DE2101918C3

DE2101918C3 - Gasturbinentriebwerk mit einer elektrischen Übertragungseinrichtung zwischen Verdichter und Turbine

Info

Publication number: DE2101918C3
Application number: DE2101918A
Authority: DE
Inventors: Christian Paul Gilbert Antony Rioux (Frankreich)
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1970-01-15
Filing date: 1971-01-15
Publication date: 1975-08-21
Also published as: DE2101918B2; GB1340363A; FR2076450A5; US3705775A; DE2101918A1

Description

tionssymmetrisch ausgebildet sein, so daß er ein jedes Metall oder jede Metallegierung mit guter elekbesonders einfaches, leichtes und stabiles Bauteil dar- tnscher Leitfähigkeit verwendet werden, deren stellt da die mechanischen Kräfte gleichmäßig in ihm Schmelzpunkt unter der Temperatur hegt,,die das verteilt sind Das für die Betriebsweise einer solchen Metall oder die Legierung bei Betneb der Maschine Maschine erforderliche Induktionsfeld ist ebenfalls 5 annimmt, oder vorzugsweise unter der im Betrieb rotationssymmetrisch. Derartige Konfigurationen las- auftretenden kleinstmöglichen Umgebungstemperatur, sen sich in ganz besonders einfacher Weise erzielen. Die Forderungen bezüglich des elektrischen Wir-

Das Drehmoment der elektrodynamischen Kräfte kungsgrads und der zu übertragenden Leistung fuhren bezüglich der Drehachse ist maximal, wenn in jedem bei gegebener Drehzahl dazu, große Werte des Ma-Punkt des Ankers der Vektor der Stromdichte und io gnetflusses Φ zu verwenden. Um den Magnetfluß auf der Vektor des Magnetfelds aufeinander senkrecht einen wenig ausgedehnten Bereich zu konzentrieren stehen und in einer axialen Ebene liegen. Diese Be- und somit die Abmessungen des Ankers möglichst dineunKen lassen verschiedene Möglichkeiten für die gering zu halten, müssen starke Induktionsfelder in Wahl der Form eines wirksamen Ankers offen. Unter der Größenordnung von mehreren Tesla verwendet diesen möglichen Formen lassen sich zwei Grenzfälle 15 werden, die von supraleitenden Feldwicklungen erunterscheiden· zeagi werden können. Mit Hilfe von Induktionswicklungen, die beispielsweise von einer durch flüssiges

a) Unipolarmaschinen mit radialem Erregerfeld Helium in supraleitendem Zustand gehaltenen Niob-

Die Stromlinien müssen axial verlaufen, und der und Titanlegierung gebildet werden, lassen sich FeI- Anker kann die Form eines dünnen zylindrischen 20 der von acht bis neun Tesla herstellen. Mit Niob- Rings haben, dessen beide seitlichen Stirnflächen die und Zinnlegierung lassen sich Werte über 15 Tesla

elektrischen Kontaktflächen darstellen; erreichen.

Die supraleitenden Feldwicklungen können von

b) Unipolarmaschinen mit axialem Erregerfeld einem Ring geringer Dicke gebildet werden, der aus

Die Stromlinien müssen hier radial verlaufen, und 25 zusammengedrückten Windungen besteht, die auf der der Anker kann von einer dünnen homogenen Scheibe Drehachse des Ankers der Unipolarmaschine zeneebildet werden deren beide elektrische Kontakt- triert sind. Bei einer Maschine mit radialem Erregerflächen von den beiden konzentrischen Ringflächen, feld läßt sich das Feld mit Hilfe zweier solcher Wickdie sie begrenzen, gebildet werden. lungen herstellen, die beidseitig zu dem zylindrischen

Ganz allgemein ist die elektromotorische (oder 30 Anker angeordnet sind und von Strömen entgegengegenelektromotorische) Kraft E einer Unipolar- gesetzer Richtungen durchflossen werden. Bei einer maschine durch folgende Beziehung gegeben: Maschine mit axialem Erregerfeld können die Wick-

φ lungen in der gleichen Weise angeordnet werden, aber

E = , die Ströme durchfließen dann jede der Wicklungen

2 π 35 in der gleichen Richtung.

worin Φ den magnetischen Induktionsfluß, der den Der elektrische V erbrauch der supraleitenden Feld-

Anker durchdringt, ω die Winkelgeschwindigkeit des wicklungen ist vernachlässigbar. Er beschränkt sich Ankers und η = 3,1416 ist. ^au* den durch den Joule-Effekt hervorgerufenen Ver-

Die Verwendung von Unipolarmaschinen zur lust in den Abschnitten des Induktionskreises, die Energieübertragung zwischen der Turbine und dem 4° ^nicnt supraleitend sind, d.h. in den Verbindungen. Verdichter eines Gasturbinentriebwerks ist besonders Die Winkelgeschwindigkeit ω eines Unipolarmotors

vorteilhaft wegen ihres extrem hohen Leistung- kann in der Weise geregelt werden, daß auf die Strom-Gewicht-Verhältnisses, ihrer großen Einfachheit und stärke des die Feldwicklungen durchfließenden Stroihrer Rotationssymmetrie; ferner verleihen sie — wie mes eingewirkt wird, um den Magnetfluß Φ zu änweiter unten erläutert wird — dem Triebwerk ein 45 ^dern- ^{Wenn ma}n mehrere Unipolarmotoren verwenbesonders anpassungsfähiges Betriebsverhalten. Im det, die jeweils einen TeU oder eine Stufe des Verfolgenden werden einige besonders vorteilhafte Aus- dichtere antreiben, läßt sich die Drehzahl jedes der gestaltungen der Erfindung, die im wesentlichen Motoren für jeden Betriebszustand des Triebwerks durch die Verwendung von Unipolannaschinen be- derart ändern, daß der aerodynamische Wirkungsgrad dingt sind, näher erläutert. 50 des Triebwerks maximal ist Da die Stromstärke des

Die Stromstärke des Ankers eines Unipolarmotors, durch die Feldwicklungen fließenden Stromes verder ein Laufrad des Verdichters antreibt, sollte m bältnismäßig gering sem kann, brmgt die Steuer- oder der Größenordnung von 10« bis 10^s Ampere liegen. Regeleinrichtung zum Steuern oder Regeln der Strom-Bei den verhältnismäßig hohen Drehzahlen läßt sich stärke keine größeren technologischen Probleme mit das Problem, das durch die elektrische Berührung 55 ^sich·

des rotierenden Ankers mit seinen Stromzuführungen Besondere Eigenschaften der oben beschriebenen

entsteht, nicht durch die Verwendung eines her- Mittel bieten ferner die Möglichkeit, die Probleme, kömmlichen Kollektors mit Schleifring und Bürste die beim Ausgleich der aerodynamischen Kräfte auflösen, der auf Grund der Reibung und des Joule- treten, in besonders einfacher Weise zu lösen und Effekts verhältnismäßig große Verluste erzeugen 60 insbesondere die herkönunlicherweise zu diesem wurde Eine vorteilhafte Lösung besteht darin, einen Zweck verwendeten Lager wegzulassen. Ring aus flüssigem Metall zu verwenden, der von Genauer gesagt: Wenn die Stromlinien des durch

zwei leitenden Wänden begrenzt wird. Von diesen den Anker einer Unipolarmaschine fließenden Stroms leitenden Wanden bildet die eine den festen Teil und nicht in Axialebenen liegen, sondern bezüglich der die andere den umlaufenden Teil der elektrischen 6₅ Axialebene geneigt verlaufen, besitzen die entspre-Kontaktzone. Zu diesem Zweck kann beispielsweise chenden Laplace-Kräfte im allgemeinen eine von Null Quecksilber, eine Quecksilber-Indium-Legierung, ein verschiedene Axialkomponente. Die Axialkompo-Kalium-Natrium-Eutektikum oder ganz allgemein nente ist in jedem Augenblick dem Drehmoment der

