Abhangigkeit von den Betriebserfordernissen auszunutzen.
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Bei dieser Ausfübrungsforn ist eine Kupplung zum Ausrücken des Freilaufs
28 vorgesehen.
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Fig. 31 zeigt, auf welche Weise das Turbinensystem mit zwei Kränzen
von verstellbaren Leitschaufeln ausgerüstet werden kann, un eine vollständige Regelung
der Leistungsaufteilung zwischen der durch die Xilfsturbine angetriebenen Abtriebswelle
14 und der die Hauptlast 12
treibenden Rauptturbine zu erzielen.
In diesem Fall kann die Leistung der, einen Turbine stufenlos zwischen 0 und 10/o
und die Leistung der anderen Turbine gleichzeitig zwischen 100 und O% bzw. umgekehrt
stufenlos variiert werden. Ferner können bei dieser Anordnung die beiden Turbinenwellen
sowohl in der gleichen Drehrichtung als auch in entgegengesetzten Drehrichtungen
umlaufen. Bei dieser Konstruktion wird eine außergewöhnlich gute Leistung und Regelbarkeit
erzielt.
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Fig. 32 zeigt eine Anordnung, die grundsätzlich die gleichen Merkmale
aufweist wie die Anordnung nach Fig. 29 bei der jedoch eine Kupplung 31 für den
Antrieb in der Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung vorgesehen ist, und bei der der
Freilauf 28 und die Reibungskupplung 29 etwas anders angeordnet sind.
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Fig. 33 zeigt eine den Anordnungen nach Fig. 29 und 30 ähnelnde Anordnung,
bei der Jedoch die die Verbindung zwischen der Hilfsturbine und der Hauptturbine
bildenden Zahnkranzfreilauf- und Reibungselemente durch ein stufenlos verstellbares
Getriebe ersetzt sind, das einen ersten Teil 32 umfaßt, der als Generator G bzw.
als Motor M arbeiten kann, wobei gegebenenfalls von einer Hilfsabtriebswelle 52a
Gebrauch gemacht wird, sowie einen zweiten Xeil 33, der als Motor M oder als Generator
G betrieben werden kann. Dieses Getriebe kann als elektro- oder hydrostatisches
Getriebe oder auf beliebige andere Weise so ausgebildet sein, daß das Vbersetzungsverhältnis
stufenlos veränderbar ist. Ferner ist es möglich, ein mit Rutschkupplungen versehenes
abgestuftes Getriebe zu verwenden.
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Fig. 34 zeigt ein Differential-Planetenrad-Verbindungsgetriebe 34
mit einem stufenlos verstellbaren Getriebe 35, das so eingerichtet ist, daß die
Hilfsturbine 5 die Abtriebawelle 14 und das Sonnenrad 36 des Differentialgetriebes
entgegengesetzt
zur Drehrichtung der Hauptabtriebswelle 12 und des daran befestigten Zahnkranzes
57 antreibt. Die Antriebswelle des verstellbaren Getriebes wird von dem Untersetzungsgetriebe
der Hilfsturbine aus angetrieben, und das Reaktionsirehmoment wird von der Abtriebswelle
12 über ein Zwischenzahnrad 39, den Planetenradträger 40 und den Zahnkranz 37 aufgenommen.
Somit läßt sich das Drehzahlverhältnis zwischen den beiden Turbinen stufenlos ändern,
und man kann jeweils die ideale Leistungsaufteilung auf die Hilfsabtriebswelle und
die Hauptabtriebswelle wählen. Das verstellbare Getriebe 35 kann wie zuvor auf beliebige
geeignete Weise ausgebildet sein, z . B. als elektrisches, hydraulisches, pneumatisches
oder mechanisches Reibungsgetriebe oder als eine steuerbare Rutschkupplung. Bei
den vorstehend beschriebenen Ausfühuungsbeispielen ist die Hauptabtriebswelle 12
gleichachsig mit den Turbinenwellen angeordnet.
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Fig. 35 zeigt eine Anordnung mit ähnlichen Eigenschaften wie die
Anordnung nach Fig. 32, bei der Jedoch die Abtriebswelle gegenüber der Turbinenwelle
versetzt ist. Diese Anordnung ermöglicht einen Antrieb sowohl in der Vorwärtsrichtung
als auch in der Rückwärtsrichtung sowie ein vollständig automatisches Arbeiten der
Leistungsturb ine mit aerodynamischer Turbinenre gelung, ohne daß irgendeine Vorrichtung
zum Verstellen eines Getriebes benötigt wird. Ferner ermöglicht diese Anordnung
die Erzielung einer vollen aerodynamischen Motorbremswirkung und die Schaffung einer
außerordentlich einfachen Konstruktion, so daß diese Anordnung sehr vorteilhaft
bei Fahrzeugen angewendet werden kann, bei denen ein kleiner Raumbedarf, ein niedriges
Gewicht, eine einfache Konstruktion und geringe Herstellungskosten von sehr großer
Bedeutung sind. Die Welle 8 der Hauptturbine 7 ist mit einem Untersetzungsgetriebe
verbunden, das zwei außenverzhante Zahnräder 40 und 41 umfaßt. Die Welle 6 der
Hilfsturbine
5 trägt ein Ritzel 42, das mit einem Innenzahnkranz 43 und einem weiteren außenverzahnten
Zahnrad 44 zum Antreiben der Hilfsabtriebswelle 14 kämmt. Die Zahnräder 41 und 44
sind durch eine Kupplung 31 so verbunden, daß die Hauptabtriebswelle 12 sowohl in
der Vorwärtsrichtung als auch in der Rückwärtsrichtung angetrieben werden kann.
