DE2624229C2 - Andrehvorrichtung für eine Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Andrehvorrichtung für eine Gasturbinenanlage mit einem mit einem Druckluftbehälter verbundenen pneumatischen Andrehmotor, der mit dem Rotor der Gasturbinenanlage gekoppelt ist wobei in die Leitung zwischen Druckluftb«hälter und Andrehmotor ein Druckminderventil eingeschaltet ist und wobei ein Druckverstärker zum Aufladen des Druckluftbehälters vorgesehen ist

Eine derartige Andrehvorrichtung ist aus der US-PS 30 98 626 bekannt Hierbei wird ein Nebenluftstrom aus einem Hauptmotor an den Einlaß eines Verdichters gelegt Gas wird über ein Sperrventil an Speichergefäße abgegeben, aus denen Hochdruckgas über Regler rnu vermindertem Druck abgegeben wird. Bevor dieses Gas einem Turbinenmotoranlasser für den Hauptmotor zugeführt wird, wird es durch einen Brenner aufgeheizt Es handelt sich hier somit um die Anwendung eines Luftturbinenmotors für Anlaßzwecke, bei dem ein Brenner erforderlich ist, damit die Dimensionen des Speichergefäßes in Grenzen gehalten werden können, um den Forderungen der Praxis zu genügen. Andernfalls müßten extrem gro3 ausgeführte Luftdruckflaschen verwendet werden, die erwärmte Luft aufnehmen. Die Notwendigkeit, hierbei einen Brenner einzusetzen, stellt jedoch einen entscheidenden Nachteil dieser bekannten Einrichtung dar.

Des weiteren ist aus der US-PS 35 33 360 die Verwendung eines Drehkolbenmotors als pneumatischem Antriebsmotor für Gasturbinenanlagen bekannt, der zur Unterstützung des Primärantriebsmotors zusätzliche Leistung bereitstellt

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es demgegenüber, eine Andrehvorrichtung der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, daß sie als Hilfstriebwerkseinheit für Flugzeuge verwendet werden kann, da;3 das Andrehen mittels stationärer, kleiner Druckluftquellen in Form von kleinen Gasflaschen vorgenommen werden kann, und daß der bei herkömmlichen Vorrichtungen notwendige Brenner entfallen kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der pneumatische Andrehmotor ein an sich bekannter Drehkolbenmotor ist und daß der Druckverstärker in einer mit dem Druckluftbehälter und dem Verdichter der Gasturbinenanlage verbundenen Ladeleitung zwischengeschaltet ist und mit Luft eines ersten Druckes aus dem Verdichter während des Betriebes der Gasturbinenanlage gespeist wird sowie Luft an den Druckluftbehälter mit einem zweiten, höheren Druck abgibt.

Durch Verwendung eines Drehkolbenmotors anstelle einer Turbine ist es möglich, eine Andrehvorrichtung zu schaffen, bei der ein Brenner entfallen kann und zu dessen Betrieb eine Druckluftflasche handlicher Größe ausreicht, deren Einsatz in der Praxis einfach und problemlos ist, da mit der erfindungsgemißen Andrehvorrichtung ein wesentlich geringeres Luftvolumen (ca. 1/10) als bei bekannten Anordnungen nach der US-PS 30 98 626 benötigt wird und damit eine weit höhere Leistungsfähigkeit erzielt wird.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit

der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert Es zeigt

F i g. 1 teilweise in schematischer Darstellung eine Ausführungsfcrm der Andrehvorrichtung nach der Erfindung,

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht eines Druckverstärkers nach der Erfindung, wobei Teile herausgebrochen dargestellt sind,

Fig.3 eine perspektivische Ansicht von Teilen des Druckverstärkers innerhalb der strichpunktierten ι ο Kreislinie 3 der F i g. 2 in Explosionsdarstellung und in vergröBervem Maßstab,

Fig.4 ein Detail des Druckverstärkers längs der Schnittlinie 4-4 der F i g. 2 in Aufsicht,

Fig.5 eine Teilschnittansicht des Druckverstärkers nach F ig. 2,

F i g. 6 eine Ansicht des Drehkolbenmotors nach der Erfindung,

F i g. 7 eine Axialschnittansicht längs der Linie 7-7 der F i g. 6, und

F i g. S eine 1 ciianscnnmänsiüiii einer anderen Ausführungsform des Druckverstärkers nach der Erfindung, teilweise in schematischer Darstellung.

