DE1933792B2

DE1933792B2 - Gasturbinenwerk, insbesondere für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE1933792B2
Application number: DE1933792A
Authority: DE
Inventors: Clas-Olof Kronogard; Sven-Olof Prof Kronogard
Original assignee: United Turbine AB and Co KG
Current assignee: United Turbine AB and Co KG
Priority date: 1969-07-02
Filing date: 1969-07-02
Publication date: 1979-09-20
Also published as: DE1933792A1; DE1933792C3

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinentriebwerk, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem aus einem Verdichter, einer diesen antreibenden Verdichterturbine und einer Brennkammer bestehenden Gaserzeuger, mit einer Nutzleistungsturbine und mit einer weiteren Turbine, deren Läufer ebenfalls von den vom Gaserzeuger gelieferten Gasen beaufschlagt ist.

Die bisher bekannten Gasturbinentriebwerke sind dann nicht ohne weiteres verwendbar, wenn an sie hohe Anforderungen hinsichtlich ihrer Anpassungsfähigkeit an wechselnde Leistung und verschiedene Drehzahlen gestellt werden, wie sie z. B. beim Antrieb für Kraftfahrzeuge, Erdbewegungsmaschinen, Eisenbahnfahrzeuge od. dgl. mit ihren ständig wechselnden Betriebszuständen vorkommen.

Bei einem bekannten Gasturbinentriebwerk der eingangs genannten Art (US-PS 31 54 918) ist zwischen

der Verdichterturbine und der Nutzleistungsturbine ein Laufrad angeordnet, das zur Verbesserung der Ströinungsverhältnisse in dem mittleren Drehzahlbereich der Abtriebswelle süllsteht, im übrigen je nach dem Drehzahlbereich gegenläufig oder gleichläufig zur Nutzleistungsturbine umläuft Dabei ist das Laufrad fiber ein Getriebe mit der Abtriebswelle verbunden und ebenfalls als Turbine wirksam. Diese weitere Turbine bleibt stets von der Nutzleistungsturbine abhängig, eine Verbindung zur Verdichterturbine und eine Unterstüt- ι ο zung dieser Turbine beim Anfahren durch die weitere Turbine ist nicht vorgesehen.

Bei einem anderen bekannten Gasturbinentriebwerk (US-PS 32 80 554) sind eine Nutzleistungsturbine und eine Verdichterturbine sowie ein zweistufiger Verdichter vorgesehen. Beide Stufen dieses Verdichters werden von der Verdichterturbine angetrieben, jedoch kann bei Überschuß an Energie auch die Nutzleistungsturbine über eine Getriebeverbindung zum Antrieb der ersten Verdichterstufe herangezogen werden, wozu der Verdichter beschleunigt werden muß. Bei einer ähnlichen Anordnung mit einem nur einstufigen Verdichter, bei der die Nutzleistungsturbine den Antrieb der Verdichterturbine nicht unterstützt, sollen der Verdichter und seine Turbine auch zum Abbremsen der Nutzleistungsturbine verwendet werden, wozu auch hier eine getriebeseitige Verbindung zwischen der Nutzleistungsturbine und dem Verdichterantrieb vorgesehen ist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem eingangs genannten Triebwerk ein Gasturbinentriebwerk zu schaffen, das eine wesentlich bessere Anpassungsfähigkeit an die wechselnden Leistungsanforderungen aufweist, wie sie insbesondere beim Antrieb eines Fahrzeugs und der zugehörigen Nebenantriebe auftreten.

Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die weitere Turbine eine Hilfsturbine ist deren Leistung wahlweise auf den Verdichter und/oder auf den Abtrieb der Nutzleistungsturbine oder auf Sonderantriebe übertragbar ist.

Die Hilfsturbine kann sowohl die Verdichterturbine des Gaserzeugers als auch die Nutzieistungsturbine unterstützen. Das Gasturbinentriebwerk nach der Erfindung, das bei der Inbetriebsetzung und bei niedrigen Abtriebsdrehzahlen mit einer hohen Drehmomentenvervielfachung arbeitet und schnell bis zur vollen Leistung beschleunigt werden kann, ist daher für Kraftfahrzeuge und für alle Anwendungsgebiete besonders geeignet, wo die Betriebszustände häufig wechseln. Dabei ergibt sich eine gute Regelbarkeit und geringer Kraftstoffverbrauch sowohl im Leerlauf wie auch bei Teillast.

Die Erfindung und weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen erläutert.

Fig. 1 bis 14a zeigen schematisch einige der möglichen Anordnungen und Betriebspliasen erfindungsgemäßer Gasturbinentriebwerke.

F i g. 15 bis 20 veranschaulichen mehrere aus söge- t>o nannten Baukasteneinheiten aufgebaute erfindungsgemäße Turbinensysteme.

