DE2331407A1

DE2331407A1 - Gasturbine, insbesondere in zweiwellenbauart fuer kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE2331407A1
Application number: DE19732331407
Authority: DE
Inventors: Peter Koegel
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1973-06-20
Filing date: 1973-06-20
Publication date: 1975-01-16
Also published as: DE2331407C3; DE2331407B2

Description

Kiöckner-Humboidt-Deutzag ZAlHLHiU 5 Köln 80, den 5. Juni 1973

Unser Zeichen:D 73/48 - AP Nau/Bu

Gasturbine, insbesondere in Zweiwellenbauart für Kraftfahrzeuge

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine, insbesondere in Zweiwellenbauart für Kraftfahrzeuge, mit einem Gaserzeuger, der zumindest einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Verdichterturbine aufweist, mit einer Arbeitsturbine, die über ein Untersetzungsgetriebe eine Abtriebswelle antreibt, einem Wärmetauscher und Hilfsaggregaten für den Gaserzeuger und das Kraftfahrzeug.

Zweiwellige Kraftfahrzeuggasturbinen obiger Gattung sind bekannt (ATZ 1968, S. 427, Abhandlung von Gebauer "Neue englische Nutzfahrzeugantriebe"), insbesondere Bild 6a und 7. Bei diesen Gasturbinen ist der Gaserzeuger und die Arbeitsturbine koaxial zueinander, hintereinander angeordnet, so daß ein verhältnismäßig langer Bauraum benötigt wird. Infolgedessen können die Hilfsaggregate für den Gaserzeuger und das Kraftfahrzeug, nur um die Gasturbine herum angeordnet werden, so daß sie schwierig zugänglich und daher ungünstig zu warten sind. Weiterhin besteht bei Kraftfahrzeugen insbesondere Lastkraftfahrzeugen das Problem, daß der Querabstand zwischen den Längsträgern begrenzt ist, da bei vorgegebener Breite des

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Fahrzeuges ein hinreichendes Einschwenken der Lenkräder gegeben sein muß. Darüber hinaus besteht die Forderung, daß in einem bestimmten Winkel zur Horizontalen, ausgehend von der Standfläche der vorderen Räder keine Bauteile der Gasturbine vorhanden sein dürfen, um den für die Geländegängigkeit des Fahrzeuges freizuhaltenden Böschungswinkel nicht zu beeinflussen.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gasturbine obiger Gattung dahingehend zu verbessern, daß die oben genannten Nachteile vermieden und die Forderungen erfüllt werden. Weiterhin soll die Gasturbine in ihrer äußeren Form und in ihren Abmessungen so ausgebildet sein, daß sie für den wahlweisen Einbau in einem Kraftfahrzeug anstelle einer Hubkolbenbrennkraftmaschine geeignet ist.

Gelöst wird diese Aufgabe der Erfindung dadurch, daß der Gaserzeuger etwa rechtwinklig zur Arbeiteturbine oberhalb derselben mit etwa vertikaler Mittelachse angeordnet und zwischen dem Gaserzeuger und der Arbeitsturbine ein Gasumlenksystem vorgesehen ist. Eine solche Gasturbine baut in vorteilhafter Weise wesentlich kürzer als Gasturbinen herkömmlicher Bauart. Darüber hinaus gleicht sie sich wesentlich besser den Abmessungen einer Hubkolbenbrennkraftmaschine an, da im für die

