DE2010581A1

DE2010581A1 - Gasturbinenaggregat zum Antrieb von Fahrzeugen

Info

Publication number: DE2010581A1
Application number: DE19702010581
Authority: DE
Inventors: W Jurisch; D Mueller
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1970-03-06
Filing date: 1970-03-06
Publication date: 1971-09-16
Also published as: US3797232A; GB1303011A; FR2084274A5; US3744241A

Description

Patent- und Gebrauchsmusterhilfsanmeldung

Daimler-Benz Aktiengesellschaft

Stuttgart-Untertürkheira Daim 8381/4

Dr,W./Wi 27. Febr. 1970

Gasturbinenaggregat zum Antrieb von Fahrzeugen

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinenaggregat zum Antrieb von Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, mit einem Verdichter, einer Verdichterturbine und einer Arbeitsturbine.

Üblicherweise sind derartige Aggregate so aufgebaut, daß die auf der gleichen Welle mit dem Verdichter sitzende Verdichterturbine ausschließlich zur Erzeugung der Antriebsleistung für den Verdichter dient, während die Fahrleistung ausschließlich der Arbeits-' turbine entnommen wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Gasturbinenaggregat der eingangs genannten Art das Teillasterverhalten zu verbessern und eine Motorbremsung zu ermöglichen.

Die Erfindung besteht darin, daß die Verdichterturbine mit der von der Arbeitsturbine angetriebenen Abtriebswelle kuppelbar ist. Hierdurch kann der spezifische Verbrauch bei Teillastbetrieb verbessert werden, da dann ein Teil der Verdichterturbinenleistung auf die Abtriebswelle übertragen werden kann. Außerdem erhält man eine Motorbremswirkung, da über die angekuppelte Verdichterturbine der Verdichter Leistung aufnehmen und vernichten kann.

Um zu erreichen, daß die Leistungsübertragung nicht nur bei ver-

109838/0980

- 2 - Daim 8381/4

ringerten Fahrgeschwindigkeiten wirksam wird und um eine über einen bestimmten Bereich weitgehend konstante Bremswirkung zu erhalten, kann in besonders vorteilhafter Weise zwischen Verdichterturbine und Abtriebswelle eine Untersetzung vorgesehen sein, die für das Motorbremsen regelbar auf eine negative und für das Teillastfahren auf eine positive Drehzahldifferenz zur Arbeitsturbine schaltbar ist. Hierdurch wird sichergestellt, daß bei allen Fahrzeuggeschwindigkeiten von der Verdichterturbine auf die Abtriebswelle Leistung übertragen werden kann, während beim Motorbremsen die Bremswirkung dadurch gesteigert wird, daß durch die regelbare Drehzahldifferenz der Verdichter auf einer hohen Drehzahl gehalten werden kann, so daß seine Leistung zur Aufnahme von Energie über einen bestimmten Zeitraum voll ausgenutzt werden kann.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung erhält man, wenn in der Getriebeuntersetzung zwischen Arbeitsturbine und Abtriebswelle eine Kupplungshälfte einer regelbaren Flüssigkeitskupplung angeordnet ist, deren andere Kupplungshälfte über eine zweistufig schaltbare Untersetzung mit der Verdichterturbine verbunden ist. Durch Füllen der Flüssigkeitskupplung und durch Umschalten der Untersetzung kann gewählt werden, ob die Leistung der Verdichterturbine noch zur Steigerung der Antriebsleistung ausgenutzt werden soll bzw. ob eine erhöhte Motorbremswirkung erzielt werden soll. Zweckmäßigerweise können für die Umschaltung der Untersetzung und für die Füllung der Flüssigkeitskupplung ein Bremshebel o. dgl. und ein Teillastregler vorgesehen sein.'

Eine baulich vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung erhält man, wenn die Untersetzung aus einem Planetengetriebe besteht, dessen Außenrad für Teillastfahrt gebremst ist, während es für Motorbremsung über einen Freilauf unmittelbar mit der einen Kupplungshälfte verbunden ist. Hierdurch lassen sich in einfacher Weise die ge-

- 3 -109838/0980

- 3 - Daim 8381/4

wünschten Drehzahldifferenzen verwirklichen.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Arbeitsturbihe außer der Abtriebswelle zwei Kupplungshälften von zwei regelbaren Flüssigkeitskupplungen mit unterschiedlichen Untersetzungen antreiben, deren zugehörige Kupplungshälften an die Verdichterturbine angeschlossen sind. Durch die Wahl, welche Flüssigkeitskupplung eingesetzt werden soll, lassen sich bei dieser Ausführungsform die gewünschten positiven.oder negativen Drehzahldifferenzen erzielen, ohne daß eine Umschaltung eines mechanischen Untersetzungsgetriebes erforderlich ist.