F i g. 21 bis 28 zeigen in graphischen Darstellungen einige der Leistungscharakteristiken oder Kennlinien von Turbinen nach der Erfindung im Vergleich zu b^r> denjenigen bekannter Turbinen.

F i g. 29 bis 58 zeigen Einzelheiten der Anordnung von Turbinen und Kraftübertragungsvorrichtungen für verschiedene Verwendungszwecke.

Fig.59 bis 70 sind schernatische Darstellungen, die zur weiteren Erläuterung einiger Betriebscharakteristiken insbesondere bezüglich der Leistungsturbine und der K-aftübertragungsvorrichtung bzw. des Getriebes dienen.

Im folgenden werden zunächst der allgemeine Aufbau erfindungsgemäßer Gasturbinentriebwerke und die Grundgedanken der Erfindung erläutert Der Gaserzeuger kann als Gaserzeuger der Turbinenbauait 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 Gas auch jeder beliebigen anderen geeigneten Quelle entnehmen könnte.

F i g. 1 zeigt die wichtigsten Läuferteile eines Gaserzeugers der Turbinenbauart Wie bei bekannten Konstruktionen 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, im folgenden als Hauptturbine oder Leistungsturbine 7 bezeichneten Nutzleistungsturbine über eine Welle 8 abgegeben. Gemäß der Erfindung ist eine zusätzliche Turbine 5 vorgesehen, die im folgenden als Hilfsturbine 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 Hilfsturbine den Verdichterteil und/oder den Leistungsturbinenteil unterstützen kann. In Verbindung mit weiteren noch zu erläuternden Merkmalen der Erfindung ist es mit Hilfe der Hilfsturbine 5 möglich, die Nachteile der bis jetzt bekannten Gasturbinen zu vermeiden. In F i g. 1 ist die Hilfsturbine 5 zwischen der Verdichterturbine 3 und der Haupt- oder Leistungsturbine 7 angeordnet 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 Wärmetauscher 21a und in manchen Fällen weitere Vorrichtungen 2ib zur Nutzbarmachung von Abgaswärme vor.

F i g. 2 zeigt die gleiche Anordnung wie F i g. 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 (Wälle 12), während die Wellen 10 und 14 zwei Hilfslasten antreiben. Gemäß F i g. 2 ist die Hilfsturbine S 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.

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.

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 Überlastung des Gaserzeugers angetrieben werden kann.

F i g. 5 zeigt, auf welche Weise das Triebwerk benutzt werden kann, um als Motorbremse zu wirken. Die Bremsenergie wird durch die Hilfst'urbinenwelle 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. Wenn man bei dem Turbinensystem verstellbare Leitschaufeln vorsieht, kann die Bremswirkung noch vergrößert werden; hierauf wird weiter unten näher eingegangen.

Fig.6 zeigt auf welche Weise die Hilfsturbine die Hauptturbine beim Antreiben der Hauptlast über eine kombinierte Kraftübertragungsvorrichtung 11 unterstützen kann.

Fig.7 läßt erkennen, auf welche Weise alle drei Turbinen dazu beitragen können, die Hauptabtriebswelle 12 und/oder Hilfslasten über die Kraftübertragungsvorrichtungen 9 und 11 und die Welle 4, 6 der Hilfsturbine anzutreiben.

F i g. 8 zeigt, auf welche Weise die Hauptabtriebswelle 12 durch die Hauptturbine angetrieben werden kann, während die Abtriebswelle 14 gemeinsam durch die Hilfsturbine und die Verdichterturbine angetrieben wird.

Fig.9 veranschaulicht einen Betriebszustand, bei dem die Hilfsturbine 5 die hintere Abtriebswelle 14 antreibt, während die Hauptturbine 7 die Hauptabtriebswelle 12 antreibt

Fig. 10 zeigt einen Betriebszustand, bei dem dfe Hilfsturbine 5 die vordere Abtriebswelle 10 antreibt und außerdem dazu beiträgt zusammen mit der Hauptturbine 7 die Hauptabtriebswelle 12 anzutreiben.

F i g. 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 Hilfsturbine 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 Hilfsturbine kann ferner dazu dienen, das Verhältnis zwischen der an der Welle verfügbaren Energie und der Menge der Abgaswärme zu variieren, die zu Heizzwekken oder dergleichen verwendet wird; diese Wirkung kann durch verstellbare Leitschaufeln noch vergrößert werden.

Auf diese Weise ist es möglich, die spezifische Belastung der Verdichterturbine bei Teillastbetrieb zu erhöhen, wodurch sich die Turbinentemperatur erhöht so daß sich der spezifische Kraftstoffverbrauch verringert 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.

Fig. 12 läßt erkennen, auf welche Weise eine aerodynamische Bremswirkung allein mit Hilfe des Turbmensystems 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 Leitschaufein 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

ίο System von sich gegenläufig drehenden Gebläsen oder Verdichtern arbeiten.