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7 8

Maschine proportional. Andererseits ist im stationären Die Unipolarmaschinen einer erfindungsgemäßen Bereich die Axialkomponentc der aerodynamischen elektrischen Übertragungseinrichtung besitzen somit Kräfte eines Schaufelrads des Verdichters oder der nicht nur ein extrem hohes Leistung-Gewicht-VerTurbine ebenfalls dem Drehmoment, das aus diesen hältnis, große Einfachheit und Rotationssymmetrie, Kräften resultiert, im wesentlichen proportional. Dar- 5 was insbesondere eine äußerst kompakte Bauweise aus folgt, daß'man den Anker einer Unipolarmaschine ermöglicht, derart, daß die Unipolarmaschine in einen derart auslegen kann, daß die aerodynamischen Teil oder eine Stufe des Verdichters oder der Turbine Axialkräfte, die auf ein mit dem Anker verbundenes konstruktiv völlig integrierbar ist, ohne daß dadurch Schaufelrad oder eine Gruppe von Schaufelrädern die Masse oder die Außenabmessungen des Verdienausgeübt werden, in jedem stationären Betriebszu- io ters oder der Turbine merklich vergrößert werden; stand durch die entsprechende elektrodynamische die Unipolarmaschinen einer erfindungsgemäßen Axialkraftkomponente, die durch die Neigung der elektrischen Übertragungseinrichtung können vielelektrischen Stromlinien (die hier die gleiche Rolle mehr auch gemeinsam mit den ihnen zugeordneten spielen wie die Schaufeln eines Schaufelrads) hervor- Stromleitungseinrichtungen und den Einrichtungen gerufen wird, ausgeglichen werden können. Um dieses 15 zur Erzeugung der magnetischen Induktionsfelder Gleichgewicht gegebenenfalls auch in den Übergangs- eine Baueinheit bilden, die eine nahezu vollkommene zuständen aufrechterhalten zu können, werden zu- Rotationssymmetrie aufweist. Diese Rotati onssymmesätzliche Ausgleichseinrichtungen vorgesehen, die trie fällt vorteilhafterweise mit der Symmetrieachse von dem gleichen Prinzip Gebrauch machen und die zusammen, die bei den herkömmlichen Gasturbinenweiter unten beschrieben werden. In besonders vor- 20 triebwerken ohnehin vorhanden ist. Eine weitere teilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden zu besonders interessante Eigenschaft der Erfindung bediesem Zweck schräg gestellte Schlitze verwendet, die steht darin, daß die aerodynamisch vorteilhafteste in dem Anker der Maschinen mit radialem Feld ge- Ausführungsform, bei der sämtliche Stufen des Verbildet sind. dichters und sämtliche Stufen der Turbine unterein-Was die auf die Schaufelräder ausgeübten Radial- 25 ander gegenläufig sind, der einfachsten und wirtkräfte betrifft, so können die Drehkontakte aus schaftlichsten elektrischen Ausführungsform, bei der flüssigem Metall zusätzlich zu ihrer Eigenschaft als die aufeinanderfolgenden Generatoren und Motoren elektrische Leiter als Lager verwendet werden, und in Reihe geschaltet sind, entspricht, wodurch sich der zwar in der gleichen Weise wie die herkömmlichen mechanische, elektrische und aerodynamische Wirhydrostatischen oder hydrodynamischen Lager. 30 kungsgrad gleichzeitig maximalisieren lassen. Hierbei Zur Erläuterung seinen einige Zahlenwerte an- bleibt der Vorteil erhalten, daß sich die Drehzahl gegeben, die im wesentlichen den gewünschten Eigen- jeder Stufe praktisch unabhängig regeln läßt, indem schäften des Antriebsmotors eines Schaufelrads eines man auf den Strom, der die Feldwicklungen eines mehrstufigen Axialverdichters in einem Strahltrieb- Jeden Laufrads oder einer jeden Gruppe von Laufwerk großen Schubs entsprechen: 35 rädern durchfließt, getrennt einwirkt

An Hand der Zeichnungen werden bevorzugte

Leistungsverbrauch 1 MW Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Gesamtwirkungsgrad¹) 98,90/0 Es zeigt

Elektromotorische Kraft 20 Volt F i g. 1 in schematischer Weise ein eifindungsge-

Drehzahl 1000 Rad/s 40 mäßes Einkreis-Gasturbinentriebwerk,

Mittleres Induktionsfeld lOTesla Fig. 2 und 3 detailliertere Ansichten eines Teils

....... ... des Verdichters bzw. der Turbine, die Teil des Gas-

<) Der Anker besteht aus einer Kupferlegierung, und die tiirhinentrirhwerk« nach Fi ο 1 hilrlpn

flüssigen Kontakte werden von Quecksilber gebildet. Der turbinentnebwerks nach H g 1 bilden,

Gesamtwirkungsgrad berücksichtigt die Gesamtheit der Flg. 4 einen Querschnitt längs der Linie IV-IV

durch den Joulis-Effekt bedingten Verluste in dem Anker 45 in Fig. 2 oder 3,

und den Kontalten sowie der durch Viskosereibung beding- ρ ig. 5 und 6 abgewickelte Zylinderschnitte, an

ten Verluste. _{Hand derer jn schernatischer Weise der} Ausgleich

Für die beiden Gruppen von Unipolarmaschinen, der aerodynamischen Axialkräfte erläutert wird,

von denen oben die Rede war, erhält man somit die F i g. 7 eine andere Ausführungsform der in der

folgenden Eigenschaften, die eine Vorstellung von 50 Fig. S und 6 gezeigten Mittel,

den Faktoren vermitteln, auf Grund derer man die F i g. 8 und 9 weitere Ausführungsformen zurr

eine oder andere der beiden Gruppen von Maschinen Ausgleich der Axialkräfte und Einrichtungen zun

oder gegebenenfalls eine aus diesen beiden Gruppen Regeln dieses Ausgleichs, und zwar im Axialschnit

kombinierte Maschine auswählt: bzw. in einem abgewickelten Zyünderschnitt,

ν w ,. -.Jic ... 55 Fig. 10 und 11 Abwandlungen der in den Fig.f

a) Maschine nut radialem Erregerfeld _wd 9 gezeigten Anordnungen,

Der Nutzteil des Ankers ist ein Hohlzylinder F i g. 12 einen Axialschnitt durch eine andere Aus·

mit einem Radius von iO0 nun, einer Dicke von führungsform eines Verdichters und seiner Antriebs

1 mm und einer Länge von SO mm; seine Masse mittel,

beträgt 280 g und sein Leistung-Gewicht-Verhältnis 60 F i g. 13 einen Axialschnitt durch eine weitere Aus·

4 · 10« W/kg. führungsform eines Verdichters und seiner Antriebs·

· · 1 t> ... mittel,

b) Maschine mit axialem Erregerfeld F i g. 14 in schematischer Weise einen Axialschni« Der Anker besteht aus einer Scheibe mit einem durch ein erfindungsgemäßes Zweikreis-Gasturbinen

Innenradius von 100 mm, einem Außenradius von 65 triebwerk mit einem Mantelstromgebläse,

120mm und einer Dicke von 3mm; seine Masse Fig. 15 eine detailliertere Ansicht der Antriebs

beträgt 37Og und sein Leistung-Gewicht-Verhältnis verbindung, die das in Fig. 14 gezeigte Mantel

2,7 · 10« W/kg. stromgebläse antreibt

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ίο

Das in F i g. 1 gezeigte Einkreis-Gasturbinentriebwerk wird von einem Strahltriebwerk gebildet, das in üblicher Weise in einem Gehäuse 8 angeordnet ist. Das Gehäuse 8 ist mit einem Lufteinlaß 9 versehen und wird von einer Strahldüse 10 verlängert. Das Strahltriebwerk besitzt — in Strömungsrichtung gesehen — einen Verdichter A mit beispielsweise zehn Stufen, eine Brennkammer C und eine zweistufige Turbine D. Die Strömungsnchtung des Gasstroms ist durch den Pfeil F angedeutet. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Anordnungen besteht der Mittelteil S des Strahltriebwerks aus unbeweglich angeordneten koaxialen Bauteilen. Diese Bauteile dienen zur Lagerungder umlaufenden Teile des Verdichters und der Turbine, erhohen die mechanische Festigkeit des Triebwerks und übertragen den von den Generatoren erzeugten elektrischen Strom an die Motoren. Der Stromfluß des elektrisch» Stroms ,st durch die Pfeile / schematich angedeutet. Der Mittelteil S ist durch Radialarme 13 und 15 mit dem Gehäuses *o fest verbunden. Die Schaufelräder des Verdichters A, die sämtlich gegenläufig ausgebildet sind, werden unabhangig voneinander von elektrischen Unipolarmotoren angetrieben die yon Unipolargeneratoren

40

MiSls; (Fig., 3, 4) besteht aus drei-

einem Außenzylinder 44. Der innere Achskörper 11 bildet eine erste elektrische Leitung, die die Generatoren mit den Motoren verbindet. Der Zwischenzylinder 16 sitzt koaxial starr auf dem Achskörper 11 und ist mit ihm an einem Ende durch eine Hülse 12 (Fig. 2) und am anderen Ende durch ein Verschlußteil 14 (F i g. 3) verbunden. Er bildet den Lagerträger für die Lagtr der Verdichterräder und der ftrbinfnräder. Der Zylinder 44 grenzt an den Zwischenzylinder 16 an, mit dem er verbunden ist. Er bildet eine zweite elektrische Leitung zwischen den Generatoren und den Motoren.