in den Zeichnungen und insbes. in den F i g. 1 bis 7 ist ein pneumatisch arbeitender AndrehmGtor 10 dargestellt Der Andrehmotor ist eine unabhängige Einheit, die in einer Antriebsmaschine eingebaut ist, welche eine Hilfsantriebseinheit als Teil oder in Verbindung mit einer Gasturbinenanlage 12, die in Fig. 1 schemalisch dargestellt ist, aufweist Beispielsweise kann die Gasturbinenanlage Antriebsenergie für ein Flugzeug liefern, und weist in herkömmlicher Weise eine Hilfsantriebseinheit zum Antrieb der Hilfssysteme des Flugzeuges wie auch zum Anlassen der Gasturbine auf. Die Hilfsantriebseinheit ist üblicherweise eine Gasturbine wesentlich geringerer Leistung als die Flugzeughauptturbine. Andererseits kann die Hilfsantriebseinheit auch eine kleine Gasturbine sein, die häufig als Düsentreibstoffanlasser bezeichnet wird, welche nur zum Andrehen dt. Maschine dient in jedem Fall besitzt die Gasturbinenanlage einen Gasstromverdichter, gleichgültig, ob innerhalb der Hauptiurbine selb;» oder in einer Hilfsturbine. Ein solcher Verdichter kann ein Zentrifugal-Gasverdichter 14 sein. Die Drehung der Verdichterwelle 16 mit hoher Drehzahl bewirkt, daß der Verdichter einen Gasstrom innerhalb der Gasturbinenanlage und aus einem Verdichterauslaßkanal 18 erzeugt. Im Betrieb der Gasturbinenanlage und unter dei Annahme, daß der Verdichter 14 eine Stufe einer Hiifsantriebseinheit ist, wird Komprimiertes Gas aus dem Auslaßkanal 18 in eine Brennkammer abgegeben, der der Treibstoff ebenfalls zugeführt wird. Die heißen gasförmigen Produkte werden dann zum Antrieb einer Turbine verwendet, die antriebsmäßig mit dem Verdichter der größeren Hauptgasturbine gekoppelt ist. um diese anzulassen. Wenn die Hauptgasturbine selbsthaltende Drehzahlen erreicht hat. kann din Hiifsantriebseinheit abgekoppelt werden und die Drehabgabeenergie aus der tmheit kann dann zum Antrieb von HilfsSystemen des Flugzeuges verwendet werden.

Die Andrehvorrichtung 10 weist einen Druckluftbe* hälter iW auf, der über eine erste Leitung 22 mit einem Drehkolbenmotor 24 gekoppelt ist, der nachstehend im einzelnen erläutert wird. Wie durch die gestrichelten Linien 26 angedeutet, rs» der Drehkolbenmotor 24 direkt mit der Verdichterwelle 16 selbst verbindbar, wobei eine Betätigung und Drehung des Motors 24 das Anlassen und Beschleunigen der Welle 16 einleitet.

Vorzugsweise kann die Antriebsverbindung 26 eine Freilaufkupplung zwischen Motor 24 und Welle 16 aufweisen, um einen Antrieb des Motors durch den Verdichter 14 zu vermeiden.

Ein solenoidbetätigtes Absperrventil 28 ist in der Leitung 22 angeordnet, und in seiner normalen, entregten Position dargestellt, in der der Luftstrom aus dem Druckluftbehälter zum Motor 24 gesperrt ist Das Absperrventil 28 ist über Stromleiter 30 mit einer elektrischen Energiequelle 32 über einen Schalter 34 verbunden. Wird der Schalter 34 geschlossen, wird der Stromkreis zwischen der Energiequelle 32 und dem Absperrventil 28 geschlossen und das Ventil wird in seine andere Stellung erregt, in der ein Luftstrom vom Druckluftbehälter zum Motor fließen kann. Vorzugsweise kann der Schalter 34 durch eine entsprechende Schaltanordnung mit einem Meßwertgeber 36 der Gasturbinenanlage, der z. B. auf die Drehzahl oder einen anderen Parameter anspricht, verbunden sein, so daß das Absperrventil 28 automatisch zwiscL.u der offenen und der geschlossenen Stellung in Abhängigk.it von der Bedingung der Gasturbinenanlage 12 verstellt werden kann.

