DE2424330C2

DE2424330C2 - Gas turbine plant

Info

Publication number: DE2424330C2
Application number: DE2424330A
Authority: DE
Inventors: Sven-Olof Prof. Lomma Kronogaard
Original assignee: United Turbine & Co Malmoe Se AB KB; United Turbine AB and Co KG
Current assignee: United Turbine & Co Malmoe Se AB KB; United Turbine AB and Co KG
Priority date: 1973-05-22
Filing date: 1974-05-18
Publication date: 1984-03-15
Also published as: IT1011479B; FR2230863A1; JPS5020119A; DE2424330A1; FR2230863B1; GB1474609A

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentan-Spruches 1.The invention relates to a gas turbine system with the features according to the preamble of the patent claim 1.

Bei einer bekannten Gasturbinenanlage (US-PS 46 879) besteht zwischen dem Gaserzeuger und der Leistungsturbine eine bedarfsweise Koppelung mittels einer Strömungskupplung. Hierdurch soll ein Durchgehen der Leistungsturbine bei Schaltvorgängen verhindert werden, indem durch die Strömungskupplung die Drehzahl der Leistungsturbine an diejenige ■ des Gaserzeugers angenähert wird. Weiterhin soll durch diese Koppelung die träge Masse des von der Gasturbinenanlage angetriebenen Fahrzeuges beim Schalten dazu herangezogen werden, die Drehzahl der beiden Wellen der Gasturbinenanlage enlsprecnend zu ändern.In a known gas turbine system (US-PS 46 879) there is between the gas generator and the Power turbine, if necessary, coupling by means of a fluid coupling. This is supposed to be a runaway the power turbine can be prevented during switching operations by the fluid coupling the The speed of the power turbine is approached to that of the gas generator. Furthermore, through this coupling reduces the inertial mass of the vehicle driven by the gas turbine system Switching can be used to enlsprecnend the speed of the two shafts of the gas turbine system change.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenanlage der beschriebenen Art so zu steuern, daß es auch unabhängig von Schaltvorgängen möglich «st, die Drehzahl des Verdichterrotors jeweils so einzustellen, daß eine rasche Beschleunigung oder Verzögerung an der Antriebswelle erreichbar istThe invention is based on the object of controlling a gas turbine system of the type described in such a way that that it is also possible to adjust the speed of the compressor rotor independently of switching operations set that rapid acceleration or deceleration on the drive shaft can be achieved

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruches 1.According to the invention, this object is achieved by the features according to the characterizing part of the patent claim 1.

Das Prinzip der Erfindung besteht darin, in dem weiteren Turbincnrotor und dem Kraftübertragungstci! mit dem größeren Massenträgheitsmoment gespeicherte kinetische Energie zur Beschleunigung des Verdichterrotors bedarfsweise heranzuziehen, wobei sich aufgrund des angegebenen Verhältnisses der Massenträgheitsmomente bei einer vergleichsweise geringen Drehzahländerung oes weiteren Turbinenrotors und des daran angeschlossenen Kraftübertragungsteils eine verhältnismäßig große Drehzahländerung des Verdichterrotors erzielen läßt Die rotierende Drehmasse des weiteren Turbinenrotors wird somit durch eine Veränderung des Drehzahlverhältnisses· an dem veränderbaren Getriebe dem Verdichterrotor wahlweise zugeschaltet. Hierdurch ist es möglich, in Anlagen, bei denen die Forderung nach sehr raschen Änderungen bezüglich Leistungsabgabe und/oder Drehzahl besteht, z. B. in Fahrzeugmaschinen für Pkw, Sportboote und dgL, das Beschleunigungsvermögen wesentlich zu verbessern. Denn der Verdichter kann die für die Beschleunigung erforderliche erhöhte Brennluftmenge infolge seiner Drehzahlsteigerung rascher liefern, so daß sich eine Betriebscharakteristik erzielen läßt, die den Kolbenmaschinen zumindest äquivalent ist. Außerdem wird hierdurch vermieden, daß übermäßige Temperatursteigerungen an dem Gasturbinenrotor auftreten.The principle of the invention consists in the further turbine rotor and the power transmission stci! Kinetic energy stored with the greater mass moment of inertia to accelerate the compressor rotor to be used if necessary, whereby due to the specified ratio of the mass moments of inertia with a comparatively low speed change oes further turbine rotor and the connected power transmission part a relatively large change in speed of the compressor rotor can achieve the rotating mass of the further turbine rotor is thus by a Change of the speed ratio · on the variable gearbox to the compressor rotor optionally switched on. This makes it possible in systems where the requirement for very rapid changes in terms of power output and / or speed, z. B. in vehicle machinery for cars, sports boats and dgL, the acceleration capacity increases significantly to enhance. This is because the compressor can generate the increased amount of combustion air required for acceleration deliver faster due to its increase in speed, so that an operating characteristic can be achieved that is at least equivalent to the piston engines. In addition, this avoids excessive Temperature increases occur on the gas turbine rotor.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous refinements of the invention emerge from the subclaims.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert In den Zeichnungen zeigenEmbodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings Show drawings