Der Zwischenzylinder 16, der mit verschiedenen Bauteilen mechanisch in Berührung kommt, für die 45 er als Lagerträger dient und die sich auf einem anderen elektrischen Potential befinden, ist auf seiner Oberfläche mit einer Schicht 89 aus Aluminiumoxyd bedeckt, die oie erforderliche elektrische Isolierung sicherstellt. Da die Potentialunterschiede an allen Punkten kleiner afc höchstens einige 100 Volt bleiben, kann diese Schicht sehr ktein sein, damit kein mechanisches Festigkeitsproblem entsteht und die Wärmeabfuhr nicht behindert wird. Wie weiter unten gezeigt, kann der Mittelteil des Triebwerks durch ein ₅₅ K^alsystem gekühlt werden, in dem der Brennstoff

Der Verdichter A, dessen vorderer und hinterer Abschnitt in Fig. 2 dargestellt sind, besitzt zehn ge-

SÄsa *-^iede *-^ünipoilr-"

50 ten 130 und 131 aus flüssigem Metall zugeführt, die an den seitlichen Enden des Ankers 128 angeordnet sind. Die Drehkontakte bilden außerdem Lager zur Zentrierung des Laufrads. Jeder der Drehkontakte besteht aus einem Ring aus flüssigem Metall, das zwei zusammenwirkende Kontaktflächen benetzt. Von diesen zusammenwirkenden Kontaktflächen ist die eine ein Abschnitt am seitlichen Ende des umlaufenden, mit dem Laufrad 122 fest verbundenen Ankers, während die andere Fläche eine feste Schulter ist, die gleichzeitig den Stromfluß und die Positionierung des rotierenden Laufrads sicherstellt

Der feste Teil des Drehkontakts 130 ist eine Schulter 16 a am vorderen Ende des Zwischenzylinders 16, der mit der inneren leitenden Welleil über die Hülse 12 elektrisch verbunden ist Der feste Teil des Drehkontakts 131 ist eine Schulter 134 a des Rings 134, der durch die obenerwähnte Aluminiumoxydschicht 89 von seinem Lagerträger 16 elektrisch isoliert ist

Der Anker 128 besteht beispiel Se aus einer Kupferlegierung, die einif ausgSSneteStrich Leitfähigkeit sowie eine ausreichende mechanische Festigkeit besitzt

Das Induktionsfeld wird m dem Anker 128 von

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Verdichter SrS

Das Induktionsfeld des Unipolarmotor der zwei-

236 LΓ ί

sasaia. α. di= „. s,₀,edes v„- ttzss

dichters bildet, weist einen Kranz aus Schaufeln 120 im wesentlichen radial

auf, die auf einer Nabe 124 befestigt sind. Die Nabe Die mittleren

124 ist über Stege 126 mit dem zylinderTörmigen An- 6_S Mitteln JlS^

ker 128 des zugehörigen Unipolarmotors verbunden. aufeinanderfolgender

Der elektrische Strom durchfließt den Anker 128 in derart mit Strom g^S d5^S JSLSSt

der axialen Richtung. Er wird von zwei Drehkontak- gende Wicklungen voii dem Strom in entgegengeseu-

Sie
S

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11 12

ter Richtung durchflossen werden. Der Versorgungs- 11 her. Die beiden Generatoren sind somit durch die

kreis dieser Wicklungen ist nicht dargestellt, aber die obenerwähnten Leitungen 11 und 44 mit den Moto-

Mittel für seine konstruktive Ausbildung werden ren des Verdichters in Reihe geschaltet und elektrisch

weiter unten erläutert. verbunden. Hierbei ist die Richtung der Induktions-

Im Betrieb werden die Anker nacheinander (in 5 felder, die weiter unten genauer beschrieben werden, Reihenschaltung) und in der gleichen Richtung von derart, daß sich die elektromotorischen Kräfte der

dem elektrischen Strom durchflossen und von einem Generatoren addieren.

magnetischen Induktionsfluß durchdrungen, dessen Die Feldwicklungen 60, 160, 260, 164, 264 der Vorzeichen sich von Stufe zu Stufe ändert. Dies hat Generatoren sind im wesentlichen symmetrisch bezur Folge, daß jeweils zwei aufeinanderfolgende io züglich der Mittelebene der beiden Turbinenräder Laufräder in entgegengesetzter Richtung umlaufen. angeordnet. Die Wicklungen 60, 160, 260 werden Es ist bemerkenswert, daß dies durch die denkbar von Strömen gleicher Richtung durchflossen und ereinfachste Anordnung der Anker bezüglich der Feld- zeugen in dem scheibenförmigen Abschnitt der Anker wicklungen erreicht wird. 154 und 254 der Generatoren ein im wesentlichen

Die Feldwicklungen 36, 136 ... 1036 bestehen 15 axial verlaufendes und verhältnismäßig gleichförmi-

aus einem Material, das von einer umlaufenden ges Feld. Die beiden Wicklungen 164 und 264 wer-

Tiefsttemperaturflüssigkeit supraleitend gehalten den von Strömen gleicher Richtung durchflossen, die

wird. Zu diesem Zweck sind die Wicklungen in einer der Flußrichtung des Stroms in den Wicklungen 60,

thermisch isolierten Umhüllung 45 angeordnet, die 160 und 260 entgegengerichtet ist. Diese Wicklungen

mit Anschlüssen 46 und 48 zum Zuführen und Ab- 20 erzeugen in der Nähe des zylindrischen Bereichs der

führen von flüssigem Helium versehen ist und zwi- Anker ein im wesentlichen radial verlaufendes Feld,

sehen der inneren Welle 11 und dem Zwischenzylin- Die Pfeile B stellen schematisch den Verlauf des

der 16 angeordnet ist. Felds dar. Da die beiden Turbinenräder gegenläufig

Den Feldwicklungen jedes der Unipolarmotoren sind, ist es offensichtlich, daß die Art der elektrischen des Verdichters ist eine programmierte Steueranlage »5 Zuordnung der Anker, die die einfachstmögliche ist, (nicht gezeigt) zugeordnet, mit der sich durch — von der Additivität der elektromotorischen Kräfte entHand oder vorzugsweise automatisch erfolgende — spricht.

Regelung der Feldstärke und entsprechende Ände- Die Feldwicklungen 60, 160, 260, 164, 264 beste-

rung des Induktionsfelds die Drehzahl jeder Stufe hen — wie die des Verdichters — aus einem Mate-

des Verdichters derart einstellen läßt, daß der aero- 30 rial, das von flüssigem Helium, welches in den die

dynamische Wirkungsgrad des Verdichters in allen Wicklungen umgebenden Umhüllungen 70 umläuft,

Flugbereichen optimal bleibt. Wenn auch die Mittel in supraleitendem Zustand gehalten wird,

zur Erzeugung des Induktionsfeldes einer jeden Stufe Wie im Fall der Motoren bestehen die Anker der

nicht vollständig unabhängig von Stufe zu Stufe sind, Generatoren aus einem Metall, das eine gute elek-

läßt sich jedoch eine Verstellung innerhalb von Gren- 35 trische Leitfähigkeit sowie eine für die mechanischen

zen ausführen, die wesentlich weiter auseinanderlie- Belastungen ausreichende Festigkeit besitzt. Wie sich

gen als diejenigen Grenzen, die für die in Frage ste- in F i g. 3 feststellen läßt, spielt der scheibenförmige

hende aerodynamische Anpassung erforderlich sind. Abschnitt der Anker der Generatoren mechanisch

Wie die Laufräder des Verdichters sind auch die die Rolle der »Turbinenscheiben« der herkömm-Laufräder der Turbine (F i g. 3) gegenläufig ausgebil- 40 liehen Turbomaschinen, und er muß daher beträchtdet und jeweils dem Anker einer Unipolarmaschine liehe Zentrifugalkräfte aufnehmen können. Daher zugeordnet. Sie weisen ebenfalls Drehkontakte aus kann ein solcher Abschnitt auch — nach einer weiteflüssigem Metall auf, die gleichzeitig hydrostatische ren Ausführungsmöglichkeit — aus einem zusam- oder hydrodynamische Lager zur Zentrierung bilden. mengesetzten Material bestehen, das aus zwei mit-

Das erste Laufrad der Turbine 1 weist einen Kranz 45 einander verbundenen Abschnitten besteht, von de-

von Schaufeln 150 auf, die an einer Nabe 152 be- nen der eine eine übliche Legierung großer mecha-

festigt sind. Die Nabe 152 ist mit dem Anker 154 nischer Festigkeit ist und der andere — dünnere —

des zugehörigen Unipolargenerators starr verbunden. aus einem Metall oder eineT Legierung großer Leit-

Der Anker 154 weist einen zylinderförmigen Ab- fähigkeit besteht und die Rolle des Ankers spielt. Der schnitt 154 a auf, der sich in einem Bereich 1546 50 Stromfluß zwischen den Ankern der Generatoren

scheibenförmig radial zum Außenrand erstreckt. Die und den Ankern der Motoren ist durch die Pfeile /

Anordnung des Ankers 254 des zweiten Laufrads ist (Fig. 2 und 3) dargestellt.

symmetrisch bezüglich derjenigen des Ankers 154, Die Trennflächen »flüssig-fest« im Bereich der

und sein konstruktiver Aufbau ist der gleiche. Drehkontakte sind derart gerichtet, daß die magneti-

Das axiale Ende des Bereichs 154a steht mit einer 55 sehen Feldlinien im wesentlichen tangential verlau- Schulter 446 des Außenzylinders 44 über einen fen. Durch diese Anordnung werden die Verluste, die Drehkontakt 161 aus flüssigem Metall in elektrischer durch Foucault-Ströme in dem in Drehung versetz- Verbindung. Das radial äußere Ende des Bereichs ten flüssigen Metall bedingt sind, vermieden.