In baulich vorteilhafter Weise können die von der Verdichterturbine angetriebenen Kupplungshälften miteinander verbunden sein und mit den zugehörigen, von der Antriebsturbine angetriebenen Kupplungshälften eine doppelte Flüssigkeitskupplung bilden. Zweckmäßigerweise sind für die Regelung der Flüssigkeitskupplungen ein Bremshebel o. dgl. und ein Teillastregler vorgesehen, die die Füllung der Flüssigkeitskupplungen steuern.

Um bei beiden Ausführungsformen zu erreichen, daß die Verdichterturbine und der Verdichter bei der Motorbremsung nicht überdreht werden, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Füllmenge der Flüssigkeitskupplung beim Motorbremsen über einen an die Antriebsturbine angeschlossenen Drehzahlbegrenzer regelbar sind. i

In der Zeichnung ist die Erfindung in zwei Ausführungsformen beispielsweise dargestellt.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Grasturbinenaggregates,

109838/0980

- 4 - Daim 838i/4

Figur 2 eine andere Ausführungsform der Erfindung,

Figur 3 ein Diagramm zur Darstellung der übertragbaren Leistung bei einem Gasturbinenaggregat nach Fig. 1 oder 2 und

Figur 4 ein Diagramm zur Darstellung der erzielbaren Motorbreraswirkung bei einem Gasturbinenaggregat nach Fig. 1 oder 2,

Das dargestellte Gasturbinenaggregat nach Fig. 1 besteht im wesentlichen aus einem Verdichter 1, der mit der zugehörigen Verdichterturbine 2 auf einer gemeinsamen Welle 3 sitzt, und einer Arbeitsturbine 4, die über eine Getriebeuntersetzung 5 an die Abtriebswelle 6 angeschlossen ist. Das Gas wird von dem Verdichter 1 mit P1, T1 angesaugt und auf P2, T2 verdichtet. Über einen Wärmeaustauscher 7, in dem es auf den Zustand P2¹, T2^f gebracht wird, wird das Gas einer Brennkammer 8 zugeführt» in dem es den Zustand P3» T3 erhält. Mit diesem Zustand wird es in die Verdichterturbine 2 eingeführt, wo es sich auf den Zustand P4, T4 entspannt. Hierbei wird die für den Verdichter 1 erforderliche Antriebsleistung erzeugt. Danach wird das Gas der Arbeitsturbine 4 augeführt, in der es auf den Zustand P5, Ϊ5 unter Abgabe von Leistung entspannt. Danach wird es über den Wärmetauscher 7 ins Freie geführt.

Üblicherweise drehen bei Gasturbinenaggregaten für Fahrzeuge der Verdichter 1 und die Verdichterturbine.2 sowie die Arbeitsturbine 4 sehr hoch. Beispielsweise können der Verdichter 1 und die Verdichterturbine 2 etwa eine Drehzahl von etwa 7OOOO min"" aufweisen, während dann die Arbeitsturbine 4 etwa 50 000 min"* erhält. Die hohe Drehzahl der Arbeitsturbine 4 muß üblicherweise zur Ab triebswelle 6 hin verringert werden. Dies geschieht über die Getriebeuntersetzung 5.