Zwischen dem Zahnkranz 43 und der Abtriebswelle des Zahnrades 41 ist ein Freilauf
28 vorgesehen.
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Fig. 36 zeigt eine Anordnung ähnlich derjenigen nach Fig. 30, bei
der jedoch ein Freilauf 28 und eine Kupplung 29 ähnlich den im Zusammenhang mit
Fig. 35 beschriebenen vorgesehen sind. Gegebenenfalls kann man ebenso wie bei der
Anordnung nach Fig. 35 in die Verbindung zu der~Abtriebswelle 12 ein umsteuerbares
Getriebe einschalten.
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Fig. 37 zeigt eine Anordnung, die derjenigen nach Fig. 36 entspricht,
bei der jedoch verstellbare Düsen oder Leitschaufeln 23 zwischen den beiden Turbinen
angeordnet sind, um eine Verbesserung der Regelbarkeit der über die Hilfsabtriebswelle
und die Hauptabtriebswelle abgegebenen Leistung zu erzielen, wobei beide Turbinen
in der gleichen Drehrichtung umlaufen. Das Untersetzungsgetriebe der Hauptturbine
umfaßt in diesem Fall einen innenverzahnten Zahnkranz 45.
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Fig. 38 zeigt die gleiche grundsätzliche Anordnung wie Fig. 37, bei
der jedoch der Freilauf und die Reibungskupplungen ähnlich wie bei der Anordnung
nach Fig. 33 durch ein stufenlos verstellbares Getriebe 32, 33 ersetzt sind.
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Außerdem kann mit Hilfe eines verbundenen Kraftübertragungssystems
52a, 32b Energie zwischen dem Gaserzeuger und den Kraftabgabewellen übertragen werden.
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Fig. 39 zeigt wiederum eine Anor ähnlich derjenigen nach Fig. 34,
bei der die Kraftübertragungsvorrichtung 32a, 32b zur Übertragung von Energie zwischen
dem Gaserzeuger und den Kraftabgabewellen als elektrische oder hydraulische Vorrichtung
ausgebildet sein kann, wobei der mit 32b
bezeichnete Teil z.B.
durch ein Peltonrad gebildet ist.
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Fig. 40 zeigt eine Anordnung, die auf der in Fig. 14 gezeigten grundsatzlichen
Anordnung basiert, wobei eine äußere Verbindung 15 zwischen dem Läufer des Gaserzeugers
und der Hilfsturbine vorgesehen ist, in die ein verstellbares Getriebe 35 eingeschaltet
ist. Die Hilfsturbine kann außerdem über ein Planetenzahnrad 46, einen durch ein
Bremsband steuerbaren Freilauf 47, 48 und einen durch ein Bremsband steuerbaren
Zahnkranz 49, 50 sowohl die Hauptturbine als auch die Verdichterturbine über das
verstellbare Getriebe 35 unterstützen. Eine aerodynamische Motorbremswirkung wird
mit Hilfe der Hilfs- und Hauptabtriebswellen unter Benutzung eines Untersetzungsgetriebes
52 erzielt, das als mechanisches oder hydraulisches Getriebe ausgebildet sein kann
und mit der Hilfsturbine über einen inneren Freilauf 51 und mit dem Verdichter über
die Hilfsturbine und das verstellbare Getriebe 35 zusemmenårbeitett Die Bremsbänder
und der äußere Freilauf arbeiten in der an Hand von Fig. 29 und 30 bezüglich der
Kupplungen und des Freilaufs beschriebenen Weise.
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Fig. 41 zeigt eine Anordnung ähnlich derjenigen nach Fig. 40, bei
der jedoch die Hilfsturbine 5 in der Strömungsrichtung hinter der Hauptturbine 7
angeordnet ist, wobei ein Pianetenzahnradgetriebe 46 und zwei Freilaufkupplungen
47 und 51 vorgesehen sind, und wobei der erste Freilauf 47 mit Hilfe einer Reibungskupplung
53 gesteuert und der Gaserzeuger über ein verstellbares Getriebe 35 angetrieben
wird. Bei dem Getriebe 35 handelt es sich vorzugsweise um ein stufenlos verstellbares
Getriebe, doch kann man zur Erzielung der einfachsten möglichen Konstruktion eine
Reibungskupplung oder einen Freilauf und eine kombinierte Reibungs- und Freilaufkupplung
vorsehen, wie es nachstehend an Hand von Fig. 43 bis 51 beschrieben
wird.