1546 steht mittels Drehkontakten 162, 262 aus flüs- In den Fig. 2 und 3 ist der elektrische Versorsigem Metall unter Zwischenschaltung eines fest an- 60 gungskreis der Feldwicklungen der Unipolarmaschi-

geordneten Rings 56 mit dem entsprechenden Ab- nen nicht dargestellt. Der Versorgungskreis muß bei

schnitt des Ankers 254 in elektrischer Verbindung; geringer Leistung einen Strom verhältnismäßig gro-

der fest angeordnete Ring 56 ist mit einer Scheibe 54 ßer Stromstärke (einige 1000 Ampere) liefern, und ei

starr verbunden, die an dem Zwischenzylinder 16 be- kann beispielsweise einen statischen elektrischer festigt ist. Eia Drehkontakt 261 aus flüssigem Metall 65 Wandler aufweisen, der von Halbleiterelemen-

schließlich stellt über das Verschlußteil 14 eine elek- ten, wie sie unter dem Namen >Thyristor« be·

trische Verbindung zwischen dem axialen Ende des kannt sind, gesteuert wird. Die Halbleiterelemente

Bereichs 254 ο des Ankers 254 und dem Achskörper erlauben eine sehr elastische Steuerung der sie durch

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bringenden Stromstärke, was sie besonders geeignet von gleichmäßig verteUten Schützen 69 aufweisen,

macht zui Steuerung der Drehzahl der Laufräder, in Im Hinblick darauf, daß die Belastung eines jeden

der gleichen Weise wie diejenigen, deren Verwen- Turbinenrads wesentlich größer als die eines Ver-

dungsmöglichkeit oben beschrieben worden ist dichterrads ist und die Schütze 69 nur einen geringen

Die Kühlung des Mittelteils S, der insbesondere 5 Teil der Nutzfläche der Anker 154 und 254 emneheiner durch den Joule-Effekt bedingten Erhitzung men, ist ihre Neigung wesenüich größer als die der ausgesetzt ist, erfolgt durch Zirkulation des Brenn- Schütze 69 der Anker des Verdichters. Es genügt, das Stoffs der Turbomaschine in Kanälen 72 und 74, die Verhältnis der Wicklungen 164 und 264 zu der Feldin dem Zwischenzylinder 16 und dam Achskörper 11 stärke der äußeren Wicklungen 160 ein für allemal gebildet sinA Der Brennstoff wird den Kanälen 72, i° einzustellen, um den Ausgleich der Axialkräfte für die in dem Zwischenzylinder 16 kranzförmig (F i g. 4) jeden stationären Betriebsbereich zu erhalten. Denangeordnet sind, zugeführt und fließt durch U-fönnige noch läßt sich, indem man auf die Wicklungen 164 Anschlüsse 76 in die Kanäle 74 zurück, die in dem und 264 getrennt einwirkt, im Betrieb eine Feinein-Achskörper 11 gebildet sind. Der Kreislauf des stellung des Kräfteausgleichs durchführen, ohne daß Brennstoffs führt dann zu den Einspritzdüsen (nicht 15 dadurch das Drehmoment der Generatoren wesentgezeigt). lieh geändert wird-

Die Axialkräfte, denen die Schaufelräder des Ver- Fig. 7 zeigt eine andere Ausführungsform, mit dichters und der Turbine ausgesetzt sind, werden da- der sich eine elektrodynamische Axialkomponente in durch ausgeglichen, daß eine elektrodynamische Kraft einem scheibenförmigen Anker erzielen läßt. Zu dieerzeugt wird, die der axialen Resultierenden der auf 20 sem Zweck ist der Anker 81 mit einer Reihe von die Schaufeln jedes Schaufelrads ausgeübten aero- gleichmäßig verteilten Schlitzen 82 versehen, die bedynamischen Kräfte entgegengerichtel ist. Zu diesem zügHch den durch seine Drehachse gehenden Ebenen Zweck kann der Stromdichte in dem Anker der zu- um einen Winkel α geneigt sind. Diese Schlitze nehgehörigen Unipolarmaschinen eine Tangentialkom- men einen mehr oder weniger radial ausgedehnten ponente verliehen werden, indem sie beispielsweise 25 Bereich ein, in dem das Induktionsfeld B eine merkmit Schlitzen, wie sie in den F i g. 5 und 6 dargestellt liehe Radialkomponente B_r besitzt,
sind, versehen werden oder indem — allgemeiner Wenn man in dem Anker 81 einen kreisförmigen gesagt — die elektrische Leitfähigkeit wenigstens Elementarkranz mit dem Radius r, der sich in dem eines Teils des Ankers anisotrop gemacht wird. Es Bereich der Schlitze 82 befindet, betrachtet und können auch Feldwicklungen verwendet werden, die 30 wenn B₂ die Axialkomponente des Felds B bezeichnet, derart angeordnet sind, daß das Induktionsfeld in dei ist das Verhältnis K der Axialkraft zu dem Dreh-Nähe der Anker eine merkliche Tangentialkompo- moment, das durch den Stromfluß / in diesem Elenente besitzt; eine solche Anordnung läßt sich jedoch mentarkranz erzeugt wird, gegeben durch:
nicht ohne Schwierigkeiten verwirklichen. . „

Fig. 5 zeigt in einem abgewickelten Zylinder- 35 K— ·— --ig α.

schnitt die Form der Anker des in F i g. 2 dargestell- r B_z
ten Verdichters. Diese Anker weisen jeweils eine

Reihe von gleichmäßig verteilten dünnen Schlitzen 68 Dieses Verhältnis ist unabhängig von der Stromauf, die gegebenenfalls mit einer isolierenden oder stärke / des durch den Anker fließenden Stroms, verhältnismäßig wenig leitfähigen Substanz gefüllt *o Wenn überdies die Mittel zur Erzeugung des Felds B sind. Diese Schlitze bewirken, daß die Stromlinien nur aus einer einzigen Wicklung bestehen, ist das des durch die Anker 128 ... 1028 fließenden Stroms Verhältnis K ebenfalls unabhängig von der Stromschräg verlaufen. stärke des durch diese Wicklung fließenden Stroms,

Wenn C das Drehmoment und F die axiale Resul- und wenn mehrere Wicklungen vorgesehen sind, tierende der durch den Stromfluß erzeugten elektro- 45 hängt es somit lediglich vom Verhältnis der Stromdynamischen Kräfte ist, erhält man unabhängig von stärken der sie durchfließenden Ströme ab.
der in dem Anker herrschenden Feldstärke: Wie oben, läßt sich auch hier mit einem geeigneten ρ \ Wert des Winkels <* der gewünschte axiale Kräfte-— = ~d^¹*' ausgleich für jeden stationären Betriebsbereich er^c ^K 50 zielen.

worin λ die mittlere Neigung der Schlitze bezüglich Die in den Fig. 8, 9, 10 und 11 gezeigten Ein-

der Drehachse und R der Radius des Ankers ist. Bei richtungen dienen zur Feineinstellung des elektrischen

einem Verdichterrad ergibt eine Neigung in der Grö- Ausgleichs der Axialkräfte.

ßenordnung von einigen Grad das gewünschte axiale F i g. 8 zeigt in schematischer Weise zwei aufein-

Gleichgewicht, das in jedem stationären Betriebs- 55 anderfolgende Verdichterräder 22 a und 22 b, äk

zustand erhalten bleibt, wie bereits oben erläutert jeweils von einer Unipolarmaschine mit einem zylin-

worden ist. derförmigen Anker angetrieben werden.