Fig. la, Ib schematisch das Beschleunigungs- und Verzögerungsverhalten der Gaserzeugeranlage einer herkömmlichen Gasturbine bzw. einer Gasturbinenanlage nach der Erfindung;Fig. La, Ib schematically the acceleration and deceleration behavior of the gas generator system conventional gas turbine or a gas turbine system according to the invention;

Fig. 2 eine Gasturbinenanlage nach der Erfindung mit drei Turbinen- und zwei Verdichterrotoren auf drei Wellen;2 shows a gas turbine system according to the invention with three turbine and two compressor rotors on three Waves;

F i g. 3 eine Weiterbildung der Anlage gemäß F i g. 2, bei der zwei Turbinenrotoren über ein Planetengetriebe mit einer Antriebswelle verbunden sind und mit dem Gaserzeugerteil über ein veränderbares Getriebe in Verbindung stehen, undF i g. 3 a further development of the system according to FIG. 2, with two turbine rotors via a planetary gear are connected to a drive shaft and with the gas generator part via a variable gear in Connected, and

Fig. 4 eine weitere Ausgestaltung mit einem vereinfachten, entgegengesetzt umlaufenden Turbinensystem, bei dem der Leitkranz zwischen den beiden letzten Turbinenstufen wegfällt und das veränderbare4 shows a further embodiment with a simplified, oppositely rotating turbine system, in which the guide ring is omitted between the last two turbine stages and the changeable one

Getriebe als einfacher variabler Riementrieb ausgestaltet ist.Transmission is designed as a simple variable belt drive.

Hintergrund der vorliegenden Erfindung ist das Prinzip, an dem aus Leichtmetall, Titan, Keramik oder sonstigem leichtgewichtigen Werkstoff bestehenden Verdichter, der nur 20 bis 3O"/o der trägen Masse des Turbinenrotors ausmacht, große Drehzahländerungen bei vergleichsweise kleinen Änderungen der Turbinendrehzahl zu erzielen, indem das Übersetzungsverhältnis eines zwischen Turbinen- und Verdichterrotor eingeschalteten veränderbaren Getriebes verändert wird.Background of the present invention is the principle on which made of light metal, titanium, ceramic or other lightweight material existing compressor, which is only 20 to 30 "/ o of the inertial mass of the Turbine rotor makes large changes in speed with comparatively small changes in turbine speed to be achieved by the transmission ratio of a switched between turbine and compressor rotor changeable transmission is changed.