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Hubkolbenbrennkraftmaschine vorgesehenen Bauraum genügend Höhe vorhanden ist, die durch die übliche Bauart der Gasturbinen nicht genutzt wird, wogegen die vorhandene Länge überschritten wird. Weiterhin ist dadurch die Möglichkeit gegeben, ohne besondere Schwierigkeiten den erforderlichen Böschungswinkel freizuhalten. Darüber hinaus bietet diese Anordnung der Erfindung insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit angetriebenen Vorderachse den Vorteil, daß aufgrund der Kürze des unteren Gehäuses genügend Raum für die Bewegungen des Differentialgehäuses der angetriebenen Vorderachse gegeben ist. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß das Gasumlenksystem als Umlenkspirale ausgeführt und die Mittelachse des Gaserzeugers zur Mittelachse der Arbeitsturbine versetzt ist. Das Gasumlenksystem als Umlenkspirale auszubilden ist vorteilhaft, da damit geringstmögliche Umlenkverluste verwirklicht werden können. Weiterhin hat die Umlenkspirale den Vorteil, daß der Gaserzeuger sowohl radial als auch axial näher zur Arbeitsturbine herangebaut werden kann, als dies durch andere Umlenksysterae möglich wäre. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, daß die Mittelachse des Gaserzeugers zur Mittelachse der Arbeitsturbine versetzt ist. Aufgrund der rechtwinkligen Achsanordnung von Gasgenerator und Arbeitsturbine wird Raum für die Brennkammer gewonnen, so daß dafür kein zusätzlicher Bauraum erforderlich

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ist und der vorhandene Bauraum gleichmäßig ausgenutzt werden kann. Bei 'einer Gasturbine, bei der der Gaserzeuger, die Arbeitsturbine und das Untersetzungsgetriebe in einem Gehäuse eingebaut sind, ist es zwecks Austausch des hochbelasteten und daher am ehesten dem Verschleiß unterliegenden Gaserzeuger vorteilhaft, wenn der Gaserzeuger, dessen Hilfsaggregate und die Brennkammer in einem Gehäuse zusammengefaßt sind, das leicht abnehmbar am Arbeitsturbinengehauseteil angeflanscht ist. Dadurch ist es möglich, den Gaserzeuger auszuwechseln, ohne daß dafür die gesamte Gasturbine ausgebaut zu werden braucht. Eine gute Wartungsmöglichkeit der Hilfsaggregate der Gasturbine ist dann gegeben, wenn die Hilfsaggregate der Gasturbine, z.B. Starter, Brennstoffpumpe und Ölpumpe neben dem Gaserzeuger auf der der Arbeitsturbine abgewandten Seite des Gaserzeugers angeordnet und mit der Gaserzeugerwelle gekuppelt sind. Die so angeordneten Hilfsaggregate liegen nach einfachem Hochklappen einer Kühlerjalousie bzw. Hoch- odar Wegklappen einer Stoßstange des Kraftfahrzeuges frei, so daß ein ungehinderter Zugang möglich ist. Weiterhin wird vorgeschlagen, daß der Gehäuseteil des Gaserzeugers oberhalb des Verdichters einen Ansaugluftsammelraum umschließt, der oberhalb der Hilfsaggregate eine von einem Luftfilter abgeschlossene Ansaugöffnung hat. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, daß der Gaserzeuger ohne weitere Zuleitungen an der günstigsten Stelle,

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nämlich an der etwas höher gelegenen Frontpartie des Fahrerhauses Luft ansaugen kann. Weiterhin wird vorgeschlagen, daß das dem Verdichter zugeordnete obere Lager des Gaserzeugers als Festlager ausgebildet i3t und ira Gehäuseteil oberhalb des Ansaugluftraumes angeordnet ist. Damit befindet sich das Festlager und der Wellenbereich bis zum Verdichter in einem Bereich niedriger, gleichmäßiger Temperatur, so daß daduÄh das Verdichterlaufrad vor Axialverschiebungen, die den Wirkungsgrad des Verdichters sehr stark beeinflussen, bewahrt bleibt. Bei einer senkredt angeordneten Gaserzeugermittelachse treten, bei exakt ausgewuchteten rotierenden Teilen theoretisch keine'Radialkräfte auf. Ist jedoch das untere Lager als Wälzlager ausgebildet, so kann es zur Erzeugung einer difinlerten Lagerlast günstig sein, den Gaserzeuger etwas geneigt zur Senkrechten anzuordnen. Eine gute Raumausnutzung ergibt sich dann, wenn die Brennkammer tangential zur Verdichterturbine etwa rechtwinklig zur Arbeitsturbinenwelle liegend angeordnet ist. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Wärmetauscher neben dem Gaserzeuger etwa auf dessen Höhe, oberhalb der Arbeitsturbinen- und/oder Abtriebswelle gelagert ist. Der vom Gaserzeuger und von der Arbeitsturbine gebildete Winkel wird günstig durch Anordnung des Wärmetauschers in diesem Bereich ausgefüllt. Dadurch ergibt sich insgesamt eine Gasturbine, die den an die räumliche Ausgestaltung derselben für den