Die Unterbrechung 54 zwischen den Wellen 2 und 15 deutet an, daß die Möglichkeit
besteht, einen Antrieb 54a (Fig. 41a) £dr einen Vorverdichtungsläufer des Verdichters
1, d.h. eine Laderstufe 54b, vorzusehen, die mit dem Gaserzeuger direkt oder über
einen Freilauf verbunden ist.
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Fig. 42 zeigt eine Anordnung ähnlich derjenigen nach Fig. 41, wobei
der Hauptunterschied darin besteht, daß die Turbinen bei der ersten Anordnung in
der gleichen Drehrichtung und bei der zweiten Anordnung in entgegengesetzten Drehrichtung
umlaufen. Das Planetenzahnradgetriebe ist zu diesem Zweck entsprechend ausgebildet.
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Fig. 43 zeigt eine vereinfachte Anordnung, die in Beziehung zu den
Anordnungen nach Fig. 39 bis 42 steht, bei denen in jedem Fall ein Planetenzahnrad-Drehmomentvervielfacher
zwischen der Hilfsturbine und der Hauptturbine und ein stufenlos verstellbares Getriebe
vorgesehen sind.
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Die Anordnung ist die gleiche wie die in Fig. 36 argestelltedoch
ist keine Kupplung zum Verriegeln der Freilaufkupplung vorgesehen. Die KraftUbertragungsvorrichtung
zwischen der Hilfsturbine und dem Läufer des Gaserzeugers ist vereinfacht und umfaßt
eine Freilaufkupplung und eine Verriegelungskupplung, wobei in die Verbindungswelle
15 eine Rutschkupplung 55 eingeschaltet ist.
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Die Leitschaufeln 22 und 23 der Hilfsturbine und/oder der Hauptturbine
können entsprechend den jeweiligen Erfordernissen als auch reste Leitschaufeln ausgebildet
sein.
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In manchen Anwendungsfällen kann man die Leitschaufeln zwischen der
Hilfsturbine und der Hauptturbine vollständig fortlassen. In diesem Fall ist es
jedoch erforderlich, ein auf besondere Weise konstruiertes Turbinensystem vorzusehen,
bei dem beide Turbinen in der gleichen
Richtung umlaufen. Hierbei
kann die Hilfsturbine auf neuartige Weise dazu dienen, die Verdichterturbine zu
unterstützen oder ein Gebläse zur Erzeugung einer Vorverwirbelung zu bilden, wobei
Energie auf aerodynamischem Wege von der Verdichterturbine über die Hilfsturbine
zu der Haupt- oder Leistungsturbine übertragen wird.
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Bei dieser Arbeitsleistung als Gebläse kann die Hilfsturbine auch
dazu beitragen, den Mengendunhsatz des Turbinensystems zu steigern, so daß es mit
ihrer Hilfe möglich ist, die insgesamt abgegebene Leistung zu beeinflussen. Die
Turbinen- oder Gebläsewirkung wird mit Hilfe der verstellbaren Düsen bzw, Leitschaufeln
gewählt oder geregelt, die in diesem Fall vor der Äilfsturbine angeordnet sind.
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Fig. 43a zeigt eine der Anordnung nach Fig. 43 ähnelnde Anordnung,
bei der jedoch das Untersetzungs- und Kombinationsgetriebe zur Verwendung bei einem
System mit gegenläufigen Turbinen ausgebildet ist. In manchen Anwendungsfällen kann
man einen Leitschaufelkranz oder beide Leitschaufelkränze vollständig fortlassen,
so daß man eine sehr einfache Anordnung mit sehr guten Eigenschaften bezüglich des
Drehmoments, der Beschleunigung und des Kraftstoffverbrauchs erhält.
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Die in Fig0 44 bis 56 dargestellten Anordnungen können ebenfalls
in der bezüglich Fig. 43 und 43a beschriebenen Weise variiert werden, doch ist bei
ihnen eine weiter vereinfachte, wenig Raum beanspruchende grundsätzliche Konstruktion
in der Weise vorgesehen, daß die der Welle 15 in Fig. 14 entsprechende äußere Welle
durch eine Verlängerung 56 der Verdichterturbinenwelle 2 ersetzt ist, die sich in
diesem Fall durch die hohle Hilfsturbinenwelle 6 hindurch zu dem Hauptturbinengetriebe
erstreckt. Dort sind auch die Freilaufkupplung
und die Verriegelungs-
oder Rutschkupplung 55a für die aerodynamische Ubertragung der Energie der Hilfsturbine
angeordnet. Somit kann man verschiedene Zahnräder, Wellen, Lager und andere Getriebeteile
fortlassen, so daß sich eine sehr wenig Raum beanspruchende Anordnung ergibt. Die
Hauptturbinenwelle 8 ist als Hohlwelle ausgebildet und umschließt die beiden Wellen
6 und 56.