Um zu ermöglichen, daß die Leistung der Verdichterturbine 2 so-

109838/0980

- 5 - Daim 8381/4

wohl zusätzlich für die Antriebsleistung ausgenutzt werden kann, als auch um eine Motorbremswirkung zu erzielen,- ist die Verdichterturbine 2 erfindungsgemäß mit der Abtriebswelle 6 kuppelbar. Dies geschieht über eine regelbare Flüssigkeitskupplung 9, deren eine Hälfte 10 fest in der Getriebeuntersetzung 5 zwischen Arbeitsturbine 4 und Abtriebswelle 6 angeordnet ist und deren andere Hälfte 11 über eine zweistufige Untersetzung 12 mit der Verdichterturbine 2 verbunden ist. Hierfür ist die Welle 3 der Verdichterturbine 2 und des Verdichters 1 verlängert und über ein Planetengetriebe mit der Kupplungshälfte 11 verbunden. Von der Welle der Verdichterturbine wird über ein Zahnrad 13 der Steg 14 des Planetengetriebes angetrieben, dessen Außenrand 15 über eine Bandbremse 16 feststellbar ist und dessen Innenrad 17 mit der Kupplungshälfte 11 verbunden ist. Wenn die Bandbremse 16 gelöst ist, ist das Außenrad 15 über einen Freilauf 18 mit der Kupplungshälfte 11 verbunden. Zwischen der Verdichterturbine 2 und damit dem Verdichter 1 und der Kupplungshälfte 11 ist somit eine zweistufige Untersetzung 12 vorgesehen, die wahlweise derart schaltbar ist, daß die an die Verdichterturbine 2 angeschlossene Kupplungshälfte 11 gegenüber der mit der Arbeitsturbine 4 fest verbundenen Kupplungshälfte 10 eine positive oder negative Drehzahldifferenz aufweist. Jenachdem welche Be- . triebsbedingungen gewünscht werden, wird die Untersetzung geschaltet und die Flüssigkeitskupplung 9 gefüllt. Für Teillastfahrt wird die Bandbremse 16 geschlossen gehalten, so daß das Außenrad 15 des Planetengetriebes festgesetzt ist und die Kupplungshälfte 11 eine positive Drehzahldifferenz gegenüber der anderen Kupplungshälfte 10 aufweist. Für das Motörbremsen wird die Bandbremse 16 gelöst, ■so daß die Kupplungshälfte 11 über das Außenrad 15 des Planetengetriebes und den Freilauf.18 mit einer negativen Drehzahldifferenz zu der anderen Kupplungshälfte erhält.

Das Füllen der Flüssigkeitskupplung 9 und das Einschalten bzw. Lö sen der Bandbremse 16 erfolgt einmal über einen Bremshebel 19 o; dgl·» der einen Steuerschieber 20 betätigt, der einerseits über ei-

109838/0980 - 6 -

- ο - Daim 8381/4

nen Kraftkolben 21 auf die Bandbremse 16 wirkt und andererseits die Füllung der Flüssigkeitskupplung 9 steuert.

Bei Teillastfahrt wird von einer Ölpumpe 22 über einen Teillastkupplungsregler 23 der Flüssigkeitskupplung 9 Öl zugeführt, so daß die Verdichterturbine 2 über eine Untersetzung 12 Leistung auf die Abtriebswelle 6 übertragen kann.

Für das Motorbremsen wird der Flüssigkeitskupplung 9 über den Steuerschieber 20 öl von der ölpumpe 22 augeführt, während gleichseitig die Bandbremse Io gelöst wird, so daß der Verdichter 1 über die Verciichterturoine 2 und die zugehörige Untersetzung 12 Leistung aufnehmen kann«

Um während des Motorbremsens ein Überdrehen des Verdichters 1 und der Verdichterturbine 2 zu verhindern» ist ein Drehzahlbegrenzer 24 vorgesehen, der über Untersetaungsstufen 25 mit der Welle 3 des Verdichters 1 und der Verdichterturbine 2 verbunden ist. Dieser Drehzahlbegrenzer 24 ist derart in der hydraulischen Regeleinrichtung angeordnet, daß er die von dem Steuerschieber 20 beim Motorbremsen vorgegebene Füllmenge der Flüssigkeitskupplung 9 entsprechend dem erforderlichen Bedarf verringert.

Das Gasturbinenaggregat nach Fig. 2 entspricht in seinem thermodynamischen Aufbau vollständig dem Gasturbinenaggregat nach Fig. Die Arbeitsturbine 4 treibt über eine Getriebeuntersetzung 26 die Abtriebswelle 6 an„ Um auch hier eine Möglichkeit vorzusehen, die Abtriebswelle 6 mit der Verdichterturbine 2 zu kuppeln, ist eine doppelte Flüssigkeitskupplung 27 vorgesehen. Die beiden äußeren Kupplungshälften 28 und 29 der doppelten Flüssigkeitskupplung 27 sind derart in die Getriebeuntersetzung 26 zwischen Arbeitsturbine 4 und Abtriebswelle 6 eingebaut, daß sie von der Arbeitsturbine 4 mit unterschiedlicher Drehzahl angetrieben werden. Die beiden inneren Kupplungshälften 30 und 31 sind.fest miteinander verbunden und werden über eine Ge triebe stufe 32 unmittelbar von der über die

109838/0980

- 7 - " Daim 8381/4

Verdichterturbine 2 hinaus verlängerten Welle 3 des Verdichters 1 und der Verdichterturbine 2 angetrieben. Der Antrieb der äußeren Kupplungshälften 28 und 29 der doppelten Flüssigkeitskupplung 27 erfolgt derart, daß bei einem Ausführungsbeispiel die rechte Kupplungshälfte 29 eine positive Drehzahldifferenz zu den beiden inneren Kupplungshälften 30 und 31 aufweist, während die linke Kupplungshälfte 28 eine negative Drehzahldifferenz erhält.