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Einbau in ein Kraftfahrzeug gestellten Forderungen gerecht wird. Weiterhin ergibt sich durch diese Anordnung des Gaserzeugers, der Arbeitsturbine und des Wärmetauschers eine sehr gute Gas- und Luftführung zum Wärmetauscher, da dieser direkt am Austritt des Gases aus der Arbeitsturbine und weiterhin im Bereich der verdichteten Luft des Gaserzeugers liegt, so daß sich sowohl für die zu erwärmende Luft wie für die Abgase sehr kurze Leitungen ergeben. Der Zugang zu den Hilfsaggregaten für das Kraftfahrzeug ist dann günstig, wenn die Hilfsaggregate für das Kraftfahrzeug, z.B. Lichtmaschine, Kompressor und Hydraulikpumpe unterhalb der Hilfsaggregate des Gaserzeugers etwa in Höhe der Arbeitsturbine am Gehäuseteil derselben angeflanscht und von der Abtriebswelle aus angetrieben sind. Dadurch liegen alle Hilfsaggregate sowohl die des Gaserzeugers wie die des Kraftfahrzeuges zusammen und können in einfacher Weise gleichzeitig gewartet werden. Durch den Antrieb der Hilfsaggregate des Kraftfahrzeuges von der Abtriebswelle aus wird kein zusätzlicher Bauraum benötigt, sondern lediglich der vorhandene ausgenutzt, da der vorhandene Bauraum zwischen den Längsträgern rechteckig und der Querschnitt des Gehäuses der Arbeitsturbine rund ist, so daß durch seitliche Verlagerung der Antriebswelle der Hilfsaggregate kein zusätzlicher Raum benötigt wird. Durch die erfinderische Ausgestaltung der Gasturbine ist es weiterhin möglich, daß die Arbeitstur-

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binenwelle auf der der Abtriebswelle gegenüberliegenden Seite durch das Gehäuse hinaus verlängert und als zusätzliche Abtriebswelle ausgebildet ist. Damit stehen Abtriebswellen verschiedener Drehzahlen zur Verfügung, wie es bei Gasturbinen mit koaxial angeordneter Gaserzeuger- und Arbeitsturbinenwelle nur mit großem Aufwand beispielsweise durch eine hohle Gaserzeugerwelle möglich wäre, was bei Gasturbinen in der Leistungsklasse für Fahrzeugantriebe erhebliche Schwierigkeiten verursacht. Durch Zwischenschaltung eines geeigneten GEtriebes, ist es schließlich auch möglich, daß die Hilfsaggregate für das Kraftfahrzeug von der zusätzlichen Abtriebswelle aus angetrieben werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt. Es zeigen:

Abb. 1 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Gasturbine,

Abb. 2 eine Frontansicht der Gasturbine gemäß Abb. 1.