Die Fig. la und Ib zeigen das Beschleunigungs- und Verzögerungsverhalten für eine herkömmliche Gasturbinenanlage mit einer gemeinsamen Welle für einen Verdichter 15 und eine Turbine 16, sowie einem weiteren Turbinenrotor 22, der auf einer unabhängigen Welle angeordnet ist, bzw. für eine einfache Ausführungsform einer erfindungsgetnäßen Anlage. Die eingetragenen Schaubilder zeigen den Verlauf der Drehzahl innerhalb einer bestimmten Zeitdauer, z. B. wenn ein Fahrzeug abgebremst und wJeder beschleunigt wird. Die Drehzahl des Verdichters ist voll ausgezogen, die der Turbine gestrichelt dargestellt.The Fig. La and Ib show the acceleration and Delay behavior for a conventional gas turbine system with a common shaft for one Compressor 15 and a turbine 16, as well as a further turbine rotor 22, which is on an independent Shaft is arranged, or for a simple embodiment of a system according to the invention. the entered graphs show the course of the speed within a certain period of time, e.g. B. when a vehicle is braked and everyone is accelerated. The speed of the compressor is fully extended, those of the turbine shown in dashed lines.

Vom Bremszeitpunkt P\ bis zum Zeitpunkt Fi, an dem Verdichter- und Turbinenrotor bis auf Leerlaufdrehzahl abgebremst worden sind, wird eine Zeitdauer Au benöiigt. Für das erneute Starten der Anlage zum Zeitpunkt P3 bis zum Erreichen der vollen Drehzahl bei Pa ist eine Zeitdauer Ati erforderlich. Die Beschleunigung und die Verzögerung sind hier vergleichsweise _3U klein(Fig. la). A period of time Au is required from the braking point in time P \ to the point in time Fi, at which the compressor and turbine rotors have been braked to idle speed. A period of time Ati is required for restarting the system at the point in time P3 until the full speed at Pa is reached. The acceleration and the deceleration are comparatively _3U small here (Fig. La).

Die Fig. Ib zeigt entsprechende Bedingungen bei einer einfachen erfindungsgemäßen Anlage. Vom Zeitpunkt P\ wird die Drehzahl sehr rasch auf Leerlaufdrehzahl im Punkt P₅ während einer Zeitdauer Ali verringert, während eine Drehzahlsteigerung auf Volldrehzahl vom Zeitpunkt P3 bis zum Zeitpunkt Pt eine Zeitdauer von ΔU erfordert. Ersichtlich sind die Zeitintervalle Ati und Au beträchtlich kürzer als4fi und At₇. ■ Fig. Ib shows corresponding conditions in a simple system according to the invention. From the point in time P \ , the speed is reduced very quickly to the idle speed at point P ₅ during a period Ali , while an increase in speed to full speed from the point in time P3 to the point in time Pt requires a period of ΔU . It can be seen that the time intervals Ati and Au are considerably shorter than 4fi and At ₇ . ■