F i g. 13 zeigt die gleiche Anordnung wie F i g. 1 bis 12, jedoch in Verbindung mit einem Leitschaufelsystem.
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 Hauptturbine 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

jo sich, wie weiter unten erläutert, nach dem Verwendungszweck und dem jeweils gewünschten Betriebsverhalten.

Fig. 14 zeigt auf welche Weise eine Verbindung zwischen 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 Anwendungsfällen 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.

F i g. 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, hydraulische, pneumatische oder elektrische Kraftübertragungsvorrichtungen verbunden.

Ferner kann die Hilfsturbine mit einer zweiten Verdichterstufe ausgerüstet oder verbunden sein, die zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs im Stillstand oder im Leerlauf oder dann, wenn nur Hilfsgeräte angetrieben zu werden brauchen, allein in Betrieb gesetzt werden kann. Diese zweite Verdichterstufe bewirkt unter normalen Betriebsbedingungen eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses, und sie ermöglicht es, den Wärmetauscher zu verkleinern oder ganz fortzulassen.

Aus der vorstehenden Beschreibung der Grundgedanken der Erfindung an Hand von F i g. 1 bis 14a ist die gemäß der Erfindung erzielbare Anpassungsfähigkeit eines Gasturbinentriebwerks nach der Erfindung ersichtlich. In den weiteren Figuren sind zwei Hauptausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Gasturbinentriebwerke dargestellt

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 F i g. 43 noch näher zu beschreibende Freilauf- oder Rutschkupplung 55 oder eine andere verstellbare Kraftübertragungsvorrichtung vorgesehen.

Bei der ersten Konstruktionsart kann man den Gaserzeugerteil 24 allein als ein Aggregat mit einem einzigen Läufer und/oder mit zwei Läufern betreiben und ihn dann gemäß Fig. 15 und 16 mit einer freien Leistungsturbine 25 oder gemäß F i £. 17 nur mit einer Krafiuberiragungsvorrichtung kombinieren.

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.

Nachstehend wird an Hand der in Fig.21 bis 28 wiedergegebenen graphischen Darstellungen näher auf die wichtigsten Leistungs- und Betriebseigenschaften der erfindungsgemäßen Gasturbinentriebwerke eingegangen.

F i g. 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, für den die Kurve c gilt. Während der durch a bezeichneten Phase unterstützt die Hilfsturbine 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 zugeführte Drehmoment nur mit der ersten Pctenz verringert, so daß auf diese Weise die Möglichkeit besteht, die Beschleunigung weiter zu verbessern.

Fig.22 zeigt durch einen Vergleich zwischen den Kurven d und e die Verbesserung der Drehmomentkennlinien bei niedrigen Drehzahlen für den Fall, daß die Hilfsturbine dazu dient, die Leistungsturbine zu unterstützen. Weitere der Kurve / 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 Getriebe vorsieht

Fig. 23 veranschaulicht die Beschleunigungscharakteristik hi für den Fall, daß die Hilfsturbine nur auf der Hauptturbinenseite benutzt wird, während die Kurve A₂ für den Fall gilt, daß die Hilfsturbine zuerst auf der Verdichterseite und dann auf der Leistungsturbinenseite oder gleichzeitig auf beiden Seiten benutzt wird, was z. B. gemäß der weiter unten gegebenen Beschreibung mit Hilfe stufenlos verstellbarer Getriebe möglich ist Die Kennlinie g\ gilt für ein Gasturbinentriebwerk bekannter Art

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 eund ei der statischen bzw. der dynamischen Drehmomentkurve eines Gasturbinentriebwerks bekannter Art mit nur einer Turbine, während die Kurven d und d\ entsprechend für eine durch eine Hilfsturbine unterstützte Leistungsturbine gelten; die Kurve cfc gibt das dynamische Drehmoment bei einem Triebwerk wieder, das einen durch eine Hilfsturbine unterstützten Gaserzeuger und eine Leistungsturbine umfaßt. Die Kurve t/₃ veranschaulicht eine Beschleunigung, die von der vollen Drehzahl des Gaserzeugers ausgeht, wobei mit einer Überlagerung 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.

F i g. 25 veranschaulicht die Motorbremswirkungskennlinien verschiedener erfindungsgemäßer Anordnungen im Vergleich zu einem Triebwerk bekannter Art, bei dem die Bremswirkung Ic₀ der Leistungsturbine vernachlässigbar gering ist. Die Bremswirkung kann jedoch etwas verbessert werden, wenn man die Leistungsturbine mit verstellbaren Düsen ausrüstet. Die Kurve k\ veranschaulicht die, Bremswirkung des Verdichters, während die Kurve k₂ die Bremswirkung eines Verdichters mit verstellbaren Düsen wiedergibt und die Kurve A₃ eine weitere Zunahme der Bremswirkung durch eine zusätzliche aerodynamische Abbremsung mit der Hilfsturbine erkennen läßt Zu Vergleichszwecken ist das maximale Antriebsdrehmoment c/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

