DE2439255A1 - Device to accelerate or retard twin shaft gas turbine - has differential drive coupling with braking system attached, and selection and control regulator - Google Patents

Device to accelerate or retard twin shaft gas turbine - has differential drive coupling with braking system attached, and selection and control regulator

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Abstract

A device to accelerate or retard a twin shaft gas turbine in partic. a gas turbine for motorised vehicles has a compressor and compressor turbine gas production system as well as a power turbine coupled to the latter. The construction is such that the drive shafts (3, 14) of the compressor turbine (2) and power turbine (12) are firstly connected by a differential drive system (15). Secondly the turbine drive shafts (3, 14) are coupled through the differential (15) to an attached barking system (17). Thirdly the braking system (17) is connected to a control system which selects and controls the degree of coupling of the two drive shafts (3, 14).

Description

Vorrichtung zum Beschleunigen oder Verzögern einer zweiwelligen Gasturbine, insbesondere Kraftfahrzeug-Gasturbine Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Beschleunigen oder Verzögern einer zweiwelligen Gasturbine, insbesondere Kraftfahrzeug-Gasturbine, die einen einen Verdichter und eine Verdichterturbine enthaltenden Gaserzeuger sowie eine letzterem nachgeschalt-ete Nutzleistungsturbine aufweist Zweiwellige Gasturbinen mit mechanisch getrennter Nutzleistungsturbine sind meist mit einem verstellbaren Eintrittsleitapparat vor der Nutzleistungsturbine versehen. Dadurch werden zwar Vorteile hinsichtlich eines günstigeren Beschleunigungsverhaltens, einer Brennstoffverbrauchsverringerung bei Teillast und einer Verwendbarkeit der Nutzleistungsturbine zum Verzögern des Fahrzeuges erreicht, jedoch ist der verstellbare Eintrittsleit apparat mit seiner Antriebseinrichtung mechanisch recht aufwendig, erfordert relativ große Verstellkräfte, viel Platz und ist teuer. Ungünstig ist ferner, daß beim Bremsen Brennstoff zugeführt werden muß, daß die Anfangse9chieunigungszeit - is Vergleich zu eiem iraL4Wfahrzeug mit Kolbenmotor - relativ groß ist und daß im allgemeinen beim Gaswegnehmen der Verdichter nicht mit zum Bremsen herangezogen werden kann. Device for accelerating or decelerating a twin-shaft gas turbine, in particular motor vehicle gas turbine The invention relates to a device for accelerating or decelerating a twin-shaft gas turbine, in particular a motor vehicle gas turbine, the gas generator containing a compressor and a compressor turbine as well as a power turbine connected downstream from the latter has twin-shaft gas turbines with mechanically separated power turbine are usually with an adjustable Provided inlet guide device in front of the power turbine. This will be true Advantages in terms of a more favorable acceleration behavior, a reduction in fuel consumption at part load and usability of the power turbine to decelerate the Reached the vehicle, but the adjustable inlet guide apparatus with his Drive device mechanically quite complex, requires relatively large adjustment forces, lots of space and is expensive. It is also unfavorable that the Brakes Fuel must be supplied that the initial completion time - is comparison to an iraL4W vehicle with a piston engine - is relatively large and that in general when the accelerator is released, the compressor cannot be used for braking.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Beschleunigen oder Verzögern einer zweiwelligen Gasturbine der eingangs genannten Art zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile der verstellbaren Eintrittsleitapparatkonstruktion vermeidet.The invention is based on the object of a device for accelerating or delaying a twin-shaft gas turbine of the type mentioned at the outset, addressing the aforementioned disadvantages of the adjustable inlet nozzle design avoids.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß erstens die Wellen der Verdichterturbine und der Nutzleistungsturbine über eine Differentialgetriebe miteinander verbunden sind, daß zweitens dem den sich drehenden Käfig, Korb od. dgl. bildenden Getriebeteil eine Bremseinrichtung zugeordnet ist, und daß drittens die Bremseinrichtung mit einer Regeleinrichtung zum wahlweisen und dosierten Kuppeln der beiden Wellen verbunden is-t.This object is achieved in that, firstly, the Shafts of the compressor turbine and the power turbine via a differential gear are connected to each other that, secondly, the rotating cage, basket or od. Like. Forming gear part is assigned a braking device, and thirdly the braking device with a control device for selective and metered coupling of the two waves is connected.