In bezug auf das Absperrventil 28 stromabwärts ist ein automi -.isch arbeitendes Druckminderventil 38 vorgesehen, das einen länglichen Ventilkegel 40 aufweist, der auf eine Begrenzungswand 42 zu und von ihr weg verschiebbar ist, um eine Mündung veränderlicher Querschnittsfläche dazwischen zu erzielen, die den Luftstrom durch die erste Leitung 22 steuert. Der der Wirkung der Vorspannfeder 44 entgegenarbeitende Druck in der Leitung 22 stromabwärts in bezug auf die veränderliche Begrenzung wird über die Bohrung 46 in eine geschlossene Druckkammer 48 übertragen, damit der Ventilkegel nach links entgegen der Wirkung der Feder 44 angetrieben wird. Das Ventil 38 arbeitet dabei automatisch in der Weise, daß es den Luftdurchfluß durch die erste Leitung steuert, um einen Strom mit einem verhältnismäßig konstanten, vorgewählten Druck aufrechtzuerhalten. Ferner ist mit der Leitung 22 auf den Luftdruck in der Leitung ansprechend ein scheniatisch dargestellter, herkömmlicher Druckschalter 50 verbunden, der antriebsmäßig an die Stromleiter 30 angeschlossen ist, so daß das Absperrventil 28 beim Schließen des Schalters 50 in Abhängigkeit von einem Überdruck in der ersten Leitung stromabwärts in bezug auf das Druckminderventil 38 entr?gt wird. Bei der dargestellten Anordnung ist der Druckschalter 50 parallel zum Absperrventil 28 gelegt, und ein rückstellbarer Stromkreisunterbr?cher 52 öffnet immer dann, wenn der Si halter 50 schließt, um eine Entregung des Absperrventil 28 zu bewirken.

Ein in de Gasturbinenanlage 12 erzeugter Luftstrom, z. B. der Druckstrom im Auslaßkanal 18. kann zum Wiederauffüllen des Duckluftbehälters 20 verwendet werden. Ein Teil dieses Luftstromes wird von der Gasturbinenanlage 12 in eine zweite Leitung 54 abgezweigt, die mit dem Druckluftbehälter 20 über ein Rückschlagventil 56 in parallelem Durchfluß zur ersten Leitung 22 verbunden isL Ein weiteres solenoidbetätigtes Absperrventil 58 ist in der Leitung 54 angeordnet und in seiner erregten Stellung gezeigt, in der der Luftstrom vom Verdichterauslaßkanal 18 zum Druckluftbehälter 20 fließt. UbT entsprechende Stromleiter 60 ist das Absperrventil 58 an die elektrische Energiespeisequelle 32 angeschlossen. Beim öffnen des Schalters 62, der ähnlich wie der Schalter 34 mit dem Meßwertgeber 36 der Gasturbinenanlage fder Meßwert

kann die Drehzahl oder ein anderer Parameter sein) verbunden und automalisch von ihm gesteuert wird, wird diis Absperrventil 58 entregt und verschiebt sich in die den Durchfluß sperrende Stellung, wodurch der Ladevorgang des Druckluftbehälters gesperrt wird. Ein Druckschalter 64 islTnit der Leitung 22 so verbunden, daß die Schaltung zwischen der Energiequelle 32 und dem Absperrventil 58 unterbrochen und dadurch das Absperrventil 58 entregt wird, wenn der Druck in der Leitung 22 und im Druckluftbehälter 20 einen vorbestimmten Wert übersteigt.