Fig.26 zeigt den spezifischen Kraftstoffverbrauch bei Teillast für ein bekanntes Turbinensystem f\ und zwei erfindungsgemäße Turbinensysteme, von denen das System £ ohne verstellbare Leitschaufeln und verstellbare Getriebe arbeitet, während das System /j mit verstellbaren Leitschaufeln und Getrieben ausgerüstet ist Die entsprechenden Turbinentemperaturen sind durch die Kurven fi, i2 und f3 wiedergegeben. Ferner ist die Wirkung der Hilfsturbine auf den Kraftstoffverbrauch im Leerlauf, die mit SFC₃ bezeichnet ist, mit dem Leerlauf-Kraftstoffverbrauch SFCi 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 Leitschaufeln und der Übertragung der Leistung der Hilfsturbine.

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 geschützt werden kann, wie es weiter unten näher erläutert ist

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 zurückzuführendes Drehmoment oder ein Drehmoment ausgenutzt wird, das der Hauptkraftübertragungsvorrichtung oder dem Gaserzeuger entnommen wird.

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 abgestuftem 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 noclti weniger Raum beanspruchende Kombinationsgetriebe mit auf der Innenseite verzahnten Zahnrädern zeigen, bei denen die Kraftabgabewelle gegen die Turbinenwellen versetzt ist.

F i g. 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 Übersetzungsverhältnis 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 Trägheitswirkung 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.

Fig.30 zeigt eine Anordnung, die es bei ein und derselben Konstruktion grundsätzlich ermöglicht, jede beliebige der vorstehend erwähnten Charakteristiken in Abhängigkeit von den Betriebserfordernissen auszunutzen. Bei dieser Ausführungsform ist eine Kupplung zum Ausrücken des Freilaufs 28 vorgesehen.

F i g. 31 zeigt, auf welche Weise das Turbinensystem mit zwei Kränzen von verstellbaren Leitschaufeln ausgerüstet werden kann, um eine vollständige Regelung der Leistungsaufteilung zwischen der durch die Hilfsturbine angetriebenen Abtriebswelle 14 und der die Hauptabtriebswelle 12 treibenden Hauptturbine zu erzielen. In diesem Fall kann die Leistung der einen Turbine stufenlos zwischen 0 und 100% und die Leistung der anderen Turbine gleichzeitig zwischen 100 und 0% 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

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.

F i g. 33 zeigt eine den Anordnungen nach F i g. 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 32a Gebrauch

ίο gemacht wird, sowie einen zweiten Teil 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 Übersetzungsverhältnis stufenlos veränderbar ist. Ferner ist es möglich, ein mit Rutschkupplungen versehenes abgestuftes Getriebe zu verwenden.

Fig.34 zeigt ein Differential-Planetenrad-Verbindungsgetriebe 34 mit einem stufenlos verstellbaren Getriebe 35, das so eingerichtet ist, daß die Hilfsturbine 5 die Abtriebswelle 14 und das Sonnenrad 36 des Differentialgetriebes entgegengesetzt zur Drehrichtung der Hauptabtriebswelle 12 und des daran befestigten Zahnkranzes 37 antreibt. Die Antriebswelle des verstellbaren Getriebes wird von dem Untersetzungsgetriebe der Hilfsturbine aus angetrieben, und das Reaktionsdrehmoment wird von der Hauptabtriebswelle 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 Ausführungsbeispielen ist die Hauptabtriebswelle 12 gleichachsig mit den Turbinenwellen angeordnet.

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 Leistungsturbine mit aerodynamischer Turbinenregelung, 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 außenverzahnte 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 Hauptabtnebswelle 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.

F i g. 36 zeigt eine Anordnung ähnlich derjenigen nach F i g. 30, bei der jedoch ein Freilauf 28 und eine Kupplung 29 ähnlich den im Zusammenhang mit F i g. 35 beschriebenen vorgesehen sind. Gegebenenfalls kann man ebenso wie bei der Anordnung nach F i g. 35 in die Verbindung zu der Abtriebswelle 12 ein umsteuerbares Getriebe einschalten.

F i g. 37 zeigt eine Anordnung, die derjenigen nach F i g. 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 Fail einen innenverzahnten Zahnkranz 45.

F i g. 38 zeigt die gleiche grundsätzliche Anordnung wie Fig.37, bei der jedoch der Freilauf und die Reibungskupplungen ähnlich wie bei der Anordnung nach F i g. 33 durch ein stufenlos verstellbares Getriebe 32, 33 ersetzt sind. Außerdem kann mit Hilfe eines verbundenen Kraftübertragungssystems 32a, 32b Energie zwischen dem Gaserzeuger und den Kraftabgabewellen übertragen werden.

Fig.39 zeigt wiederum eine Anordnung ähnlich derjenigen nach F i g. 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.