Durch diese Maßnahme wird insbesondere der Vorteil erreicht, daß der insgesamt recht aufwendige Leitschaufelverstellmechanismus durch das relativ einfachere Differentialgetriebe mit zugeordneter Bremse ersetzt ist.This measure has the particular advantage that the overall quite complex guide vane adjustment mechanism due to the relatively simpler one Differential gear with associated brake is replaced.

Weitere VOrteile liegen in verringerten Drosselverlusten im Ringgaskanal, in verringertem Brennstoffverbrauch, in erhöhtem Nutzdrehmoment beim Beschleunigen, in der Erzielung eines Bremsmomentes durch den Verdichter und in der Möglichkeil, die Turbine bei angelegter Bremse mit einem Fremd fahrzeug anzuschleppen. - Bei Anordnung des erfindungsgemäßen Differentialgetriebes außerhalb des von den Turbinenrädern bzw. Tzennwänden und des Gasringkanals umschlossenen Raumes besteht die Möglichkeit, die Turbinen 2 und 12 als Ljungström-Turbine auszubilden. Die sich dadurch ergebende kurze Bauweise führt zu einer Vereinfachung der Gasturbine irsbesondere- durch l Wegfall der Ieitvorrichtung 12a und des (einen Teil des Gasringkanals darstellenden) Zwischendiffusorinnengehäuses. Außerdem gestaltet sich die Anordnung des Berstschutzes günstiger.Further advantages are reduced throttling losses in the ring gas duct, in reduced fuel consumption, in increased useful torque when accelerating, in achieving a braking torque through the compressor and in the possibility of towing the turbine with an external vehicle with the brake applied. - At Arrangement of the differential gear according to the invention outside of the turbine wheels or room walls and the gas ring duct, there is the possibility of to design the turbines 2 and 12 as Ljungström turbines. Which through this resulting short design leads to a simplification of the gas turbine in particular- by l omission of the guide device 12a and the (part of the gas ring channel) Interior diffuser housing. In addition, the arrangement of the burst protection is designed cheaper.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 gekennzeichnet.Advantageous further developments of the device according to the invention are characterized in the subclaims 2 to 4.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigt: Fig. 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung bei einer zweiwelligen Gasturbine, von der sonst nur noch der Turbinen- und Verdichterteil dargestellt ist und Fig. 2 eine Variante in der Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.Two exemplary embodiments of the invention are shown schematically in the drawing shown. It shows: FIG. 1 the device according to the invention in the case of a twin-shaft Gas turbine, of which otherwise only the turbine and compressor parts are shown and FIG. 2 shows a variant in the arrangement of the device according to the invention.

Der Gas erzeuger einer zweiwelligen Eraftfahrzeug-Gasturbine weist einen Verdichter 1, eine Verdichterturbine 2 und eine Welle 3, auf der der Verdichter und die Verdichterturbine angeordnet sind, auf. Die Welle 3 trägt ein in Umfangsrichtung relativ zur Welle unverschieblich mit ihr verbundenes Ritzel 4, das über ein Zwischenrad 5, das in dem nicht weiter dargestellten Gasturbinengehäuse gelagert ist, mit einem Ritzel 6 einer Nebenwelle 7 in Eingriff steht. Die Nebenwelle 7 ist außerhalb des (später erläuterten) Gasringkanals im Gasturbinengehäuse gelagert. In analoger Weise steht eine Nebenwelle 8, die mit der Nebenwelle 7 fluchtet und ebenfalls im Gasturbinengehäuse außerhalb des Gasringkanals gelagert ist, über ein Ritzel 9, ein Zwischenrad 10, dessen Welle 11 als Abtriebswelle für die Nutzleistungsturbine 12 dient, mit einem Ritzel 13, das auf der Welle 14 der Nutzleistungsturbine 12 mit Bezug auf die Welle 14 in Umfangsrichtung unverschieblich befestigt ist, in Verbindung. Die beiden Nebenwellen 7 und 8 tragen zwischen sich in sog. schwimmender Lagerung ein Differentialgetriebe 15. Der Getriebeteil, der den sich drehenden Käfig des Differentialgetriebes bildet, trägt eine Bremsscheibe 16, die zu einer Scheibenbremse 17 gehört. Die Scheibenbremse wird mit einer Einrichtung verbunden, die es letztlich ermöglicht, die beiden Wellen 3 und 14 wahlweise und dosiert miteinander zu kuppeln.The gas generator of a twin-shaft electric vehicle gas turbine has a compressor 1, a compressor turbine 2 and a shaft 3 on which the compressor and the compressor turbine are arranged on. The shaft 3 carries a circumferential direction relative to the shaft immovable with it connected pinion 4, which via an intermediate gear 5, which is mounted in the gas turbine housing not shown, with a Pinion 6 of a secondary shaft 7 is in engagement. The auxiliary shaft 7 is outside the (explained later) gas ring channel stored in the gas turbine housing. In an analogous way stands a secondary shaft 8, which is aligned with the secondary shaft 7 and also in the gas turbine housing is mounted outside the gas ring channel, via a pinion 9, an intermediate gear 10, its shaft 11 as an output shaft for the power turbine 12 serves, with a pinion 13, which is on the shaft 14 of the power turbine 12 with With respect to the shaft 14 is fixed immovably in the circumferential direction, in connection. The two auxiliary shafts 7 and 8 carry between them in what is known as a floating bearing a differential gear 15. The gear part that supports the rotating cage of the Differential gear forms, carries a brake disc 16, which becomes a disc brake 17 heard. The disc brake is connected to a device that ultimately makes it enables the two shafts 3 and 14 to be coupled with one another as required and metered.