Die Stromlinien des durch die Anker fließenden Der mit dem Schaufelrad 22 a fest verbunden«

Stroms sind durch die gestrichelten Linien / darge- Anker 28 a ist einem im wesentlichen radial verlau

stellt. Sie haben eine Neigung, die im wesentlichen 60 fenden Magnetfeld ausgesetzt, das von Hauptwick

der Neigung der Schlitze entspricht. Da sich die Rieh- lungen 36a und 36 b erzeugt wird. Die Hauptwick

tung des Induktionsfelds in aufeinanderfolgenden lungen 36 a und 36 b sind neben den axialen Endei

Ankern ändert, sind die Schlitze abwechselnd in der des Ankers angeordnet und werden von entgegen

einen und in der anderen Richtung geneigt. gerichteten Strömen durchflossen, durch deren Rege

F i g. 6 zeigt in einem abgewickelten Zylinder- 65 lung das Drehmoment der Unipolarmaschine geänder

schnitt die Ausbildung der zylinderförmigen Ab- werden kann. Den Hauptwicklungen 36a und 361

schnitte 154a und 254a der Anker der in Fig. 3 ist eine Hilfswicklung 37a zugeordnet, die in de

gezeigten Turbine, die eine entsprechende Anordnung mittleren Querebene des Ankers 28 a angeordnet ist

21 Oi 918 15 16

Fig.9 zeigt die Ausbildung des in Fig. 8 dar- Erfindung, bei der der Rotor eines aus Rotor und gestellten Ankers 28 c. Der Anker 28 a weist gleich- Stator bestehenden Verdichterteils angetrieben wird, mäßig verteilte Schlitze 80 auf, deren mittlere Nei- Der Verdichterteil weist in üblicher Weise eine Reihe gung auf beiden Seiten der Ebene der Hilfswicklung von fest angeordneten, mit einem Gehäuse 1100 ver-37 a voneinander verschieden ist Vorzugsweise wird 5 bundcnen Leitkränzen 1118 auf, die sich mit einer

diese Neigung derart gewählt, daß die elektrodyna- Reihe von Laufrädern 1119 abwechseln. Die Lauf-

mische Axialkraft, die entsteht, wenn die Hilfswick- räder 1119 sind mit einem Zylinder 1120 fest ver-

lung 37 a von keinem Strom durchflossen wird, die bunden, der in Lagern 1121 und 1122 umläuft,

aerodynamischen Axialkräfte, denen das Schaufelrad Der Zylinder 1120 wird von einem elektrischen

22 a im stationären Betriebsbereich ausgesetzt ist, im io Unipolarmotor angetrieben, der aus abwechselnd fest

wesentlichen ausgleicht. Das Feld, das durch den und beweglich angeordneten Scheiben 1123 bzw. 1124

Stromfluß in der Hilfswicklung 37 a erzeugt wird, und einer Feldwicklung 1125 besteht Die Feldwick-

ändert die Verteilung des Magnetflusses von der lung 1125 wird von einem Ring 1126 gehalten, der

einen Seite zur anderen Seite der Wicklungsebene, mit der Nabe 1131 eines fest angeordneten Leitkran-

wodurch die Resultierende der elektrodynamischen i$ zes 1118 star verbunden ist.

Axialkräfte verändert wird, ohne eine nennenswerte Die Gruppe der beweglichen Scheiben 1124 bildet

Änderung des gesamten Magnetflusses in dem Anker den eigentlichen Anker des Unipolarmotors. Diese

hervorzurufen; der Grund hierfür ist, daß die Hilfs- Scheiben sind mit ihrem Außenrand an dem Zylinder

wicklung 37a in der Mitte bezüglich des Ankers 38a 1120 befestigt, jedoch gegen diesen Zylinder 1120

angeordnet ist. Eine solche Anordnung erlaubt somit τα elektrisch isoliert. Die zwischen den beweglichen

eine Feinregelung des axialen Kräfteausgleichs ohne Scheiben 1124 fest angeordneten Scheiben 1123 stel-

Änderung des Drehmoments der Unipolarmaschine. len über Drehkontakte 1127, die vorzugsweise von

Ihre Anwendung ist insbesondere zur Erzielung eines einem Ring aus flüssigem Metall gebildet werden,

extrem genauen Kräfteausgleichs zweckmäßig, vor eine elektrische Verbindung zwischen dem Außenrand

allem in den Übergangsbetriebszuständen einer erfin- 25 einer beweglichen Scheibe und dem Innenrand der

dungsgemäßen Turbomaschine. benachbarten beweglichen Scheibe her. Die äußersten

Die Unipolarmaschine, die das in Fig. 8 gezeigte Scheiben 1123a und 1124a schließlich sind mit den

Laufrad 22b an:reibt, ist in der gleichen Weise aus- zylindrischen Leitungen 1128 und 1129 elektrisch

gebildet. Gleichwohl muß — unter Berücksichtigung verbunden, zwischen denen ein isolierender zylindri-

der jeweiligen Richtung des Felds und des Stroms — 30 scher Mantel 1130 angeordnet ist, auf dem die fest

die Ausrichtung der im Anker 28 & gebildeten Schlitze angeordneten Scheiben außer der Scheibe 1123a be-

symmetrisch bezüglich der Ausrichtung der im Anker festigt sind.

28a gebildeten Schlitze sein. Die bei 1125 schematisch dargestellte Feldwicklung

Die in den Fig. 10 und 11 gezeigte Anordnung besteht aus einer supraleitenden Wicklung, die von

betrifft eine Unipolarmaschine mit axialem Feld und 35 einer Ticfsttemperaturumhüllung umgeben ist. Diese

dient dem gleichen Zweck wie die in den F i g. 8 Wicklung wird von koaxial zum Anker verlaufenden

unu 9 gezeigte Anordnung. Windungen gebildet. Der Pfeil B stellt die Richtung

Der scheibenförmige Anker 83 weist Schlitze 84 der magnetischen Feldlinien dar, die von der Feldauf, die bezüglich der durch seine Achse gehenden wicklung 1125 erzeugt werden. In dem Bereich, der Ebenen geneigt sind und deren Form lediglich von 40 von den Scheiben 1124 eingenommen wird, ist das der zweckmäßigsten Verteilung der elektrodynami- Feld B im wesentlichen homogen und axial. Die sehen Axialkräfte, die sie erzeugen sollen, abhängt. Pfeile / stellen den Stromfluß durch den Anker dar. Zwei identische Wicklungen 85 und 86, deren Durch- Wie man sieht, wird er in der gleichen Richtung wie messer vorzugsweise dem Außendurchmesser des jede der Scheiben 1124 durchflossen. Dies hat zur Ankers 83 ungefähr entspricht, sind koaxial zuein- +5 Folge, daß die von dem Feld B und dem Strom / herander und in zwei Ebenen, die bezüglich des Ankers rührenden Laplace-Kräfte in jeder der Scheiben 1124 83 symmetrisch sind, angeordnet. Sie werden von elektrodynamische Drehmomente gleicher Richtung Strömen gleicher Richtung durchflossen, die ein erzeugen.

Magnetfeld erzeugen, dessen Richtung im Bereich des Der Motor ist über eine zylindrische Leitung 1129 Ankers 83 im wesentlichen axial ist. Durch Regelung 50 und eine innere Leitung 1111 an dem ihm zugeordder Ströme läßt sich das von der Maschine auf ge- neten Unipolargenerator (nicht gezeigt) angeschlossen, nommene oder erzeugte Drehmoment ändern. Zwei Fig. 13 zeigt eine abgewandelte Ausführungs-Hilfswicklungen 87, 88, die in der gleichen Weise form des in F i g. 2 dargestellten gegenläufigen Verwie die obenerwähnten Hilfswicklungen angeordnet dichters, bei dem jedoch die Anker nicht zylindrisch, sind und deren Durchmesser vorzugsweise ungefähr 55 sondern scheibenförmig ausgebildet sind,
dem Innendurchmesser des Ankers 83 entspricht, Der Verdichter weist beispielsweise acht gegenwerden von entgegengerichteten Strömen durchflos- läufige Verdichterräder 1219 auf, die durch weiter sen. Die Axial- und Radialkomponenten des Magnet- unten beschriebene Mittel auf einem Hohlzylinder felds, das von jeder der Hilfswicklungen im Bereich 1211 drehbar gelagert sind. Der Hohlzylinder 1211 des Ankers 83 erzeugt wird, subtrahieren bzw. addie- 60 ist fest angeordnet und dient sowohl als elektrische ren sich, und dies hat zur Folge, daß der den Anker Leitung wie auch als Lagerträger des Verdichters, durchdringende Magnetfluß, falls die Wicklungen von Der Zylinder 1211 ist beispielsweise mit Hilfe von Strömen gleicher Stromstärke durchflossen werden, Radialarmen (nicht gezeigt) am Gehäuse (nicht geunabhängig von der Stromstärke ist und daß durch zeigt) befestigt, das in herkömmlicher Weise den Gasdie Regelung dieser Stromstärke lediglich die Radial- 65 strom an den Schaufelspitzen begrenzt,
komponente des Felds, d. h., die elektrodynamische Jede Verdichterstufe weist einen Kranz aus Schau-Kraft zum Ausgleich der Axialkräfte, geändert wird. fein 1219 auf, die an einer Nabe 1231 befestigt sind.