F i g. 40 zeigt eine Anordnung, die auf der in F i g. 14 gezeigten grundsätzlichen 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 zusammenarbeitet Die Bremsbänder und der äußere Freilauf arbeiten in der an Hand von F i g. 29 und 30 bezüglich der Kupplungen und des Freilaufs beschriebenen Weise.

Fig.41 zeigt eine Anordnung ähnlich derjenigen nach F i g. 40, bei der jedoch die Hilfsturbine 5 in der Strömungsrichtung hinter der Hauptturbine 7 angeordnet ist, wobei ein Planetenzahnradgetriebe 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 wild. Die Unterbrechung 54 zwischen den Wellen 2 und 15 deutet an, daß die Möglichkeit besteht, einen Antrieb54a(F i g. 4Ja) für einen Vorverdichtungsläufer des Verdichters 1, d. h. eine Laderstufe 54b, vorzusehen, die mit dem Gaserzeuger direkt oder über einen Freilauf verbunden ist

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 entgegengesetzter Drehrichtung umlaufen. Das Planetenzahnradgetriebe ist zu diesem Zweck entsprechend ausgebildet

F i g. 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 Haupiturbine und ein stufenlos verstellbares Getriebe vorgesehen sind.

Die Anordnung ist die gleiche wie die in Fig.36 dargestellte, doch ist keine Kupplung zum Verriegeln der Freilaufkupplung vorgesehen. Die Kraftübertragungsvorrichtung zwischen der Hilfsturbine und dem Läufer des Gaserzeugers ist vereinfacht und umfaßt eine Freilaufkupplung und eine Verriegelungskupplung, wobei in die Verbindungsweile 15 eine Rutschkupplung 55 eingeschaltet ist Die Leitschaufeln 22 und 23 der Hilfsturbine und/oder der Hauptturbine können entsprechend den jeweiligen Erfordernissen auch als feste Leitschaufeln ausgebildet sein.
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.

Bei dieser Arbeitsleistung als Gebläse kann die Hilfsturbine auch dazu beitragen, den Mengendurchsatz 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

Hilfsturbine angeordnet sind. Fig.43a zeigt eine der Anordnung nach Fig.43

so ähnelnde Anordnung, bei der jedoch das Untersetzungsund 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
Die in Fig.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 Freilaufkupp-

lung und die Verriegelungs- oder Rutschkupplung 55a für die aerodynamische Übertragung der Energie der Hilfsturbine angeordnet Somit kann man verschiedene Zahnräder, Wellen, L^ger und andere Getriebeteile fortlassen, so daß sich eine sehr wenig Raum s beanspruchende Anordnung ergibt Die Hauptturbinenwelle 8 ist als Hohlwelle ausgebildet und umschließt die beiden Wellen 6 und 5S.

Fig.45 zeigt wiederum die gleiche Anordnung, bei der jedoch die Freilaufkupplung und die Kupplung 556 ic in einem Hilfsgetriebegehäuse vor dem Verdichter 1 angeordnet sind. In diesem Fall ist die Hüfsturbinenwel-Ie 6 mit einer Verlängerung 4 versehen, die durch die als Hohlwelle ausgebildete Verdichterturbinenwelle 2 ragt Diese Konstruktion ermöglicht die Fortlassung einer ts 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, doch ist dies gewöhnlich ohne Schwierigkeiten möglich. 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.

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 verstellbares 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.

F i g. 47 zeigt die gleiche grundsätzliche Anordnung wie F i g. 46, doch ist gemäß F i g. 47 in die Abtriebswelle 14 ein zu einer Einheit zusammengefaßtes verstellbares Getriebe 35 eingeschaltet

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 so wird von der Hilfsturbine 5 und dem zur Vervielfachung des Drehmoments dienenden Planetenzahnradgetriebe 57 aus der Hauptabtriebswelle 12 zugeführt, so daß die Hilfsturbine die Hauptturbine beim Beschleunigen der Last unterstützt; die Verbindungen zwischen der Verdichterturbine 3 und der Hilfsturbine 5 sind wieder in der zuvor beschriebenen Weise ausgebildet

F i g. 49 zeigt eine Variante des Systems nach F i g. 48, bei dem jedoch der Planetenradträger und die Kupplungsanordnung durch ein verstellbares Getriebe 35 ersetzt ist Das Getriebe 35 ist mit einem Differential- und Planetenzahnradgetriebe 60 so kombiniert, daß das Drehmoment des verstellbaren Getriebes vergleichsweise klein ist um so einen hohen Gesamtwirkungsgrad bei kleinen Abmessungen der Konstruktion zu erzielen. Wsnn 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

F i g. 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 Haupttiubine als auch den Verdichter über das Planetenzahnradgetriebe und die Freilaufkupplung 55 der äußeren Welle 15 unterstützt Selbst bei einer hohen Drehzahl des Verdichters kann die Hiifsturbine immer noch Energie sowohl dem Verdichter als auch der Hauptturbine zuführen, wobei die Energiemenge mit Hilfe der verstellbaren Leitschaufeln 23 der Hilfsturbine kontinuierlich geregelt wird.