Anstatt der Scheibenbremse kann auch jede andere Bremse, z.B. eine Wirbelstrombremse oder eine hydrodynamische Bremse, verwendet werden.Instead of the disc brake, any other brake, e.g. a Eddy current brake or a hydrodynamic brake can be used.

Fig. 2 zeigt die Anordnung des Differentialgetriebes 15 in dem Raum, der von den Turbinenrädern bzw. den Trennwänden 27 und von dem Gasringkanal 18, der der Weiterleitung der den Schaufelteil der Verdichterturbine 2 verlassenden Gase zu der Leitvorrichtung 12a der Nutzleistungsturbine 12 dient, umschlossen ist. Die Scheibenbremse 17 ist in diesem Fall außerhalb des Gasringkanals 18 angeordnet und die Verbindung der Bremsscheibe 16 mit dem Differentialkäfig erfolgt über ein Getriebe 19, das in diesem Ausführungsbeispiel aus einer mit der Bremsscheibe verbundenen Welle 20, einem auf der Welle 20 angeordneten Tellerrad 21 und einem Tellerrad 22 am Käfig besteht.Fig. 2 shows the arrangement of the differential gear 15 in the space that of the turbine wheels or the partition walls 27 and of the gas ring channel 18, that of the forwarding of those leaving the blade part of the compressor turbine 2 Gases to the guide device 12a of the power turbine 12 is used, is enclosed. In this case, the disc brake 17 is arranged outside the gas ring channel 18 and the connection of the brake disc 16 with the differential cage takes place via a Gear 19, which in this embodiment consists of a connected to the brake disc Shaft 20, a ring gear 21 arranged on the shaft 20 and a ring gear 22 on the cage.

Das Differentialgetriebe 15 weist vier Kegelräder 23 24, 25, 26 auf. Das Ubersetzungsverhältnis der Kegelräder ist 1:1. - Die Verdichterturbine 2 und die Nutzleistungsturbine 12 drehen gegenläufig, was durch die Pfeile angedeutet ist.The differential gear 15 has four bevel gears 23, 24, 25, 26. The transmission ratio of the bevel gears is 1: 1. - The compressor turbine 2 and the power turbine 12 rotate in opposite directions, which is indicated by the arrows is.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung an Hand mehrerer Betriebsfälle dargestellt.The operation of the device according to the invention is described below shown on the basis of several operating cases.