Ein Druckverstärker 66, der in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, ist in der Leitung 54 zwischen dem Absperrventil 58 und dem Rückschlagventil 56 angeordnet. Der Druckverstärker weist einen ersten, kleineren. doppeltwirkenden Kolben 68 auf, der im Druckverstärkergehäuse 70 angeordnet ist und mit diesem so zusammenwirkt, daß zwei Kammern 72 mit veränderlichem Volumen an antgegengesetzten Enden des Kolbens 68 entstehen. Jede Kammer 72 steht mit dem Druckluftbehälter 20 parallel über zwei Nebenleitungen 74 in Verbindung. Jeweils ein Rückschlagventil 76 in den beiden Nebenleitungen 74 verhindert eine direkte Verbindung zwischen den Kammern 72 über die Nebenleitungen 74. Der Druckverstärker weist ferner eine Vorrichtung zum Antrieb des Kolbens 68 in Form eines zweiten, größeren, doppeltwirkenden, hin- und hergehenden Freikolbens 78 auf, der mit dem Gehäuse 70 so zusammenwirkt, daß zwei größere Kammern 80 veränderlichen Volumens auf entgegengesetzten Seiten des Freikolbens 78 ausgebildet werden. Die Kammern 80 sind abwechselnd mit einer Umgebungsdruckentlüftung oder mit Druckluft, die aus dem Verdichterauslaßkanal 18 zugeführt wird, über die Leitung 54 und die den Luftdruck führenden Leitungen 82 verbindbar, so daß eine kontinuierliche hin- und hergehende Bewegung des Freikolbens 78 und des Kolbens 68 erzielt wird. Der Luftstrom in die Kammern 80 und aus den Kammern 80 wird durch Richtungsdurchflußsteuerventile 84 gesteuert, die antriebsmäßig mit dem Freikolben 78 verbunden sind, so daß Verbindungen zwischen den entgegengesetzten Kammern 80 in Abhängigkeit von der Stellung des Freikolbens 78 innerhalb des Gehäuses 70 verschoben werden, um die kontinuierliche, hin- und hergehende Bewegung der Kolben 78 und 68 zu erzeugen.

Das Gehäuse 70 weist auch Einlaß- und Auslaßöffnungen 86 und 88 auf. die mit jeder Kammer 72 veränderlichen Volumens in Verbindung stehen. Die Auslaßöffnungen 88 stehen dauernd in Verbindung mit den entsprechenden Kammern 7Z damit ein Abgabeluftstrom höheren Druckes von dort zum Druckluflbehalter 20 geführt wird Die Einlaßöffnungen 86 sind mit der Leitung54 über Kanäle 90 und 92 verbunden Und im Gehäuse so angeordnet, daß dann, wenn der Kolben 68 sich seinem Hubende in einer Richtung nähert. Druckluft durch die Einlaßöffnung 86 in die Kammer 72 abgegeben wird, die das größte Volumen hat Die Bewegung des Kolbens 68 steuert die Verbindung zwischen den Kammern 72 und den entsprechenden Einlaßöffnungen 86.

Die Einspeisung von Druckluft aus dem Druckluftbehälter 20 über die Leitung 22 kann auch für andere Funktionen verwendet werden, falls dies erwünscht ist Beispielsweise kann in F i g. 1 Druckluft von der Leitung 22 parallel in eine Hilfsfunktionsteitung 94 geführt werden. Bei der dargestellten Anordnung wird der Luftstrom aus der Leitung 94 in das Treibstoffördersystem (nicht dargestellt) abgegeben, das den Treibstoff in die Verbrennungskammer der Hilfsantriebseinheit liefert. Um zu gewährleisten, daß die Luft in der" Leitung 94 in die Verbrennungskammer gelangt, ist in der Leitung 94 ein DUsenladeventil 96 angeordnet. Das Ventil 96 ist zwischen seiner den Durchfluß sperrenden Stellung (gezeigt) und einer Offenstellung aufgrund des Druckunterschiedes zwischen der Luft in der Leitung 94 stromabwärts in bezug auf das Ventil 96 Und der Luft im Auslaßkanal 18 verschiebbar. Mit Hilfe der Kraft einer leichten Vorspannvorrichtung 98, die den Kompressorauslaßdruck entgegen dem Druck in der Leitung 94 unterstützt, regelt das Steuerventil % den Durchfluß durch die Leitung 94 in der Weise, daß der Druck in der Leitung 94 etwas höher ist als der Druck im Auslaßkanal 18. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß ein kontinuierlicher Fluß in die Verbrennungskammer ein luftwarmes Treibstoffluftgemisch mit Luftüberschuß in der Verbrennungskammer ergibt.