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 Hilfsturbine 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 Belastung 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 F i g. 50 ebenfalls auf der kühleren Abgasaustrittsseite angeordnet sind. Um den Wirkungsgrad der Abgasturbine und die Ausnutzung des Drucks zu verbessern, kann die Hilfsturbine gemäß F i g. 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 ausrüstet, die z. B. gemäß F i g. 40 zwischen dem Sonnenrad und dem Planetenradträger angeordnet sein kann.

Fig.51 und 51a zeigen die gleiche Anordnung wie F i g. 50, wobei jedoch auf der Hauptturbinenseite die Getriebeanordnung in der Verbindung zwischen der Hilfsturbine und dem Läufer des Gaserzeugers abgeändert ist. F i g. 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 bt die Hauptturbine 7 mit verstellbaren Leitschaufeln 22 und die Hilfsturbine 5 mit festen oder verstellbaren Leitschaufeln 23a ausgerüstet

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

F i g. 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 Einlaßseite der Hauptturbine zu variieren, oder sie kann einfach als Abgasturbine arbeiten, was durch die Verwendung verstellbarer Düsen der Hauptturbine ermöglicht wird.

Fig.54 zeigt eine Anordnung ähnlich derjenigen nach F i g. 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

F i g. 55 zeigt eine Anordnung, bei der die Kraftübertragung 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 Hilisgetriebegehäuse 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 Planetenraclgetriebe mit drei Vorwärtsgängen, jedoch ohne Rückwärtsgang enthält Man kann jedoch einen oder mehrere Rückwärtsgänge vorsehen, wenn man eine verriegelbare Kupplung benutzt, die z. B. zwischen den beiden Sonnenzahnrädern angeordnet ist, sowie ein Zwischenzahnrad zwischen dem vorderen Sonnenzahnrad oder dem vorderen Zahnkranz und den einen Heineren Durchmesser aufweisenden abgestuften Planetenrädern. Ferner kann 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. zurückgenommen worden ist; entsprechend werden die beiden Kupplungen wieder ausgerückt sobald die Drossel betätigt wird und/oder sich die Last bewegt

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 ist 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 Motor ausgebildet sein, and wie zuvor kann man die Möglichkeit der Umsteuerung vorsehen. Weiterhin ist es möglich, ein Reibungsgetriebe oder ein hydrodynamisches Getriebe vorzusehen. Alle diese Getriebe können von einfacher Konstruktion mit geradliniger Kraftübertragung oder als mit einer Drehmomentunterteilung 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. F i g. 56 zeigt anstelle von Kupplungen Bremsbänder 63a; die jeweilige Wahl richtet sich in erster Linie nach dem in radialer Richtung verfügbaren Raum.

F i g. 57 und 58 zeigen zwei Ausführungsformen des Leistungsturbinensystems 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.
In beiden Fällen sind verstellbare Leitschaufeln vorgesehen, damit die Bremswirkung auf eine noch an Hand von Fig.65 bis 70 zu beschreibende Weise verstärkt werden kann. Die Anordnungen nach F i g. 57 und 58 umfassen eine schematisch angedeutete Vorrichtung 68, durch die das Untersetzungsgetriebe und das Turbinensystem gegen Stoßbelastungen gesichert werden, die durch die Hauptlast oder die durch die Hilfsabtriebswelle angetriebene Last hervorgerufen werden können.
An Hand der weiteren Fig.59 bis 70 werden die

so 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 Leitschaufeln 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 zur Beseitigung des Dralls in den Abgasen sowie mit mit niedrigen Drehzahlen arbeitenden Verbindungs- und Planetenzahnradgetrieben. Hierdurch werden die Schwierigkeiten vermieden, die sich andernfalls infolge der großen Fliehkräfte der Ritzel, hoher Energieverluste und einer schnellen Abnutzung der Ritzel von mit hohen Drehzahlen arbeitenden Planetenzahnradgetrieben ein-

stellen. Außerdem kann die Hilfsturbine in der weiter oben schon kurz angedeuteten Weise verschiedene Aufgaben übernehmen. Einige weitere derartige Aufgaben werden im folgenden näher behandelt

Fig.59 veranschaulicht das relative Drehmoment Verhältnis T*₂ und den Wirkungsgrad ij, die bei der Hilfsturbine II (S) erzielt werden, wenn die Hilfsturbine die Hauptturbine I (7) im unteren Drehzahlbereich bei feststehenden Leitschaufeln der Hauptturbine unterstützt, wobei die Hilfsturbine nicht mit Leitsehaufelri oder einem Düsenkranz ausgerüstet ist Die Linie 7*i zeigt das Drehmomentverhältnis einer herkömmlichen Anlage ohne Hilfsturbine.