Fig. 12 zeigt eine weitere Ausführungsform der Die Nabe 1231 ist mit einer Scheibe 1224 starr ver-

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bunden, die den Anker des zugehörigen Unipolar- für die Drehrichtung der aufeinanderfolgenden Lauf

iMtorTbiidet Beidseitig zTjeSSer 1224 und räder 1219a und 12196 gut, wie bereits oben ange

koaxial zu ihm sind supraleitende Wicklungen 1225 geben worden ist.

angeordnet, die von ein« mit umlaufendem flüssigem Der Ausgleich der Radialkrafte und der Axial

Helium gefüllten TiefsttemperaturumhüUung 1225 a 5 fcräfte, denen jede rotierende Verdichterstufe ausge

umgeben sind und von fest angeordneten Scheiben gesetzt ist, erfolgt gemäß zweier verschiedener Prin

1223,1223a, 12236 getragen werden. Diese Scheibea zipien. Die Radialkrafte werfen von den Drehkontak

sind mit dem zylindrischen Lagerträger 1211 mecha- ten aus flüssigem Metall aufgenommen, die die Funk

nisch fest verbunden, durch eine Aluminiumoxyd- tion von Lagern erfüllen. Zum Ausgleich der Axial

schicht (nicht gezeigt) jedoch von ihm elektrisch io kräfte sind die in Fig. 13 dargestellten Anker 122<

isoliert. — wie oben in Verbindung mit Fig. 7 beschrieben—

Die Wicklungen 1225 werden von Strömen gleicher mit schrägverlaufenden Schlitzen 1224 c versehen, di< Richtung durchflossen und erzeugen ein axiales Ma- in einem Bereich, in dem das Feld B eine merklich«

gnetfeld, dessen Linien durch die PfeileÄ schematise!) Radialkomponente besitzt, gleichmäßig über ihrer

angedeutet sind. 15 Umfang verteilt sind. Durch die Neigung der Schlitze

Der kreisförmige Innenrand der Anker 1224 (abge- kann dem Vektor der Stromdichte eine Tangential-

sehen von dem Innenrand des stromaufwärts ersten komponente gegeben werfen, der der erzeugten elek-

Schanfelkranzes) bildet eine erste elektrische Kon- trodynamischen Kraft proportional ist. Die Neigungs-

taktfläche, die über einen Drehkontakt 1227 a aus richtung der Schlitze 1224 c wird entsprechend dem

flüssigem Metall mit dem einen der Seitenränder eines ao Ausgleich der aerodynamischen Axialkräfte gewählt,

zylindrischen Flansches 1228 der fest angeordneten während die Richtung des durch den Anker fließen-

Scheiben 1223a in Berührung steht. Die Anker 1224' den Stroms/ und die Richtung des Magnetfelds wie

weisen an ihrem äußeren Umfang eine kreisförmige in Fig. 13 gewählt werfen.

Schulter 1224 a auf, die eine zweite elektrische Kon- Für einen Beobachter, der sich auf der gleichen taktfläche bildet. Diese Kontaktfläche steht über einen as Seite bezüglich der Schaufehl des in F i g. 13 gezeigweiteren Drehkontakt 12276 aus flüssigem Metall mit ten Verdichters befindet, ist die Neigungsrichtung der einem leitenden Schleifring 1229 in Berührung, der Schlitze 1224 c für die Anker der Lauf räder 1219 a mit den abwechselnd zu den Scheiben 1223 a ange- und der in entgegengesetzer Richtung rotierenden ordneten Scheiben 12236 starr verbunden ist · Laufräder 12196 die gleiche.

In dem oberen Abschnitt des zwischen zwei aufein- 30 Das in Fig. 14 schematisch dargestellte Zweikreisanderfolgenden Wicklungen 1225 liegenden Bereichs Strahltriebwerk besitzt in üblicher Weise ein vorderes besitzt das Feld B eine merkliche Radialkomponente. Mantelstromgebläse 1 c mit großem Durchsatz, von Die Ausrichtung der Anker 1224 ändert sich somit dem die Luft einerseits in einen von einem Außen- und weist in dem entsprechenden Bereich einen mantel 2 c und einem Innenmantel 3 c begrenzten schrägverlaufenden Abschnitt 12246 auf. Ferner ver- 35 äußeren Ringkanal und andererseits in einen inneren läuft die Meridiankontur der Flächen, die die Dreh- Ringkanal gefördert wird. Der innere Ringkanal entkontakte 1227a und 12276 begrenzen, in ihrer Nach- hält — in Strömungsrichtung gesehen — einen Niebarschaft im wesentlichen parallel zu den Feldlinien derdruckverdichter4c und einen Hochdruckverdichdes Felds B. Auf diese Weise wird vermieden, daß ter5c, eine Brennkammer 6 r und eine Hochdruckwahrend der Drehung Störströme in dem flüssigen 40 turbine 7 c sowie eine Niederdruckturbine 8 c. Metall entstehen, Störströme, die beträchtliche Ver- Bei diesem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel luste verursachen wurden. erfolgt die Übertragung der von den Turbinen erzeug-Wie in Fig. 13 ferner zu sehen ist, ist die Anord- ten Energie auf die Verdichter in kombinierter Weise, nung der Anker derart getroffen, daß das jeweils aus d. h., daß neben einer erfindungsg^mäßen elektrischen zwei aufeinanderfolgenden Ankern bestehende Ge- 45 Übertragungseinrichtung eine herkömmliche Übertrabilde bezüglich der Mittelebene der zwischen diesen gungseinrichtung verwendet wird. Die Verdichter 4 c AnJcern fest angeordneten Scheiben 1223 a bzw. und 5 c sind in herkömmlicher Weise durch koaxiale 1ZZ36 symmetrisch ist. Gleichwohl sieht man, daß rotierende Wellen 9c und 10c mit den entsprechensich die Anordnung der ersten und letzten Stufe des den Turbinen 8 c und 7 c verbunden, während das Verdichters von den dazwischenliegenden Stufen in- 50 Gebläse Ic durch eine elektrische Übertragungseinsotern unterscheidet, als der Drehkontakt 1227'a der richtung lic angetrieben wird. Die elektrische Über- ?»^Sii 1· ^{unnuttelbar an dem} inneren Zylinder tragungseinrichtung besitzt, wie weiter unten noch izil anhegt und der Zylinderflansch 1228'der letzten genauer beschrieben wird, einen Unipolargenerator, lest angeordneten Scheibe 1223Ό von der Verlange- der über die Welle 9 c mit dem Niederdruckverdichrung einer ringförmigen Leitung 1212 gebildet wird, 55 ter8c gekoppelt ist und einen Unipolarmotor speist, «ι?*'· a ⁰^ } "mg*¹*· Die Leitungen 1211 und der an das Mantelstromgebläse das zu dessen Antrieb iziz sind wie in dem oben angegebenen Fall mit dem erforderliche Drehmoment abgibt, rv w⁸M^ne^°^r -^ht ^gezeiS^l) ^verbunden. Auf Grund dieser Anordnung braucht das Manteluie Fleile/ der Fig. 13 zeigen in schematischer stromgebläse nicht von einer zusätzlichen Niederweise den Mromfluß des die Anker 1224 speisenden 60 druckturbine angetrieben zu werfen, die insbesondere

luS tin*^ ™* ?"?^{d die Anker durch die bei} 8^roßem Bypassverhältnis mit sehr kleiner Drehöauteue lzze und 1229 elektrisch in Reihe geschal- zahl umlaufen und dementsprechend eine große Antet, und jeweils zwei aufeinanderfolgende Anker wer- zahl von Stufen besitzen muß, die unter besonders den von Strömen entgegengesetzter Richtung und ungünstigen Betriebsbedingungen arbeiten. Die Uni-λ^ι,Γ iV^{n Ma}g"^etfeldern gleicher Richtung 65 polarmaschinen der elektrischen Übertragungseindurchflossen. Dies hat zur Folge, daß die Dreh- richtung lic können dagegen derart ausgelegt wernte der auf jeden Anker ausgeübten Laplace- den, daß man die optimale Drehzahl des Mantelentgegengesetzte Vorzeichen haben, was auch Stromgebläses Ic bei einer Drehzahl der Welle 9c

Λ Ι

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hält, die allein von einem guten Wirkungsgrad des det Um für die Drehkontakte eine Legierung wie beiVerdichters 4 c und der Turbine 8 c abhängt. spielsweise ein Natrium-Kalium-Eutektikum, das sehr

Fig. 15 zeigt etwas weniger schematisch eine kon- oxydierbar ist, verwenden zu können, ist der elektristruktive Ausführungsform der elektrischen Ubertra- sehe Kreis mit HUfe von Verschlußteilen 35 c und gungseinrichtung lic, die das Mantelstromgebläse 5 36c von einer abgedichteten Kammer 34c umgeben, mit der Niederdruckturbine des Gasturbinentriebwerks Die Kammer 34 c besitzt eine Einrichtung (nicht gegemäß Fig. 14 verbindet. zeigt) zum Zuführen eines unter Druck stehenden