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Fig. 45 zeigt wiederum die gleiche Anordnung, bei der jedoch die
Freilaufkupplung und die Kupplung 55b in einem Hilfsgetriebegehäuse vor dem Verdichter
1 angeordnet sind. In diesem Fall ist die Hilfsturbinenwelle 6 mit einer Verlangerung
4 versehen, die durch die als Hohlwelle ausgebildete Verdichterturbinenwelle 2 ragt.
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Diese Konstruktion ermöglicht die Fortlassung einer der beiden Hohlwellen
auf der Hauptturbinenseite, so daß sich die Lagerung vereinfacht und die Turbinenscheibe
leichter befestigt werden kann. Eine weitere Vereinfachung, bei der ebenfalls die
Hohlwelle der Verdichterturbine fortfällt, ist in Fig 15 bis 17 dargestellt, wo
die Kraftübertragungsvorrichtung, d.h. der Freilauf und die Kupplung, zwischen der
Verdichterturbine und der Hilfsturbine angeordnet ist. Bei dieser Konstruktion ist
es erforderlich, für eine geeignete Abschirmung gegen Wärme zu sorgen, doeL dies
gewöhnlich ohne Schwieirigkeiten mog'ich. Diese zuletzt erwähnte Anordnung erweist
sich dann als ideal, wenn der Gaserzeuger und die Hauptturbine unter einem' Winkel
zueinander angeordnet sind und die Verbindung zwischen den Wellen 2 und 6 durch
einen Winkeltrieb oder ein verstellbares Getriebe gebildet ist; in diesem Fall können
die Getriebe- und Verbindungsteile auf der Außenseite des Aggregats angeordnet werden.
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Fig. 46 zeigt die gleiche Anordnung wie Fig. 44, abgesehen davon,
daß die hintere Kupplung 29 die ein-oder ausgerückt sein kann, durch ein stufenlos
vers teilbares
Getriebe 32, 33 ersetzt ist, das dem an Hand von
Fig. 33 und 38 beschriebenen Getriebe ähnelt und als elektrisches, hydrostatisches
oder sonstiges Getriebe ausgebildet sein kann.
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Fig. 47 zeigt die gleiche grundsätzliche Anordnung wie Fig. 46, doch
ist gemäß Fig. 47 in die Abtriebswelle 14 ein zu einer Einheit zusammengefaßtes
verstellbares Getriebe 35 eingeschaltet.
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Fig. 48 zeigt die gleiche Anordnung wie Fig. 47, doch ist hier anstelle
des verstellbaren Getriebes 35 ein Planetenzahnradgetriebe 57 vorgesehen, das über
eine Freilaufkupplung 58 betätigt wird, wobei die Steuerung durch eine Reibungskupplung
59 erfolgt. Die Energie wird von der Hilfsturbine 5 und dem zur Vervielfachung des
Drehmoments dienenden Planetengetriebe 57 aus der Abtriebswelle 12 zugeführt, so
daß die Hilf sturbine die Hauptturbine beim Beschleunigen der Last unterstützt;
die Verbindungen zwischen der Verdichterturbine 3 und der Hilfsturbine 5 sind wieder
in der zuvor beschrieben Weise ausgebildet.
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Fig. 49 zeigt eine Variante des Systems nach Fig. 48, bei dem jedoch
der Planetenradträger und die Kupplungsanordnung durch ein verstellbares Getriebe
35 ersetzt ist.
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Das Getriebe 35 ist mit einem Differential- und Planetenradgetriebe
60 so kombiniert, daß das Drehmoment des verstellbaren Getriebes vergleichweise
klein ist, um so einen hohen Gesamtwirkungsgrad bei kleinen Abmessungen der Konstruktion
zu erzielen. Wenn das Getriebe stufenlos verstellbar ist, kann man die verstellbaren
Leitschaufeln fortlassen. Dies gilt auch für die vorstehend beschriebenen Anordnungen,
bei denen ein stufenlos verstellbares Getriebe vorgesehen ist.
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Fig. 50 zeigt eine Anordnung, bei der das verstellbare Getriebe durch
verstellbare Leitschaufeln 23 zur Steuerung der Hilfsturbine 5 ersetzt ist, die
mit einem Differentialgetriebe 61 zusammenarbeitet, das in die äußere Welle 15 zwischen
dem Läufer 2 des Gaserzeugers einerseits und der Hauptturbine 7 und der Hilfsturbine
5 andererseits angeordnet ist, wobei die Hilfsturbine entgegengesetzt zur Hauptturbine
umläuft. Während der Beschleunigung aus dem Stillstand sowie beim Leerlaufbetrieb
treibt die Hauptturbine die Hauptlast in der üblichen Weise an, während gleichzeitig
die Hilfsturbine sowohl die Hauptturbine als auch den Verdichter üher das Planetenradgetriebe
und die Freilaufkupplung 55 der äußeren Welle 15 unterstützt. Selbst bei einer hohen
Drehzahl des Verdichters kann die Hilfsturbine immer noch Energie sowohl dem Verdichter
als auch der Hauptturbine zuführen, wobei die Energiemenge mit Hilfe der verstellbaren
Leitschaufeln 23 der Hilfsturbine kontinuierlich ;JJegelt wird.