I. Beschleunigen der Gasturbine.I. Accelerating the gas turbine.

Nach dem automatischen Anlaßvorgang, bei dem die Bremse vollkommen gelöst ist, dreht die Verdichterturbine zunächst im Leerlauf und - da die Nutzleistungsturbine steht - der Differentialkäfig mit Bremsscheibe mit halber Drehzahl. Eine hydrodynamisch-elektronisch gesteuerte (nicht weiter dargestellte) Regeleinrichtung - Regelgrößen sind hauptsächlich die Gastemperatur, die zwischen den Turbinen 2 und 12 abgenommen wird, und die Drehzahl der Nutzleistungsturbine - bewirkt eine größere Brennstoffzufuhr in die Brennkammer, wodurch die Gastemperatur ansteigt und das Wärmegefälle größer wird. Die Verdichterturbine würde also eine höhere Drehzahl annehmen, was zunächst jedoch unerwünscht ist und bei der erfindungsgemäßen Konstruktion dadurch vermieden wird, daß die Bremse dosiert betätigt wird. Dadurch wird der Differentialkäfig zunächst am freien Drehen behindert, wodurch im Differential ein Reaktionsmoment auf die Nebenwelle 8 entsteht und das Überschußdrehmoment der Verdichterturbine gegenüber dem Verdichterbedarfsmoment sich zum Nutzturbinendrehmoment addiert. Da der Verdichter also praktisch mit konstanter Drehzahl läuft, steigt die Brennkammertemperatur in der erwünschten Weise schnell bis nahe dem zulässigen Wert an. Das Drehmoment an der Antriebswelle erreicht sein Maximum. Um die Gastemperatur in etwa konstant zu halten, muß nun bei weiter erhöhter Brennstoffzufuhr die Drehzahl des Verdichters erhöht werden, was durch dosiertes Loslassen der Bremse erreicht wird. Der Differentialkäfig dreht dann wieder mit der halben Drehzahl zum Gaserzeuger.After the automatic starting process, during which the brake is completely is released, the compressor turbine initially rotates in idle and - since the power turbine stands - the differential cage with brake disc at half speed. A hydrodynamic-electronic one controlled (not shown) control device - control variables are mainly the gas temperature, which is taken between the turbines 2 and 12, and the speed the power turbine - causes a greater supply of fuel to the combustion chamber, whereby the gas temperature rises and the heat gradient increases. The compressor turbine would therefore assume a higher speed, which is initially undesirable and is avoided in the construction according to the invention that the brake is metered is operated. This initially prevents the differential cage from rotating freely, which creates a reaction torque on the auxiliary shaft 8 in the differential and that Excess torque of the compressor turbine compared to the compressor demand torque is added to the power turbine torque. Since the compressor is practically constant Speed is running, the combustion chamber temperature rises quickly in the desired manner close to the permissible value. The torque on the drive shaft has been reached Maximum. In order to keep the gas temperature more or less constant, it must now be further increased Fuel supply increases the speed of the compressor, which is done by metered Release of the brake is achieved. The differential cage then rotates with it again half the speed to the gas generator.

II. Vollastbet-rleb.II. Full load operation.

Die Wellen der Verdichterturbine und der NutzleistungO-turbine sind nicht miteinander gekuppelt, d.h. die Bremse ist gelöst. Die Drehzahl des Gaserzeugers ist in der bekannten Weise um ca. 10% bis 12% höher als die der Nutzleistungsturbine. Da das Ubersetzungsverhältnis der Zahnräder im Differentialgetriebe 1:1 ist, hat der Differentialkäfig die Differenzdrehzahl zwischen Gaserzeu ger und Nutzturbine in Drehrichtung des Gaserzeugers.The shafts of the compressor turbine and the useful power O-turbine are not coupled to each other, i.e. the brake is released. The speed of the gas generator is in the known manner by approx. 10% to 12% higher than that of the power turbine. Since the transmission ratio of the gears in the differential gear is 1: 1, has the differential cage the differential speed between the gas generator and the power turbine in the direction of rotation of the gas generator.

III. Teillastbetrieb.III. Partial load operation.

Die Bremse ist durch die Regeleinrichtung angelegt und verhindert dadurch ein Durchgehen des Gaserzeugers. Die Gastemperatur und der Brennstoffverbrauch können in etwa konstant gehalten werden. Vor der Pumpgrenze des Verdichters muß die Bremse wieder gelöst werden.The brake is applied and prevented by the control device thereby a runaway of the gas generator. The gas temperature and fuel consumption can be kept roughly constant. Before the surge limit of the compressor must the brake can be released again.