In den Abb. 1 und 2 ist mit 1 ein Gaserzeuger bezeichnet, der eine Gaserzeugerwelle 2 aufweist, auf der drehfest ein Verdichter 3 und eine Verdichterturbine 4 angeordnet sind. Die

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Rotationsteile des Gaserzeugers sind in einem Gaserzeugergehäuse 5 eingebaut, das in seinem oberen Bereich einen Ansaugluftsammelraum 6 aufweist. Der Ansaugluftsammelraum 6 weist eine trichterförmige Mündung auf, die durch einen Ansaugfilter 7 abgeschlossen wird. Die Gaserzeugerwelle 2 ist oberhalb des Ansaugluftsammelraumes im Gaserzeugergehäuse 5 durch ein Festlager 8 fixiert und weist im unteren Teil des Gehäuses zwischen dem Verdichter 3 und der Verdichterturbine ein Loslager 9 auf. Oberhalb des Ansaugluftsammelraumes 6 weist das Gaserzeugergehäuse 5 einen Räderkasten 10 auf, durch den von der Gaserzeugerwelle 2 aus eine Hilfswelle 11 angetrieben wird, die parallel zur Gaserzeugerwelle 2 durch den Ansaugluftsammelraum führt und zur Vermeidung von Strömungsverlusten von einem Gehäuserohr 12 umgeben ist, das eine strömungsgünstige Querschnittsform aufweist. In Wirkungsrichtung zwischen dem Verdichter 3 und der Verdichterturbine ist am Gaserzeugergehäuse 5 eine Brennkammer 26 (in Abb. ι nicht dargestellt) angebaut, in der die verdichtete Luft in heißes Gas umgewandelt wird. Die Brennkammer 26 ist tangential zur Verdichterturbine, etwa senkrecht zur Schnittebene der Abb. 1 angeordnet. Unterhalb der trichterförmigen Mündung des Ansaugluftsammelraumes 6 sind Hilfsaggregate 13 für den Gaserzoger angeflanscht, die von der Hilfswelle 11 aus angetrieben werden. Das Gaserzeugergehäuse 5 ist über

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einen Flansch 14 an einem die übrigen Teile der Gasturbine tragenden Gehäuse 15 zentriech befestigt. Im Gehäuse 15 ist eine Arbeitsturbinenwelle 17, auf der eine Arbeitsturbine befestigt ist, gelagert. Zwischen dem Gaserzeuger 1 und der Arbeitsturbine 16 ist eine Umlenkspirale 18 angeordnet, die die Abgase des Gaserzeugers auf die Arbeitsturbine leitet. Auf der der Umlenkspirale gegenüberliegenden Seite der Arbeitsturbine 16 ist ein Abgassammeiraum 19 angebaut, der die entspannten Abgase zu einem Wärmetauscher 20 führt, an dem, nicht dargestellt, Leitungen angeschlossen sind, über die die vom Verdichter 3 komprimierte Luft zwecks Erwärmung zum Wärmetauscher 20 geführt wird und von dort zur Brennkammer gelangt. An dem dem Abgassamme1raum benachbarten Ende der Arbeitsturbinenwelle 17 ist ein Untersetzungsgetriebe 21 angebaut, über das die Arbeitsturbine 16 eine Abtriebswelle antreibt. Die Arbeitsturbinenwelle 17 ist an dem dem Untersetzungsgetriebe entgegengesetzten Ende durch das Gehäuse 15 hindurchgeführt und dort als Zusatzabtriebswelle 23 ausgebildet. Die zusätzliche Abtriebswelle kann natürlich auch mit einem Untersetzungsgetriebe ausgerüstet sein, um je nach Verwendungszweck die passende Drehzahl zu liefern. Parallel zur Arbeitsturbinenwelle 17 ist eine Nebenwelle 24 im Gehäuse gelagert, die vom Untersetzungsgetriebe 21 aus angetrieben wird. Am vorderen Ende des Gehäuses 15 im Bereich der Umliufspirale sind Kraftfahrzeughilfsaggregate 25 angeflanscht,