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Bei dieser Anordnung arbeitet die Hilfsturbine mit einer allmählich
zunehmenden Drehzahl, während sich die Drehzahl der Hauptturbine erhöht, und die
Hilfsturbine läuft mit einer Drehzahl, die höher ist als diejenige der Hauptturbine,
wenn diese mit einer hohen Drehzahl arbeitet. Da sich jedoch die Hilf sturbine am
kühleren Ende des Gasstroms befindet, kann diese Arbeitsweise zugelassen werden,
ohne daß die Lebensdauer der Turbine beeinträchtigt wird, und bei dieser Anordnung
wird das verfügbare Material tatsächlich besser ausgenutzt. Bei dem Betrieb mit
Teillast arbeitet die Hilfsturbine dann, wenn die Freilaufkupplung 55 verriegelt
ist, teilweise mit einer aerodynamischen und teilweise mit einer mechanischen Kraftübertragung.
Hierbei arbeitet die Hilfsturbine 5 als Abgasturbine oder Gebläse, so daß sich der
Gegendruck der Hauptturbine 7 verringert und sich die relative
Belastund
des Gaserzeugers erhöht, wobei die Turbine bei einer höheren Temperatur arbeitet.
Daher erhöht sich der Wirkungsgrad des Gaserzeugers, und der spezifische Kraftstoffverbrauch
verringert sich. Eine stufenlose Regelung wird mit Hilfe der verstellbaren Leitschaufeln
23 bewirkt, die gemäß Fig. 50 ebenfalls auf der kühleren Abgasaustrittsseite angeordnet
sind. Um den Wirkungsgrad der Abgasturbine und die Ausnutzung des Drucks zu verbessrn,
kann die Hilfsturbine gemäß Fig. 50 mit einem mit Leitschaufeln bestückten Abgasdiffusor
62 versehen sein. Mit Hilfe des Differentialgetriebes, der verstellbaren Leitschaufeln
und der verriegelbaren Freilaufkupplung kann eine Motorbremswirkung automatisch
erzielt werden. Diese Wirkung kann zusätzlich dadurch verstärkt werden, daß man
das Differential-Planetenradgetriebe mit einer Bremsfreilaufkupplung ausistet, die
z.B. gemäß Fig. 40 zwischen dem Sonnenrad und dem Planetenradträger angeordnet sein
kann.
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Fig. 51 und 51a zeigen die gleiche Anordnung wie Fig. 50, wobei jedoch
auf der Hauptturbinenseite die Getriebeanordnung in der Verbindung zwischen der
Hilfsturbine und dem Läufer des Gaserzeugers abgeändert ist. Fig. 51a zeigt eine
Anordnung, bei der sich das Verbindungsglied nicht wie in Fig. 51 außerhalb des
Aggregats, sondern durch Hohlwellen erstreckt. In diesem Zusammenhang sei bemerkt,
daß man das Ausmaß der seitlichen Versetzung der Welle vergrößern oder verkleinern
und die Drehrichtung ändern kann, indem man geeignete Zwischenzahnräder vorsieht
bzw. fortläßt; durch diese Maßnahme wird die grundsätzliche Anordnung nicht geändert.
Bei der Anordnung nach Fig. 51 ist die Hauptturbine 7 mit verstellbaren Ileitschaufeln
22 und die Hilf sturbine 5 mit festen oder verstellbaren Leitschaufeln 29a ausgerüstet.
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Fig. 52 zeigt' die gleiche Anordnung wie Fig. 51, Jedoch ist in diesem
Fall ein stufenlos verstellbares Getriebe 35 in die Verbindung zwischen der Hilfsturbine
und dem Läufer des Gaserzeugers eingeschaltet.
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Fig0 53 zeigt eine ähnliche Anordnung, bei der jedoch die Hilfsturbine
5 in der Strömungsrichtung vor der Hauptturbine 7 angeordnet ist, so daß die Hilfsturbine
wie zuvor zum Abbremsen des Verdichters und zur Beschleunigung des Gaserzeugers
dienen kann, wobei sie jedoch als Abgasturbine der Verdichterturbine arbeitet. Ferner
kann die Hilfsturbine benutzt werden, um die Erzeugung des Dralls auf der Einlaßsseite
der Hauptturbine zu variieren, oder sie kann einfach als Abgasturbine arbeiten,
was durch die Verwendung verstellbarer Düsen der Hauptturbine ermöglicht wird.