Die Antriebsverbindung enthält in einem profilier- inerten Gases, wie beispielsweise Stickstoff oder ten Gehäuse 12 c, das koaxial zum Gehäuse 3 c Argon. Die Verschlußteile 35 c und 36 c sind an der (Fig. 14) verläuft und durch nicht dargesteUte Mittel io Leitung28c befestigt und mit Dichtungspackungen mit diesem verbunden ist, einen Unipolargenerator 37 c und 38 c, die zur Abdichtung gegenüber den WeI-14 c und einen Unipolarmotor 15 c. Die Anker 16 c len 19 c bzw. 23 c dienen, und einer zwischen diesen bzw. 17 c dieser Unipolarmaschinen sind als Scheiben beiden Dichtungspackungen augeordneten dritten ausgebildet, deren Dicke radial nach außen abnimmt, Dichtungspackung 39 c versehen,
damit die Stromdichte des in ihnen umlaufenden 15 Die Wand 36 c ist gegen die Leitung 28 c elektrisch Stroms im wesentlichen gleichförmig ist. isoliert und trägt das fest angeordnete Teil 40 c eines

Der Anker 16 c ist über ein Verbindungsstück 18 c Drehkontaktes 41c, dessen bewegliches Teil von an einer rohrförmigen Welle 19 c befestigt, die eine einem Flansch 42c gebildet wird, das mit dem Anker Verlängerung des Rotors 20 c des Niederdruckver- 17 c mechanisch und elektrisch verbunden ist. Man dichters4c (Fig. 14) stromaufwärts von einem Ku- 20 kann somit bei Betrieb des Triebwerks zwischen der gellager 21 c bildet. Wand 36 c und deren Lagerträger 28 c eine elektrische

Das Laufrad 1 c des Gebläses wird von einem Spannung erhalten, mit der sich — über nicht dargekonischen Bauteil 22 c getragen, das die Verlängerung stellte Leitungen — die verschiedenen an Bord des einer koaxial zur Welle 19 c verlaufenden rohrförmi- Flugzeugs befindlichen elektrischen Hilfsaggregate gen Welle 23 c bildet. Die Welle 23 c weist einen as speisen lassen. Ferner kann das Triebwerk in der Flansch 24 c auf, an dem der Anker 17 c des Uni- Weise angelassen werden, daß die obenerwähnten polarmotors 15 c befestigt ist. Die Welle 23 c läuft in Leitungen im gewünschten Augenblick an eine äußere einem Kugellager 25 c und in einem Rollenlager 26 c, elektrische Energiequelle angeschlossen werden,
dessen Außenring an der Welle 19 c neben dem I ager Die Lager 21 c, 25 c und 26 c sind beidseitig zu der

21 c befestigt ist. 3° Feldwicklung 33 c und in gewissem Abstand dazu an-

Die Lager 21c und 25 c sind jeweils mit ihrem geordnet. Durch diese Vorsichtsmaßnahme soll verAußenring an einer inneren Verlängerung 26 c des hindert werden, daß in den Wälzlagerelementen (Ku-Gehäuses 12c und einem Steg 27c, der mit dem Ge- geln oder Rollen) Ströme induziert werden. Außerhäuse einen starren Verband bildet, befestigt. dem sind zu dem gleichen Zweck in der Nähe dieser

Eine fest angeordnete ringförmige Leitung 28 c, die 35 Lager Wicklungen 43 c und 44 c zur Erzeugung eines mit dem Steg 27 c starr verbunden ist, verbindet über Magnetfeldes vorgesehen, das dem von der Wicklung Drehkontakte 29 c bzw. 30 c aus flüssigem Metall die 33 c erzeugten Magnetfeld örtlich entgegengerichtet radial äußeren Ränder der Anker 16 c und 17 c unter- ist. Diese Vorsichtsmaßnahmen werden durch Abeinander. Eine ringförmige Leitung 31c, die an der schirmelemente 45 c und 46 c vervollständigt, die Basis des Ankers 17 c befestigt ist, verbindet über 40 einen Ring großer magnetischer Permeabilität bilden, einen dritten Drehkontakt 32 c aus flüssigem Metall durch den der Einfluß des restlichen Felds in den den Anker 17c mit der Basis des Ankers 16c. Auf Lagern 21c und 25c ausgeschaltet werden kann,
d se Weise wird ein geschlossener elektrischer Kreis Wie bereits oben gesagt, wird das Verhältnis der

gebildet, der den Anker 16c, die feste Leitung28c, Drehzahlen des Gebläses Ic und des Rotors 20c den Anker 17 c und dessen Verlängerung 31 c enthält. 45 durch das Verhältnis der Magnetflüsse in den Ankern Der elektrische Kreis befindet sich vollständig in dem 16 c und 17 c festgelegt. Bei der Anordnung gemäß im wesentlichen axial verlaufenden Magnetfeld, das Fig. 15 hängt dieses Verhältnis nur von der Geovon einer an dem Steg 27 c befestigten supraleitenden metrie der Anker ab, da die Feldwicklung 33 c nur Wicklung 33 c erzeugt wird. Unter Berücksichtigung einmal vorhanden ist. Um jedoch dieses Verhältnis der Ausbildung des elektrischen Kreises rotieren die 50 ändern zu können, kann gemäß einer anderen Ausfüh-Ankerl6c und 17 c in der gleichen Richtung, und rungsform die Wicklung 33 c durch zwei getrennte ihre Drehzahlen stehen im gleichen Verhältnis wie die Feldwicklungen ersetzt werden, die mit einer Regelin ihnen herrschenden Magnetflüsse. Dieses Verhält- einrichtung zum Ändern des Verhältnisses der in den nis wird durch die radiale Höhe bezüglich der Leitung beiden Wicklungen herrschenden Stromstärken ver-28 c festgelegt, die die Rolle eines Reaktionsteils bil- 55 sehen sind.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

21 Ol Patentansprüche:

1. Gasturbinentriebwerk mit einer Turbine, einem Verdichter und einer aus Generator und Motor S bestehenden elektrischen Übertragungseinrichtung, über die der Verdichter von der Turbine angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter und die Turbine, die lim einen gemeinsamen festen Achskörper (16; 1211) drehbar sind, jeweils mindestens zwei gegensinnig umlaufende unabhängige Laufräder (122; 1231; 152) aufweisen, und daß jeweils ein Abschnitt der Laufräder den Anker (128; 1224; 154) einer elektrischen Unipolarmaschine bildet, die im Fall de* Verdtchterlaufräder als Motor und im Fall der Turbinenlaufräder als Generator arbeitet, wobei sämtliche Anker untereinander elektrisch in Reihe geschaltet sind.

2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Lauf- räder des Verdichters oder der Turbine einen den Anker bildenden scheibenförmigen Abschnitt (1224) aufweist, der von zwei koaxial zu dem betreffenden Laufrad angeordneten ringförmigen elektrischen Kontaktflächen unterschiedlichen Durchmessers begrenzt wird und daß der Erreger dieser Unipolarmaschine zwei beidseitig zu diesem Laufrad und koaxial zu diesem angeordnete Wicklungen (1225) aufweist, die vom elektrischen Strom in gleicher Richtung durchflossen sind (Fig. 13).

3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei aufeinanderfolgenden Laufrädern des Verdichters oder der Turbine ein festes Teil (1223 a; 1223 b) angeordnet ist, das einerseits eine beiden Unipolarmaschinen dieser beiden Laufräder zugeordnete Erregerwicklung (1225) und andererseits einen koaxial zu diesen Laufrädern angeordneten elekirisch leitenden Ring (1228; 1229) trägt, der über Gleitkontakte (1227a; 1227 b) eine ringförmige Kontaktfläche eines der Lauf räder (1224) mit der entsprechenden ringförmigen Kontaktfläche des anderen Laufrads elektrisch verbindet (Fig. 13).

4. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der ringförmigen Kontaktflächen schräg verlaufend ausgebildet ist und mit einem entsprechend schräg verlaufenden Abschnitt des Rings (1229) zusammenwirkt (F i g. 13).

5. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Laufrad des Verdichters oder der Turbine einen den Anker bildenden, im wesentlichen axial verlaufenden trommeiförmigen Abschnitt (128, 228 ...) aufweist, der an seinen beiden Enden von zwei ringförmigen Kontaktflächen begrenzt wird, und daß der Erreger dieser Unipolarmaschine zwei koaxial zum Anker angeordnete Wicklungen (36, 138) ^fio aufweist die mit axialem Abstand zueinander angeordnet sind und vom elektrischen Strom in entgegengesetzten Richtungen durchflossen sind (Fig. 2).

6. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 5, da- ⁶S durch gekennzeichnet, daß zwischen zwei aufeinanderfolgenden Laufrädern des Verdichters oder der Turbine ein koaxial zu diesen Rädern verlaufender Ring (134) fest angeordnet ist, der über Gleitkontakte (130; 131) eine ringförmige Kontaktfläche eines dieser Lauiräder (128) mit der entsprechenden ringförmigen Kontaktfläche des anderen Laufrads (228) elektrisch verbindet (F ig. 2).

7. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der ringförmigen Kontaktflächen schräg verlaufend ausgebildet ist und mit einem entsprechend schräg verlaufenden Abschnitt (134a; 1346) des Rings (134) zusammenwirkt (Fig. 2).

8. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Laufräder des Verdichters oder der Turbine einen scheibenförmigen ersten Abschnitt (1546) und einen mit diesem einstückigen im wesentlichen axial verlaufenden, trommeiförmigen zweiten Abschnitt (154 a) aufweist, von denen der erste Abschnitt von einer koaxial zum Laufrad verlaufenden, ersten ringförmigen Kontaktfläche und der zweite Abr^hnitt von einer koaxial zum Laufrad verlaufenden, zweiten ringförmigen Kontaktfläche begrenzt wird und die gemeinsam den Anker (154) der diesem Laufrad zugeordneten Unipolarmaschine bilden und daß der Erreger dieser Unipolarmaschine mindestens drei koaxial zu diesem Laufrad angeordnete Wicklungen aufweist, und zwar zwei Wicklungen (60, 160) großen Durchmessers, die beidseitig zu dem scheibenförmigen Abschnitt (1546) in der Nähe der ersten ringförmigen Kontaktfläche angeordnet sind und vom Strom in gleicher Richtung durchflossen sind, und eine dritte Wicklung (164) kleinen Durchmessers, die benachbart zu der zweiten ringförmigen Kontaktfläche angeordnet und vom Strom in entgegengesetzter Richtung bezüglich der Wicklungen großen Durchmessers durchflossen ist (F i g. 3).

9. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der ringförmigen Kontaktflächen schräg verlaufend ausgebildet ist und mit einem entsprechend schräg ausgebildeten Abschnitt eines fest angeordneten Leiterteils (56; 44) zusammenwirkt (Fig. 3).

10. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für mindestens eines der Laufräder des Verdichters oder der Turbine die zugehörige Unipolarmaschine so ausgebildet ist, daß einerseits das Erregerfeld eine Komponente aufweist, die in einer zur Achse des Laufrads senkrecht verlaufenden Ebene liegt, und andererseits die Stromlinien im Anker eine Komponente aufweisen, die in der genannten Ebene liegt und senkrecht zu der besagten Komponente des Erregerfelds verläuft, derart, daß eine axiale elektrodynamische Kraft erzeugt wird, die den durch die Schautelkräfte hervorgerufenen Axialschub ausgleicht (F t g. 5 bis 11).

11. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Abschnitt des Ankers einen anisotropen Aufbau besitzt, der dem Vektor der Stromdichte in diesem Anker eine Tangentialkomponente verleiht (Fig. 5 bis 11).

12. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in dem besagten Abschnitt des Ankers Schlitze (68; 69; 82; 80;84) vorgesehen sind, die in einer Richtung mit einer

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3 4

rangentialkomponente geneigt sind (Fig. 5 TransmissionsweUe eine elektrische Übertragungsein-

,,'· _ .. . , richtung vorgesehen. Zu diesem Zweck ist die Welle

13. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 12, der einstufig ausgebildeten Turbine mit einem elekdadurch gekennzeichnet, daß jeder dei geneigten irischen Generator verbunden, der über eine elek-Schlitze (80) mindestens zwei aufeinanderfolgende 5 trische Verbindung an einem elektrischen Motor anAbschnitte aufweist, deren Neigungen verschieden geschlossen ist Der elektrische Motor treibt die Anvoneinander sind (Fig 8, 9). triebswelle des Rotors eines mehrstufigen Verdichters

14. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 12 an. Diese — nur schematisch angedeutete — Lösung oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Erreger könnte in konstruktiver Hinsicht kaum befriedigen, (36 a, 37 a, 366) der diesem Laufrad zugeord- io da Generator und Motor im Bereich der Brennkamneten Unipolarmaschine so ausgebildet ist, daß in mer angeordnet sind und überdies die von Turbine zwei Abschnitten des Ankers, in denen sich zwei und Verdichter getrennten elektrischen Maschinen Abschnitte des geneigten Schlitzes (80) befinden, einen erheblichen Platzbedarf erfordern. Auch ist bei zwei Magnetfelder unterschiedlicher Größe er- der bekannten Anordnung keine Möglichkeit gegeben, zeugt werden und das Verhältnis zwischen den 15 die Drehzahlen der einzelnen Verdichterstufen unGrößen dieser beiden Magnetfelder veränderbar abhängig voneinander zu regeln.

ist (F i g. 8, 9). Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

15. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 14, konstruktiv möglichst zweckmäßige Lösung für ein dadurch gekennzeichnet, daß der Erreger minde- Gasturbinentriebwerk mit einer elektrischen Überstens eine Hauptwicklung (36 a, 366) und eine 20 tragungseinrichtung zwischen Turbine und Verdichter Hilfswicklung (37 α) aufweist (F i g. 8). anzugeben.

16. Gasturbinentriebwerk nach einem der An- Diese Aufgabe wird bei einem Gasturbinentriebwerk Sprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dader Erreger mindestens einer der Unipolarmaschi- durch gelöst, daß der Verdichter und die Turbine, nen eine Regeleinrichtung zum Regeln des von »5 die um einen gemeinsamen festen Achskörper drehihm erzeugten Magnetflusses aufweist. bar sind, jeweils mindestens zwei gegensinnig um-

17. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 16, laufende unabhängige Laufräder aufweisen, und daß dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung jeweils ein Abschnitt der Laufräder den Anker einer einer Programmeinrichtung für die Drehzahlen elektrischen Unipolarmaschine bildet, die im Fall der der verschiedenen Laufräder des Verdichters und/ 30 Verdichterlaufräder als Motor und im Fall der Tur- oder der Turbine zugeordnet ist. binenlaufräder als Generator arbeitet, wobei sämt-

18. Gasturbinentriebwerk nach einem der An- liehe Anker untereinander elektrisch in Reihe gesprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß schaltet sind.

der Erreger mindestens einer der Unipolarmaschi- Unipolarmaschinen sind an sich bekannt. So ist es

nen mindestens einen im Zustand der Supraleit- 35 beispielsweise bekannt, ein einzelnes Gebläserad

fähigkeit gehaltenen Leiter aufweist. mittels eines Unipolarmotors anzutreiben (US-PS

19. Gasturbinentriebwerk nach einem der An- 2 914 688).

Sprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß Durch die bei dem erfindungsgemäßen Gasturbinenfür mindestens eine der Unipolarmaschinen der triebwerk vorgesehene Ausbildung der einzelnen Anker bezüglich eines festen Teils der Unipolar- 4° Laufräder als individuelle Unipolarmaschinen (Genemaschine mittels eines Lagers umläuft, das gleich- ratoren und Motoren) werden besondere Vorteile zeitig den elektrischen Kontakt zwischen dem erzielt. Die elektrischen Maschinen sind in der Tur-Anker und dem festen Teil herstellt. bine und dem Verdichter konstruktiv integriert, so

20. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 19, daß keine von der Turbine und dem Verdichter gedadurch gekennzeichnet, daß das Lager ein Flüs- 45 trennten elektrischen Maschinen erforderlich sind, sigmetallager ist. Die erfindungsgemäße Lösung führt zu einer elek-

21. Gasturbinentriebwerk nach einem der An- trisch besonders einfachen Anordnung, bei der sämtsprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß liehe Maschinen in Reihe geschaltet sind. Gleichzeitig in der Nähe mindestens eines Lagers (21c, 25 c) ergibt sich eine aerodynamisch vorteilhafte Ausbilmindestens eine Ausgleichs-Erregerwickiung (43 c, 50 dung durch die Gegenläufigkeit der Schaufelräder, so 44 c) vorgesehen ist, die im Bereich des Lagers daß keine feststehenden Leitschaufelkränze erforderein Magnetfeld erzeugt, das demjenigen entgegen- Hch sind. Trotz der konstruktiv und elektrisch so gesetzt ist, das dort von dem Erreger (33 c) der einfachen Anordnung können die Drehzahlen der dem Lager benachbarten Unipolarmaschine er- einzelnen Laufräder praktisch unabhängig voneinzeugt wird (Fig. 15). 55 ander geregelt werden.

Um die Vorteile des erfindungsgemäßen Gasturbinentriebwerks besser verstehen zu können, sei auf

einige Eigenschaften der Unipolarmaschinen näher

eiiigegangen.

60 Wie bei den meisten reversiblen elektrotechnischen

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinentriebwerk mit Maschinen wird bei den Unipolarmaschinen von dem iner Turbine, einem Verdichter und einer aus Ge- Zusammenwirken eines Stroms und eines Magneterator und Motor bestehenden elektrischen Über- felds, dem sogenannten Erreger- oder Induktionsfeld, agungseinrichtung, über die der Verdichter von der Gebrauch gemacht. Der Strom durchfließt einen urbine angetrieben wird. 65 drehbaren Anker, der aus einer Gruppe von getrenn-Bei einem bekannten Gasturbinentriebwerk dieser ten oder nicht getrennten Leitungen besteht. Der Lrt (GB-PS 595 357, Fig. 10) ist zwischen der Tür- Anker besitzt keine Wicklungen sowie keine Poline und dem Verdichter statt der herkömmlichen stücke und kann bezüglich seiner Achse völlig rota-