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die von der Nebenwelle 24 angetrieben werden. Wie insbesondere aus Abb. 2 ersichtlich, ist die Nebenwelle zur Arbeitsturbinenwelle seitlich versetzt angeordnet, so daß weder zusätzliche Bauhöhe noch zusätzliche Baubreite benötigt wird. Wie weiterhin aus Abb. 2 ersichtlich, ist der Querschnitt der gesamten Gasturbine aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung der Turbinenteile zueinander so ausgestaltet, daß die äußere Bauform weitgehend der Bauform einer Hubkolbenbrennkraftmaschine angeglichen ist, so daß die Gasturbine wahlweise in ein für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine ausgestaltetes Kraftfahrzeug ohne bauliche Veränderungen eingesetzt werden kann. Es sei erwähnt, daß die Kraftfahrzeughilfsaggregate 25 auch direkt von der zusätzlichen Abtriebswelle 23 aus angetrieben werden können, so daß die Nebenwelle 24 entfallen kann. Wie insbesondere aus Abb. 2 ersichtlich, sind alle Hilfsaggregate und zu wartenden Teile, wie der Ansaugfilter 7, dicht beieinander angeordnet, so daß von einer Stelle aus die gesamte Wartung erfolgen kann.

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Claims

Patentansprüche

G) Gasturbine, insbesondere in Zweiwellenbauart für Kraftfahrzeuge, mit einem Gaserzeuger, der zumindest einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Verdichterturbine aufweist, mit einer Arbeitsturbine, die über ein Unter-Setzungsgetriebe eine Abtriebswelle antreibt, einem Wärmetauscher und Hilfsaggregaten für den Gaserzeuger und das Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaserzeuger (1) etwa rechtwinklig zur Arbeitsturbine (16) oberhalb derselben mit etwa vertikaler Mittelachse angeordnet und zwischen dem Gaserzeuger (1) und der Arbeitsturbine (16) ein Gasumlenksystem vorgesehen ist.
2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasumlenksystem als Umlenkspirale (18) ausgeführt und die Mittelachse des Gaserzeugers (1) zur Mittelachse (17) der Arbeitsturbine (16) versetzt ist.
3. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der der Gaserzeuger, die Arbeitsturbine und das Untersetzungsgetriebe in einem Gehäuse eingebaut sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaserzeuger (1), dessen Hilfsaggregate (13) und die Brennkammer (26) in einem Gehäuseteil zusammengefaßt sind, das leicht abnehmbar am Arbeitsturbinengehäuseteil (15) angeflanscht ist.

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4. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsaggregate (13) der Gasturbine z.B. Starter, Brennstoffpumpe und Ölpumpe neben dem Gaserzeuger (1) auf der der Arbeitsturbine (16) abgewandten Seite desselben angeordnet und mit der Gaserzeugerwelle (2) gekuppelt sind.
5. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäuseteil des Gaserzeugers Cl) oberhalb des Verdichters (3) einen Ansaugluftsammelraum (6) umschließt, der oberhalb der Hilfsaggregate (13) eine von einem Ansaugfilter (7) abgeschlossene Ansaugöffnung hat.
6. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Verdichter (3) zugeordrtibe obere Lager des Gaserzeugers (l) als Festlager (8) ausgebildet ist und im Gehäuseteil oberhalb des Ansaugluftsammelraumes (6) angeordnet ist.
7. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (26) tangential zur Verdichterturbine (4), etwa rechtwinklig zur Arbeitsturbinenwelle (17), liegend angeordnet ist.

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8. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekannzeichnet, daß der Wärmetauscher (20) neben dem Gaserzeuger (1), etwa auf dessen Höhe, oberhalb der Arbeitsturbinen- und/oder Abtriebswelle (17, 22) gelagert ist.
9. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftfahrzeughilfsaggregate (25), z.B. Lichtmaschine, Kompressor und Hydraulikpumpe unterhalb der Hilfsaggregate (13) des Gaserzeugers (l) etwa in Höhe der Arbeitsturbine (16) am Gehäuseteil (15) derselben angeflanscht und von der Abtriebswelle (22) aus angetrieben sind.
10. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsturbinenwelle (17) auf der der Abtriebswelle (22) gegenüberliegenden Seite durch das Gehäuse (15) hinaus verlängert und als Zusatzabtriebswelle (23) ausgebildet ist.
11. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftfahrzeughilfsaggregate (25) von der Zusatzabtriebswelle aus angetrieben sind.

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