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Fig. 54 zeigt eine Anordnung ähnlich derjenigen nach Fig. 52, d.h,.
eine Anordnung mit einem verstellbaren Getriebe 35 zwischen der Hilfsturbine und
dem Läufer des Gaserzeugers, wobei jedoch die Hilfsturbine 5 in der Strömungsrichtung
vor der Hauptturbine 7 angeordnet und mit festen oder verstellbaren Leitschaufeln
22a ausgerüstet ist.
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Fig zu zeigt eine Anordnung, bei der die Kraftübertr''ung zwischen
der Hilfsturbine 5 und der Verdichterturbine 3 durch ein elektrisches oder hydrostatisches,
verstellbares Getriebe 32, 33 bewirkt wird, wobei das Getriebe in diesem Fall in
einem Hilfsgetriebegehäü,se vor dem Verdichter angeordnet ist. Die Verbindung zu
der Hauptturbine wird durch eine Freilaufkupplung 63 hergestellt, die im Getriebegehäuse
der Hauptturbine untergebracht ist, das ein Planetenradgetriebe mit drei Vorwärtsgängen,
jedoch ohne Rückwärtsgang enthält. Man kann jedoch einen oder mehrere Rückwärtsgänge
versehen wenn man eine verriegelbare Kupplung benutzt, die z.3. zwischen
den
beiden Sonnenzahnrädern angeordnet ist, sowie ein Zwischenzahnrad zwischen dem vorderen
Sonnenzahnrad oder dem vorderen Zahnkranz und den einen kleineren Durchmesser aufweisenden
abgestuften Planetenrädern. Ferner kann man ein "Kriechen" verhindern bzw. die Last
abstützen, wenn man zwei der Kupplungen gleichzeitig einrückt, wenn das Fahrzeug
bzw. die Last zum Stillstand gekommen ist, und wenn die Drossel freigegeben bzw.
zurückgenomen worden ist; entsprechend werden die beiden Kupplungen wieder ausgerückt,
sobald die Drossel betätigt wird und/oder sich die Last bewegt.
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Fig. 56 zeigt grundsätzlich die gleiche Anordnung wie Fig. 55, doch
ist in diesem Fall ein verstellbares Getriebe 64 vorgesehen, das vorzugsweise so
ausgebildet ist, daß es ohne Verwendung von Zwischenzahnrädern mit der gleichen
Drehzahl arbeitet wie die Turbine. Dieses Getriebe kann in der verschiedensten Weise
ausgebildet sein, z.B. als elektrisches Getriebe mit einem Stromerzeuger und einem
Motor, deren Funktionen vertauscht werden können, so daß eine Kraftübertragung auch
im Rückwärtsgang möglich ist0 Ein solches elektrisches Getriebe bietet verschiedene
Vorteile, zu denen unter anderem die Tatsache gehört, daß es durch niedrige Umgebungstemperaturen
nicht nachteilig beeinflußt wird. Das verstellbare Getriebe kann auch als hydrostatisches
Getriebe mit einer Pumpe, und einem zuvor ausgebildet seine und wie zuvor kann man
die Möglichkeit der Umsteuerung vorsehen.
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Weiterhin ist es möglich, ein Reibungsgetriebe oder ein hydrodynamisches
Getriebe vorzusehene Alle diese Getriebe können von einfacher Konstruktion mit geradliniger
Xraftübertragung oder als mit einer Drehmomentunterilung arbeitende mechanische
Getriebe ausgebildet sein, die mit einem höheren Wirkungsgrad bei kleineren Abmessungen
arbeiten, bei denen jedoch der Drehzahlbereich kleiner ist. Die Wahl eines geeigneten
Getriebes richtet sich nach
den Jeweiligen Erfordernissen des Anwendungsfalls.
Jedoch ermöglicht die beschriebene Anordnung die Erzielung einer größeren Flexibilität
und Anpassungsfähigkeit, so daß der jeweilige Kunde seine Wahl bezüglich der Hilfsgeräte
treffen kann, während die Hauptelemente unverändert bleiben. Ferner umfaßt die Anordnung
nach Fig. 56 ein gegenläufiges Turbinensystem, während die Turbinen bei der Anordnung
nach Fig. 55 in der gleichen Richtung umlaufen; um eine solche Änderung herbeizuführen,
kann man auf ziemlich einfache Weise die Beschaufelung der Turbinen ändern und ein
Sonnenzahnrad des Untersetzungsgetriebes durch einen Zahnkranz ersetzen. Fig. 56
zeigt anstelle von Kupplungen Bremsbänder 63a; die jeweilige Wahl richtet sich in
erster Linie nach dem in radialer Richtung verfügbaren Raum.