Die Gasturbinenanlage gemäß F i g. 2 beinhaltet drei Turbinenrotoren 16, 22 und 24, von denen der letztere über ein Untersetzungsgetriebe eine Abtriebswelle 18 antreibt. Der Turbinenrotor 16 treibt direkt einen Verdichterrotor 156 an. Der zweite Turbinenrotor 22 betreibt eine erste Verdichterstufe 15a und steht über ein Gelriebe 21 und ein veränderbares Getriebe 10 mit der zweiten Verdichterstufe 15i> in Verbindung. In diesem Fall bilden die erste Verdichterstufe 15a, der Turbinenrotor 22 und ein Teil des Getriebes 21 eine zusätzliche Drehmasse, die bei einer Übersetzungsänderung des Getriebes 10 dem Verdichter 15£> Drehenergie zuführen. Eine Brennkammer ist mit 17 bezeichnet.The gas turbine system according to FIG. 2 includes three turbine rotors 16, 22 and 24, the latter of which drives an output shaft 18 via a reduction gear. The turbine rotor 16 drives one directly Compressor rotor 156 on. The second turbine rotor 22 operates a first compressor stage 15a and protrudes a gel drive 21 and a variable transmission 10 with the second compressor stage 15i> in connection. In this case, the first compressor stage 15a, the turbine rotor 22 and part of the gearbox 21 form one additional rotating mass, which when the gear ratio of the gear 10 is changed to the compressor 15 £> Apply rotary energy. A combustion chamber is designated by 17.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 3 werden zwei Verdichterstufen 15a, \5b von einer ersten Turbine 16 angetrieben. Ein weiterer Turbinenrotor 28 und ein dritter Turbinenrotor 23 sind über ein Planetengetriebe 30 mit einer Abtriebswelle 18 verbunden. Zwischen den beiden letztgenannten Turbinenstufen befinden sich einstellbare Einlaßleitschaufein 29, so daß die Strömungsgeometrie am Einlaß zur letzten Turbinenstufe 28 verändert werden kann, um eine Anpassung an unterschiedliche Betriebsbedingungen zu ermöglichen.In the embodiment according to FIG. 3, two compressor stages 15a, \ 5b are driven by a first turbine 16. Another turbine rotor 28 and a third turbine rotor 23 are connected to an output shaft 18 via a planetary gear 30. Adjustable inlet guide vanes 29 are located between the two last-mentioned turbine stages, so that the flow geometry at the inlet to the last turbine stage 28 can be changed in order to enable adaptation to different operating conditions.

Das Sonnenrad des Planetengetriebes 30 ist über das veränderbare Getriebe 10 mit den Verdichterrotoren 15a, \5b verbunden. Somit bildet die letzte Turbinenstufe 28 einen Teil der zusätzlichen Drehmasse. Die Anordnung des Planetengetriebes ist so gewählt, daß die entstehenden Reaktionsmomente, wenn das Sonnenrad durch die Drehmasse angetrieben wird, die auf die Abtriebswelle 18 übertragene Leistung erhöhen.The sun gear of the planetary gear 30 is connected to the compressor rotors 15a, \ 5b via the variable gear 10. The last turbine stage 28 thus forms part of the additional rotating mass. The arrangement of the planetary gear is chosen so that the resulting reaction torques when the sun gear is driven by the rotating mass increase the power transmitted to the output shaft 18.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 4 bildet die letzte Turbinenstufe 28 die Drehmasse, die zur Beschleunigung und Verzögerung des Gaserze .gerteiles 15,16,17 verwendet wird. Da hier die Turbinen;-niage für eine gegensinnige Drehrichtung ausgelegt ist und die Leistungsturbinenstufe Gas unmittelbar der letzten Stufe ohne Zwischenschaltung von Leitschaufeln zuführt, erhält man sehr günstige Beschleunigungs- und Momentenverläufe bei niedriger Drehzahl der Leistungsturbine. Das veränderbare Getriebe 10 ist hier alternativ als veränderbarer Riementrieb ausgebildet, der eine einfache und billige Herstellung erlaubt und sich als besonders geeignet erweist, wenn keramischer Werkstoff in den ersten Turbinenstufen zum Einsatz kommt, der eine geringe Trägheitsmasse im Gaserzeugerteil zur Folge hat. Mit 11 ist ein Freilauf bezeichnetIn the embodiment according to FIG. 4, the last turbine stage 28 forms the rotating mass required for acceleration and retardation of the gas ore .ger partes 15,16,17 is used. Since here the turbine; -niage is designed for an opposite direction of rotation and the Power turbine stage gas immediately after the last stage without the interposition of guide vanes supplies, you get very favorable acceleration and torque curves at low speed of the power turbine. The variable transmission 10 is alternatively designed as a variable belt drive, which allows simple and cheap production and proves to be particularly suitable when ceramic Material in the first turbine stages is used, which has a low inertial mass in the gas generator part has the consequence. 11 with a freewheel is designated