IV. Verzögern (Bremsen).IV. Decelerating (braking).

Die Bremse ist zunächst gelöst. Wird sodann zum Verzögern die Brennstoffzufuhr verringert, dann tendiert der Gaserzeuger zur Leerlaufdrehzahl und die Nutzleistungsturbine nimmt beispielsweise bei Bergabfahrt des Kraftfahrzeuges höhere Drehzahlen an. Der Differentialkäfig samt Bremsscheibe dreht in entgegengesetzter Richtung mit einer Drehzahl, die die Differenz der Drehzahlen zwischen Gserzeuger und Nutzleistungsturbine ist. Wird die Bremse zum Einfallen gebracht, wird das Reaktionsmoment im Differential dem Gaserzeugermoment überlagert. Der Verdichter dreht höher, nimmt also Leistung auf, wodurch das Kraftfahrzeug ohne vermehrte Kraftstoffzufuhr abgebremst wird. Die Differentialbremse wirkt also als Motorbremse.The brake is initially released. The fuel supply then becomes a delay reduced, then the gas generator tends to idle speed and the power turbine assumes, for example, higher speeds when the vehicle is going downhill. Of the Differential cage including brake disc rotates in the opposite direction with a Speed, which is the difference in speeds between the gas generator and the power turbine is. When the brake is applied, the reaction torque is in the differential superimposed on the gas generator moment. The compressor rotates faster, so it takes power on, whereby the motor vehicle is braked without increased fuel supply. The differential brake thus acts as an engine brake.

Die Bremse kann bereits zum Einfallen gebracht werden, wenn die Gaserzeugerdrehzahl kleiner werdend die Nutzturbinendrehzahl erreicht hat. Da in diesem Fall die Bremsscheibe steht, braucht sie nur festgestellt zu werden.The brake can already be applied when the gas generator speed is reached becoming smaller the power turbine speed has reached. As in this case the brake disc it only needs to be established.

Claims (4)

Patentansprüche Claims 0 Vorrichtung zum Beschleunigen und Verzögern einer zweiwelligen Gas turbine, insbesondere Kraftfahrzeug-Gasturbine, die einen einen Verdichter und eine Verdichterturbine enthaltenden Gaserzeuger sowie eine letzterem nachgeschaltete Nutzleistungsturbine aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß erstens die Wellen (3, 14) der Verdichterturbine (2) und der Nutzleistungsturbine (12) über ein Differentialgetriebe (15) miteinander verbunden sind, daß zweitens dem den sich drehenden Käfig, Korb od. dgl. bildenden Getriebeteil eine Bremseinrichtung (17) zugeordnet ist, und daß drittens die Bremseinrichtung mit einer Regeleinrichtung zum wahlweisen und dosierten Kuppeln der beiden Wellen (3, 14) verbunden ist.0 device for accelerating and decelerating a twin-shaft gas turbine, in particular a motor vehicle gas turbine, which has a compressor and a Gas generator containing the compressor turbine and a downstream gas generator Having power turbine, characterized in that firstly the shafts (3, 14) the compressor turbine (2) and the power turbine (12) via a differential gear (15) are interconnected, that secondly the rotating cage, basket Od. The like. Forming gear part is assigned a braking device (17), and that thirdly, the braking device with a control device for selective and metered Coupling of the two shafts (3, 14) is connected. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung so ausgebildet ist, daß die Bremse bei Teillastbetrieb kurz bevor der Verdichter (1) seine Pumpgrenze erreicht hat, gelöst wird.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the control device is designed so that the brake in partial load operation just before the compressor (1) has reached its surge limit is solved. 3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Differentialgetriebe (15) schwimmend auf zwei fluchtenden Nebenwellen (7, 8), deren Ritzel (6, 9) über je ein Zwischenrad (5, 10) mit den ritzeln (4, 13) der Wellen (5, 14) des Gaserzeugers und der Nutzleistungsturbine verbunden sind, gelagert ist.3. Device according to claims 1 and 2, characterized in that that the differential gear (15) is floating on two aligned auxiliary shafts (7, 8), whose pinions (6, 9) each have an intermediate gear (5, 10) the pinions (4, 13) of the shafts (5, 14) of the gas generator and the power turbine are connected, is stored. 4. Vorrichtung n<ich den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Differentialgetriebe (15) schwimmend auf den fluchtenden Wellen (3, 14) des Gaserzeugers und der Nutzleistungsturbine angeordn£ ist, und daß der Käfig, Korb od. dgl. des Differentialgetriebes über ein Zwischengetriebe (19) mit aem einen Teil (16) der Bremseinrichtung (17) verbunden ist.4. Device n <I claims 1 and 2, characterized in that that the differential gear (15) floating on the aligned shafts (3, 14) of the gas generator and the power turbine is arranged, and that the cage, Basket or the like of the differential gear via an intermediate gear (19) with aem one Part (16) of the braking device (17) is connected. L e e r s e i t eL e r s e i t e
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