Für die Teillastfahrt wird der in der Zeichnung rechts dargestellten Flüssigkeitskupplung 29» 31 von einer Ölpumpe 32 über einen Teillastkupplungsregler 33 Öl zugeführt. Der Teillastkupplungsregler 33 regelt, ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, die Füllmenge in Abhängigkeit von der Verdichterdrehzahl und der Brennkammertemperatur. In dieser Schaltstellung kann nun die Verdichterturbine 2 Leistung auf die Abtriebswelle 6 übertragen.

Für den Motorbremsvorgang wird über einen Bremshebel 34 ο. dgl. ein Steuerschieber 35 betätigt, der eine Verbindung zwischen der Ölpumpe 32 und der linken Flüssigkeitskupplung 28, 30 freigibt. Hiermit wird ebenfalls die Verdichterturbine und damit der Verdichter mit der Abtriebswelle gekuppelt. Jedoch wird dabei eine durch die Füllmenge regelbare negative Drehzahldifferenz erzielt, so daß der Verdichter. 1 Leistung aufnehmen muß. Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist mit der Welle der Verdichterturbine ein Drehzahlbegrenzer 36 verbunden, der um ein Überdrehen des Verdichters 1 und der Verdichterturbine 2 zu verhindern die von dem Steuerschieber 35 freigegebene Füllmenge auf einen zulässigen Wert reduziert*

Bei beiden Ausführungsformen werden Flüssigkeitskupplungen 9, 28, 30, 29, 31 eingesetzt, die bei Abschalten der Ölzufuhr sich selbst entleeren.

109838/0980

- 8 - Daim 838i/4

In Fig. 3 ist dargestellt, wie bei den Gasturbinenaggregaten entsprechend den Figo 1 oder 2 eine Leistungsausnutzung bei Teillastfahrten in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit möglich ist. Über der Fahrgeschwindigksit V in Prozent, die in vier Gänge unterteilt ist, Bind die Drehsahlen n1 und n4 des Verdichters 1 und der Arbeitsturbine 4 ebenfalls in Prozent aufgetragen. Außerdem sind im Bereich des vierten Ganges die Nutzleistungen P bei verschiedenen Teillastbereichen dargestellt. Bei den verschiedenen Teillastkurven ist mit ausgezogenen Linien dargestellt, welchen Anteil an der Nutzleistung die Verdichterturbine 2 übernehmen kann, wenn die Verdichterturbine 2 mit der Abtriebswelle 6.und der Arbeitsturbine 4 in gleicher Drehzahl gekuppelt ist. Die gestrichelten Linien zeigen, welche Anteilsverteilung möglich ist, wenn eine positive Drehzahldifferenz an der Flüssigkeitskupplung 9 oder 29» 31 zwischen der Verdichterturbine 2 und der Arbeitsturbine 4 besteht. Der gekreuzt schraffierte Teil des Diagrammes läßt erkennen, daß es nur möglich ist, wenn die Arbeitsturbine und die Verdichterturbine mit der Abtriebswelle mit gleicher Drehzahl gekuppelt sind, bei verringerten Fahrgeschwindigkeiten V Leistung von der Verdichterturbine auf die Abtriebswelle zu übertragen. Demgegenüber läßt der schräg schraffierte Bereich erkennen, daß bei einer positiven Drehzahldifferenz auch bei hohen Fahrgeschwindigkeiten V und Teillastfahrten ohne weiteres von der Verdichterturbine 2 Leistung übertragen werden kann.

In Fig. 4 ist über den durch Gange unterteilten und in Prozent aufgetragenen Fahrgeschwindigkeiten V die Bremsleistung PB des Verdichters 1 ebenfalls in Prozent aufgetragen. Die ausgezogen dargestellte Kurve 37 zeigt die von dem Verdichter aufnehmbare Leistung für den Fall, daß die Abtriebswelle mit gleicher Drehzahl an die Verdichterturbine gekuppelt ist. Es wird deutlich, daß die Bremsleistung PB sehr rasch mit der Fahrgeschwindigkeit absinkt, so daß eine günstige Bremsung nur über einen sehr kleinen Fahrge-BChwindigkeitsbereich erreicht werden kann. Die gestrichelt dar-