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Figo 57 und 58 zeigen zwei Ausführungsformen des Leistun'gsturbinensystems
ähnlich derJenigen nach Fig. 34, wobei jedoch das stufenlos verstellbare Getriebe
und das diesem zugeordnete Getriebe fortgelassen sind, Eine aerodynamische Bremswirkung
kann im ersteren Fall dadurch erzielt werden, daß man ein Bremsband 65 anzieht,
um eine Freilaufkupplung 66 festzustellen, während im zweiten Fall eine aerodynamische
Bremswirkung erzielt werden kann, wenn man die beiden Rückwärts- und Vorwärtskupplungen
67 einrückt.
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In beiden Fällen sind verstellbare Leitschaufeln vorgesehen, damit
die Bremswirkung auf eine noch an Rand von Fig. 65 bis 70 zu beschreibende Weise
verstärkt werden kann. Die Anordnungen nach Fig. 57 und 58 umfassen eine schematisch
angedeutete Vorrichtung 68, durch die das Untersetzungsgetriebe und das Turbinensystem
gegen StoB-belastungen gesichert werden, die durch die Hauptlast oder die durch
die Rilfsabtriebswelle angetriebene Last hervorgerufen werden können.
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An Hand der weiteren Figuren 59 bis 70 werden die Charakteristiken
und die Arbeitsweise des Leistungsturbinensystems für den Fall beschrieben, daß
die Leistungsturbine während ihres Betriebs nicht mit dem Läufer des Gaserzeugers
gekuppelt ist. In diesem Spezialfall wird ein gegenläufiges Turbinensystem betrachtet,
bei dem zwischen den Turbinen keine Leitschaureln vorgesehen sind. Im Gegensatz
zu den bis jetzt bekannten Anordnungen arbeiten die erfindungsgemäßen Turbinensysteme
mit voller Kraftabgabe über eine Welle, mit einer zwei Bereiche umfassenden variablen
aerodynamischen Bremswirkung unter Benutzung verstellbarer Leitschaufeln der Hauptturbine,
in Verbindung mit einer Vorrichtung zur Beseitigung des Dralls in den Abgasen sowie
mit mit niedrigen Drehzahlen arbeitenden Verbindungs- und Planetenradgetrieben.
Hierdurch werden die Schwierigkeiten vermieden, die sich andernfalls infolge der
großen Fliehkräfte der Ritzel, hoher Energirverluste und einer schnellen Abnutzung
der Ritzel von mit hohen Drehzahlen arbeitenden Planetenradgetrieben einstellen.
Außerdem kann die Hilfe turbine in der weiter oben schon kurz angedeuteten Weise
verschiedene Aufgaben übernehmen. Einige weitere derartige Aufgaben werden im folgenden
näher behandelt.
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Fig. 59 veranschaulicht das relative Drehmomentverhältnis T*2 und
den Wirkungsgrad t1 . die bei der Hilfsturbine II (5) erzielt werden, wenn die Hilfsturbine
die Hauptturbine I (7) im unteren Drehzahlbereich bei feststehenden LeitschauSeln
der Hauptturbine unterstützt, wobei die Hilfsturbine nicht mit Leitschaufeln oder
einem Düsenkranz ausgerüstet ist. Die Linie T1 zeigt das Drehmomentverhältnis einer
herkömmlichen Anlage ohne Hilfsturbine.
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Fig. 60 veranschaulicht die Drehzahlcharakteristiken der freien Hilfsturbine
II (5), die bei der ersten Phase bzw. im ersten Leistungsübertragungsbereich durch
ein Getriebe mit der Hauptturbine I verbunden und durch diese gesteuert
wird.
Im hohen Drehzahlbereich erfolgt eine automatische Regelung durch den Abgasdrall
der Hauptturbine. Allgemein gesprochen ist die aerodynamische Konstruktion nach
der Erfindung in diesem Fall derart,' daß die Hauptturbine einen relativ starken
Drall der Abgase bewirkt. Die Abgase werden direkt der Hilfsturbine zugeführt, die
so ausgebildet ist, daß sie den Drall der Abgase beseitigt oder verringert. Wenn
die Hauptturbine zum Stillstand kommt, wie es in Fig. 65 bis 67 dargestellt ist,
arbeitet die Hauptturbine wie ein normaler Leitschaufelkranz für die Hilfsturbine,
die ihrerseits die Aufgabe eines Abgasdifrusors übernimmt. Sie erhöht das Druckverhältnis
zwischen Ein- und Ausgangsseite der Haupt turbine und sie verringert die Abgasverluste
und damit auch die gesamten Druckverluste, so daß der Mengendurchsatz des ganzen
Turbinensystems erhöht wird. In Fig. 60 sind auch die Strömungsgeschwindigkeiten
am Ausgang der Hilfsturbine II (5) darstellt.
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Der theoretische Wirkungsgrad eines eine Leistungsturbine und eine
Hilfsturbine und verstellbare Leitschaufeln umfassenden Aggregats ist in Fig. 61
dargestellt, während Fig. 62 die theoretischen Drehmomentcharakteristiken des Turbinensystems
für den Fall der Verwendung fester bzw.