F i g. 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 erfolgit 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 F i g. 63 bis 67 dargestellt ist, arbeitet die Hauptturbine wie ein normaler Leitschaufelkranz für die Hilfsturbine, die ihrerseits die Aufgabe eines Abgasdiffusors übernimmt. Sie erhöht das Druckverhältnis zwischen Ein- und Ausgangsseite der Hauptturbine und sie verringert die Abgasverluste und damit auch die gesamten Druckverluste, so daß der Mengendurchsatz des ganzen Turbinensystems erhöht wird. In F i g. 60 sind auch dio Strömungsgeschwindigkeiten am Ausgang der Hilfstur ■ bine II (S) dargestellt.

Der theoretische Wirkungsgrad eines eine Leistungsturbine und eine Hilfsturbine und verstellbare Leitschaufeln umfassenden Aggregats ist in Fig.61 dargestellt, während F i g. 62 die theoretischen Drehmomentcharakteristiken des Turbinensystems für den Fall der Verwendung fester bzw. verstellbarer Leitschaufeln veranschaulicht

F i g. 63 zeigt in einer graphischen Darstellung den spezifischen Kraftstoffverbrauch des kombinierten Turbinensystems als Funktion der relativen Abtriebsdrehzahl, während F i g. 64 den spezifischen Kraftstoffverbrauch eines Turbinensystems mit verstellbaren Leitschaufeln in Abhängigkeit von der relativen Leistungsabgabe zeigt.

Die allgemeine Leistung des Turbinensystems bei feststehenden Leitschaufeln und die Bremswirkung, die bei umgestellten Leitschaufeln und auf aerodynamischem Wege unter Benutzung der Turbine als Bremse erzielt wird, sind in Fig.65 dargestellt. Die Turbinen- und Getriebeanordnung bei Benutzung einer Turbine nach F i g. 65 unter zusätzlicher Verwendung verstellbarer Leitschaufeln und einer aerodynamischen Reaktionsbremse sowie einer Hilfskraftabgabewelle ist in

F ig. 66 gezeigt

Fig.67 bis 70 zeigen Vektordiagramme bzw. Geschwindigkeitspläne der Strömungsgeschwindigkeiten, die für die Turbinen und das Planetenzahnradgetrie-

s be nach F i g. 66 gelten.

In jeder der Fig.67 bis 70 ist jeweils ein Geschwindigkeitsplan für die Hauptturbine I und für die Hilfsturbine II dargestellt, der die Strömungsgeschwinditkeiten für die Eingangs- und die Ausgangsseiten der

ίο Turbinen in üblicher Weise unter Verwendung von im Strömungsmaschinenbau allgemein üblichen Bezeichnungen darstellt

F i g. 67 und 68 veranschaulichen die Situation für den Punkt A (Stillstandspunkt) in F i g. 65 und für den Punkt

B bei der ersten Phase, bei der beide Turbinen nach F i g. 65 Arbeit leisten, während F i g. 69 die Situation für den Punkt fder zweiten Phase wiedergibt, bei der allein die Turbine I arbeitet, Fig.70 veranschaulicht die Situation am Punkt C in F i g. 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-posi
Die Hilfsabgasturbine kann so ausgebildet sein, daß sie einen geringeren, jedoch immer noch erheblichen Drall der Abgase in der Rückwärtsrichtung bewirkt, d. h. entgegen der Richtung der aus der Hauptturbine austretenden Gase. In diesem Fall ist der Drall vorzugsweise weniger als halb so groß wie der zuletzt genannte Drali, so daß der Energieinhalt weniger als 25% beträgt

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 F i g. 60 dargestellt ist, so daß der Drall ständig nach beiden Seiten gegenüber der Nullinie variiert.

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.

Fig.63 und 64 zeigen den entsprechenden Gewinn bezüglich des spezifischen Kraftstoffverbrauchs SFC in Abhängigkeit vom Drehzahlverhältnis bz'v. dem Leistungsverhältnis bei dem Hilfsturbinensystem und bei der Verwendung verstellbarer Leitschaufeln in Verbindung mit einer mechanisch-aerodynamischen Kraftübertragung.

Fig.65 bis 70 veranschaulichen die grundsätzliche Arbeitsweise des Turbinensystems und des mit niedriger Drehzahl arbeitenden Planetenradgetriebes ohne Kraftübertragungsvorgänge sowie die gemäß F i g. 70 nur mit Hilfe der Hauptturbine bewirkte »aerodynamische Abbremsung« mit Hilfe verstellbarer Leitschaufeln, jedoch ohne Benutzung der Reaktionsbremse BR.