Der Turbinenrotor 16, der den Verdichter 15a bzw. 15a, 15fc bzw. 15 antreibt, wird durch das Gas mit der höchsten Temperatur beaufschlagt und besteht deshalb vorzugsweise aus Keramik oder einem ähnlichen Werkstoff. Dieser hat ein spezifisches Ge.vichi in der Größenordnung von 2,7, was' eine geringe Trägheitsmasse bedeutet und folglich eine rasche Beschleunigung ermöglicht. Der im Verdichter verwendete Werkstoff ist in der Regel Leichtmetall mit etwa dem gleichen spezifischen Gewicht, d. h. 2,7. Der Rotor 22 bzw. 28 der Losturbine besteht aus warmfestem Werkstoff mit einem spezifischen Gewicht von etwa 7,8. Dies erbringt im Vergleich zu dem ersten Turbinenrotor eine höhere Trägheitsmasse und ein entsprechend höheres Schwungmoment, was im Hinblick auf die Funktion als Drehmasse und in Anbetracht der Belastung und Dimensionierung des veränderbaren Getriebes für eine gewünschte Beschleunigungskapazität von Vorteil istThe turbine rotor 16, which drives the compressor 15a or 15a, 15fc or 15 , is acted upon by the gas with the highest temperature and is therefore preferably made of ceramic or a similar material. This has a specific Ge.vichi in the order of 2.7, which means a low inertial mass and consequently enables rapid acceleration. The material used in the compressor is usually light metal with approximately the same specific weight, ie 2.7. The rotor 22 or 28 of the loose turbine consists of heat-resistant material with a specific weight of approximately 7.8. Compared to the first turbine rotor, this results in a higher inertia mass and a correspondingly higher moment of inertia, which is advantageous in terms of its function as a rotating mass and in view of the load and dimensioning of the variable transmission for a desired acceleration capacity

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

1
Patent claims:

! .Gas turbine system with at least one first turbine rotor and at least one of this driven, lightweight compressor rotor and with at least one further turbine rotor which can be coupled to the compressor rotor via a variable gear, if necessary, characterized in that the rotating masses on the other turbine rotor (22, 28) associated side of the variable gear (10) are arranged, have a considerably larger mass moment of inertia than the rotating masses on the compressor rotor (15, 15a, 15i ^ associated side of the variable gear (10), so that by changing the Ratio of the variable gear (10) results in a small change in the speed of the further turbine rotor (22, 28) an oppositely directed, larger change in the speed of the compressor rotor (15, 15a, 15b)

2. Gas turbine plant according to claim 1, characterized in that a third turbine rotor (23) is provided, which is connected to an output shaft (18) by means of a reduction gear (30) is and that the through the further turbine rotor (22,28) and possibly a connected gear (21) rotating mass formed with the reduction gear (30) and the third turbine rotor (23) so are coupled so that reaction forces occurring during the power transmission to the compressor rotor (15,15a, 156.1 are delivered to the drive shaft (18).

3. Gas turbine plant according to claim 1 or 2, characterized in that the first turbine rotor (16), which sits on the same shaft as the compressor rotor (15, 15a, 156,), with the highest « Gas temperature is applied and consists of ceramic material of low specific weight, while the further turbine rotor (22, 28) made of heat-resistant metallic material of comparatively high specific weight is made

4. Gas turbine plant according to one of claims ^x to 3, characterized in that the variable transmission (10) is a friction wheel or belt drive

5. Gas turbine plant according to claim 4, characterized in that a slip clutch (5b), preferably a fluid coupling, is connected in series with the variable transmission (10).

6. Gas turbine plant according to one of claims 1 to 3, characterized in that as a variable Transmission (10) a hydrostatic transmission with a relief valve to limit the maximum Operating pressure is provided.

7. Gas turbine plant according to one of claims 1 to 6, characterized in that in connection with the continuously variable gear (10) a stepped planetary gear and a reversing gear are provided.

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