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verstellbarer Leitschaufeln veranschaulicht.
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Fig. " xeigt in einer graphischen Darstellung den spezifischen Kraftstoffverbräuch
des kombinierten Turbinensystems als Funktion der relativen Abtriebsdrehzahl, während
Fig. 64 den spezifischen Kraftstoffverbrauch eines Turbinensystems mit verstellbaren
Leitschaufeln in Abhängigkeit'von der relativen Leistungsabgabe zeigt.
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Die allgemeine Leistung des Turbinensystems bei feststehenden Leitschaufeln
und die Bremswirkung, die bei umgestellten Leitschaufeln wld auf aerodynamischem
Wege unter Benutzung der Turbine als Bremse erzeilt wird, sind in
Fig.
65 darstellt. Die Turbinen- und Getriebeanordnung bei Benutzung einer Turbine nach
Fig. 65 unter zusEtzlocher Verwendung verstellbarer Leitschaufeln und einer aerodynamischen
Reaktionsbremse sowie einer Hilfskraftabgabewelle ist in Fig. 66 gezeigt.
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Fig. 67 bis 70 zeigen Vektordiagramme bzw. Geschwindigkeitspläne
der Strömungsgeschwindigkeiten, die für die Turbinen und das Planetenradgetriebe
nach Fig. 66 gelten.
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In jeder der Figuren 67 bis 70 ist jeweils ein Geschwindigkeitsplan
für die Haupt turbine I und für die Hilfsturbine II dargestellt, der die Strömungsgeschwindigkeiten
für die Eingangs- und die Ausgangsseiten der Turbinen in üblicher Welse unter Verwendung
von im Strömungsmaschinenbau allgemein üblichen Bezeichnung darstellt.
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Fig. 67 und 68 veranschaulichen 4Xe Situation für den Punkt A (Stillstandspuhkt)
in Fig 5 und tUr den Punkt B bei der ersten Phase, bei csr beide Turbinen nach Fig.
65 Arbeit leisten, während Fig. 69 die Situation für den Punkt E der zweiten Phase
wiedergibt, bei der allein die Turbine I arbeitet Fig. 70 veranschaulicht die Situation
am Punkt C in Fig. 65, d.h. den Fall, daß verstellbare Leitschaufeln in ihre Bremsstellung
gebracht worden sind; daß das Reaktionselement frei ist (DR-pos), bzw. daß das Reaktionselement
verriegelt ist (BR-pos).
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Die Hilfsabgasturbine kann so ausgebildet sein, daß sie einen geringeren,
jedoch immer noch erhebllchen Drall der Abgase in der Rückwärtsrichtung bewirkt,
d.h. entgegen der Richtung der aus der Hauptturbine austretenden Gase.
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In diesem Fall ist der Drall vorzugsweise weniger als halb so groß
wie der zuletzt genannte Drall, so daß der Energieinhalt weniger als 25% beträgt.
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Wenn das Turbinensystem gemäß Fig. 65 bis 70 beginnt, die Last zu
bewegen, wird der resultierende Drall der Abgase verringert und dann allmählich
in der entgegengesetzten Richtung gesteigert, woraufhin der Drall wieder abnimmt
und dann erneut in der ursprünglichen Richtung zunimmt, wie es im unteren Teil von
Fig. 60 dargestellt ist, so daß der Drall ständig nach beiden Seiten gegenüber der
Nullinie variiert.
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Fig. 61 und 62 lassen den Gewinn bezüglich des relativen Wirkungsgrades
und die Drehmomentvervielfachung mit Hilfe verstellbarer Leitschaufeln im Vergleich
zu feststehenden Leitschaufeln bei dem Hilfsturbinensystem erkennen.
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Fig. 63 und 64 zeigen den entsprechenden Gewinn bemöglich des spezifischen
Kraftstoffverbrauchs SFC in AbhYnglgkeit vom Drehzahlverhältnis bzw. dem Leistungsverhältnis
bei dem Hilfsturbinensystem und bei der Verwendung verstellbarer Leitschaufeln in
Verbindung mit einer mechanisch-aerodynamischen Kraftübertragung.
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Fig. 65 bis 70 veranschaulichen die grundsätzliche Arbeitsweise des
Turbinensystems und des mit niedriger Drehzahl arbeitenden Planetenradgetriebes
ohne Kraftübertragungsvorgänge sowie die gemß Fig. 70 nur mit Hilfe der Hauppturbine
bewirkte 11aerodynamische Abbremsung mit Hilfe verstellbarer Leitschaufeln, jedoch
ohne'Benutzung der Reaktionsbremse BR.
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Alle in den Unterlagen offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere
die offenbarte räumliche Ausgestaltung, werden, soweit sie einzeln oder in Kombination
gegenüber dem Stand der Technik neu sind, als errindungswesentlich beansprucht.
-
- Ansprechen