Hierzu 26 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gasturbinentriebwerk, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem aus einem Verdichter, eimer diesen antreibenden Verdichterturbine und einer Brennkammer bestehenden Gaserzeuger, mit einer Nutzleistungsturbine und mit einer weiteren Turbine, deren Läufer ebenfalls von den vom Gaserzeuger gelieferten Gasen beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Turbine eine Hilfsturbine (5) ist, deren Leistung wahlweise auf den Verdichter (1) und/oder auf den Abtrieb (11) der Nutzleistungsturbine (7) oder auf Sonderantriebe (10,14) übertragbar ist (z. B. F i g. 2).

2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsturbine (5) in Strömungsrifhtung vor der Nutzieistungsturbhre (7) angeordnet ist

3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzleistungsturbine χ (7) in Strömungsrichtung vor der Hilfsturbine (5) angeordnet ist

4. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß vor dem Einlaß der Nutzleistungsturbine (7) verstellbare Leitschaufeln (22) angeordnet sind (z. B. F i g. 29,30).

5. Gasturbinentriebwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einlaß der Hilfsturbine (5) verstellbare Leitschaufeln (23) angeordnet sind (z. B. F i g. 37,38).

6. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet daß die Läufer der Nutzleistungsturbine (7) und der Hilfsturbine (5) im Strömungsweg unmittelbar hintereinander angeordnet sind (z. B. F i g. 29,30).

7. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß die Leistung von der Hilfsturbine (5) zu dem Gaserzeuger (1,3, 20, 21) durch einen Teil des Kraftübertragungsweges der Nutzleistungsturbine (V) über ein vorzugsweise als mit variabler Drehzahl arbeitendes Getriebe (9) übertragbar ist.

8. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß die Läufer der Nutzleistungsturbine (7) und der Hilfsturbine (5) auf konzentrischen Wellen angeordnet sind und jede dieser Wellen mit einem gesonderten Untersetzungsgetriebe verbunden ist (z. B. F i g. 29,30).

9. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung von der Hilfsturbine (5) auf die Nutzleistungsturbine (7) über eine Freilaufkupplung (28) übertragbar ist (z. B.

F ig. 29,30).

10. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Freilaufkupplung (28) eine Sperrvorrichtung (Kupplung 30) zugeordnet ist (z. B. F i g. 30).

11. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kraftübertragungsweg zwischen der Hilfsturbine (5) und der Freilaufkupplung (28) eine Schaltkupplung (29) zum Unterbrechen dieses Kraftübertragungsweges eingeschaltet ist (z. B. F i g. 29,30).

12. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die der Nutzleistungsturbine (7) und der Hilfsturbine (5) zugeordneten Untersetzungsgetriebe (11,13) zwei sich gegenläufig drehende Bauteile umfassen und Kupplungsvorrichtungen (67) derart vorgesehen sind, daß nach Wunsch jedes der beiden Bauteile mit der zugehörigen Abtriebswelle (12,14) verbunden werden kann (z.B. F ig. 58).

13. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet daß zur Leistungsübertragung von der Hilfsturbine (5) und/oder der Nutzleistungsturbine (7) nach außen und/oder zur jeweiligen anderen Turbine (5 oder 7) ein vorzugsweise hydraulisches oder elektrisches, stufenlos verstellbares Getriebe (32, 33; 35; 52) vorgesehen ist (z. B. F i g. 3334,40).

14. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet daß das stufenlos verstellbare Getriebe (32, 33; 35; 52) hinter einem mechanischen Untersetzungsgetriebe angeordnet ist (z.B. F ig. 38,39,40).

15. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet daß die Hilfsturbine (5) mit der Abtriebswelle der Nutzleistungsturbine (7) sowohl durch ein Differentialgetriebe (34) als auch durch ein stufenlos verstellbares Getriebe (35) verbunden ist und daß das Obersetzungsverhältnis des Differentialgetriebes durch das stufenlos verstellbare Getriebe bestimmt wird (z. B. F i g. 34).

16. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß die konzentrischen Weihin in entgegengesetzten Drehrichtungen umlaufen, und daß die Hilfsturbine (5) nicht nur mit der zugehörigen Abtriebswelle (10), sondern auch mit dem Kraftübertragungsweg der Nutzleistungsturbine (7) hinter einem die Drehrichtung ändernden und die Drehzahl verringernden Getriebe über eine Freilaufkupplung verbunden ist und daß Kupplungsvorrichtungen vorgesehen sind, die es ermöglichen, einen Antrieb sowohl in der Vorwärtsrichtung als auch in der Rückwärtsrichtung zu bewirken, wobei die Welle (8) der Nutzleistungsturbine (7) nach Bedarf mit der Hauptabtriebswelle (12) entweder direkt oder über den Hilfskraftübertragungsweg verbunden werden kann (z. B. F i g. 56).

17. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß das mit der äußeren Welle verbundene Untersetzungsgetriebe einen Zahnkranz (43) umfaßt der das mit der inneren Welle verbundene Untersetzungsgetriebe (45) umschließt (z. B. F i g. 39).