109838/0980

— j —

201058

-9- Daim 8381/4

gestellte Kurve 38 zeigt, daß die Bremsleistung Pg des Verdichters erheblich gesteigert werden kann, wenn eine Drehzahldifferenz zwischen der Abtriebswelle 6 und der Verdichterturbine 2 eingehalten werden kann, wobei durch die Füllungsregelung der Flüssigkeitskupplung 9 bzw. 28, 30 die maximale Drehzahl des Verdichters 1 über einen größeren Bereich eingehalten werden kann, in dem seine maximale Leistung als Motorbremsleistung Bg erzielbar ist. In diesem Bereich beträgt die Bremsleistung Pg des Verdichters 1 nahezu 100 ^. Das Absinken der Bremsleistung erfolgt dann bei erheblich niedrigeren Fahrgeschwindigkeiten . In diesem Fall muß dann in den nächst niedrigeren Gang geschaltet werden. Der gerade verlaufende Anteil der gestrichelten Kurve 38 beruht auf der Wirkung des Drehzahlbegrenz'ers bzw. 36, der ein Überdrehen des Verdichters 1 verhindert. Die Drehzahldifferenz wird in beiden Richtungen etwa so gewählt, daß sie etwa 30 f» betagt, so daß beim Motorbremsen etwa die Bremsleistung Pg über eine Gangbreite konstant bleibt.

-10-109838/0980

Claims

Patent- und Schutzansprüche

1J Gastuibirieiiiggregat aura .Antrieb von Fahrzeugen, insbesondere Kraftfcvl-riieügex;, mit einem verdichter, einer Verdiehtertur-. bine und e'ir-^r A.rortiitsturbine.» dadurch gekennzeichnet, daß die yerdiülitärvurbir.G (2) mit dar von der Arbeitsturbine (4) aiigiicri^ot-rieu Aniriöbswello (6) kuppelbar ist.

2, ^astarbi:.iG-naggrv;:gat nach Aaripruch 1,. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Verdichterturbi-ie (2) und Abtriebswelle (6) eine untersstiiung vorgesehen ist, die für das Motorbremsen regelbar Hiif eine negative und für das ΐeillastfahren auf eine positive ]jreii2;ahldiiiorcri2 zur Arbeitsturbine (4) schaltbar ist.

3» Gasturbinenaggregat nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Getriebeuntersetzung (5) zwischen Arbeitsturbine (4) und Abtriebswelle (6) eine Kupplungshälfte (1O) einer regelbaren Flüssigkeitskupplung (9) angeordnet ist, deren andere Kupplungshälfte (11) über eine zweistufig schaltbare Untersetzung (12) mit der Verdichterturbine (2) verbunden ist. ■

4. Gasturbinenaggregat nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß für die Umschaltung der Untersetzung (12) und die Füllung der Flüssigkeitskupplung (9) ein Bremshebel (19) und ein Teillastregler (23) o. dgl. vorgesehen sein.

5. Gasturbinenaggregat nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Untersetzung (12) aus einem Planetengetriebe besteht, dessen Außenrand (15) für Teillastfahrt gebremst ist, während es für Motorbremsen über einen Freilauf (18) unmittelbar mit der einen Kupplungehälfte (11) verbunden ist.

109838/0980

— 11-

201058

-11- Daim 8381/4

6. Gasturbinenaggregat nach den Ansprüchen 1 lind 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsturbine (4) außer der Abtriebswelle (6) zwei Kupplungshälften (28, 29) von zwei regelbaren Flüssigkeitskupplungen mit unterschiedlichen Untersetzungen antreibt, deren zugehörige Kupplungshälften (30, 31) an die Verdichterturbine (2) angeschlossen sind.

7. Gasturbinenaggregat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Verdichterturbine (2) angetriebenen Kupplungshälften (30, 31) miteinander verbunden sind und mit den zugehörigen, von der Arbeitsturbine (4) angetriebenen Kupplungshälften (28, 29) eine doppelte Flüssigkeitskupplung (27) bilden.

8. Gasturbinenaggregat nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Regelung der Flüssigkeitskupplungen (28, 20; 29, 31) ein Bremshebel (34) o. dgl. und ein Teillastregler (33) vorgesehen sind, die die Füllung der Flüssigkeit skupplungen (28, 30; 29, 31) steuern.

9. Gasturbinenaggregat nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllmenge der Flüssigkeitskupplung (9; 29» 31) beim Motorbremsen über einen an die Verdichterturbine (2) angeschlossenen Drehzahlbegrenzer (34, 36) regelbar ist.

109838/0980