Eine Ausführungsform des Druckverstärkers 66 ist im einzelnen in den Fig.2 —5 dargestellt; hierbei sind gleiche Bezugszeichen für gleiche Elemente wie in F1 g. 1 verwendet. Der größere Kolben 78 bewegt sich im inneren zylindrischen hohlen Teil des Gehäuses 70 und definiert zwei größere Kammern 80 mit veränderlichem Volumen auf entgegengesetzten Seiten des Kolbens 78. Der kleinere Kolben 68 hat die Form einer länglichen Stange, die mit dem Kolben 78 durch geeignete Klemmvorrichtungen befestigt ist. Der Kolben 68 erstreckt sich in entgegengesetzter Richtung aus den Kammern 80 über eine axiale Bohrung 103 im Gehäuse 70 nach außen und durch Abdichtbauteile 102. An den entgegengesetzten äußeren Enden des Gehäuses 17 sind die kleineren Kammern 72 mit veränderlichem Volumen und die mit ihnen in Verbindung stehenden Auslaßöffnungen 88 ausgebildet.

lede der Speiseleilungen 82 an entgegengesetzten Enden des Druckverstärkers 66 steht direkt mit den entsprechenden Einlaßöffnungen 86 über Kanäle 104 in Verbindung, die ferner wahlweise mit der zugeordneten Kolbenkammer 80 über die im Winkel verlaufenden Kanäle oder öffnungen 90 und 92 in den Endwandteilen des Gehäuses 70 verbindbar sind.

Das Durchflußsteuerventil 84 besitzt eine Ventilstange 106. auf der der Kolben 78 während der Hin- und Herbewegung innerhalb des Gehäuses frei gleiten kann, sowie ein Paar ventilartig wirkender Einheiten, die an entgegengesetzten Enden des Gehäuses 70 im Bereich der Kanäle 104 angeordnet sind. Jede solche Ventileinheit weist eine Hülse 108 auf. die in einer axialen Bohrung 110 des Gehäuses hin- und herbewegbar aufgenommen ist Durch entsprechende Leitungen 212 steht das äußere Ende der Bohrung 110 mit dem Umgebungsdruck in Verbindung. Wie durch das rechte Ventil 84 in F i g. 5 gezeigt, ist die Hülse 108 durch eine Feder 114 nach links in Eingriff mit der Endwandung des Gehäuses 70 vorgespannt, so daß die Verbindung zwischen dem Kanal 104 und der zugeordneten Kanalöffnung 90 geöffnet wird.

Jede Ventileinheit 84 weist eine scheibenförmige Schulter 115 auf einer Stange 106 auf und ist mit einer winkelförmigen Endwandung 116 der Hülse 108 in Eingriff bringbar, wie durch die linke Ventileinheit in F i g. 5 gezeigt ist Der Eingriff der Schulter 115 mit der Endwandung 116 dient einem doppelten Zweck: Die Bewegung der Stange 106 drückt die Hülse 108 nach links, damit eine Verbindung vom Kanal 104 durch die zugeordnete Kanalöffnung 92 in die Kolbenkammer 80

ermöglicht wird, und die Schuller 150 kommt abdichtend mit der Endwandung 116 in Eingriff, so daß der Gasfluß von dem Kanal 104 durch das Innere der Hülse 108 zu den Entlüftungsleitungen 112 gesperrt wird.

Auf einer Seite des Kolbens 78 entgegengesetzt zu der Lage der Ventilstange 106 ist eine Führungsstange 118 vorgesehen, die verhindert, daß der Kolben 78 während der Hin- und Herbewegung klemmt. Hierzu ist der Kolben 78 frei auf der Führurtgsstänge 118 gleitend angeordnet.

Die Durchflußsteuerventile 84 weisen ferner eine außermittige Blattfedervorspannanordnung 120 auf. die ein Paar Blattfedern 122 besitzt, deren jede schwenkbar an entgegengesetzten Enden mit dem Gehäuse 70 und Detail. Der Motor 24 weist ein in axialer Richtung längliches äußeres Gehäuse 132 mit einem zylindrischen innenraum 134 auf. Druckluft wird in das Innere des Motors über eine Einlaßöffnung 136 eingeführt, die in

einem länglichen Raum 38 endet, der seinerseits mit dem Innenraum über eine Vielzahl von ifi axialer Richtung ausgerichteten und im Abstand versetzten Bohrungen 140 in Verbindung steht. Im Winkel um das Gehäuse 132 versetzt sind Äuslaßöffnungen 142 in Form einer Vielzahl von gefrästen Schlitzen in dem Winkelgehäuse ausgebildet. Vorzugsweise stellen die Auslaßschlitze verschiedene, im Winkel versetzte Reihen von Schlitten 142 dar.

,,--,- Eine Leistungsabgabewelle 144 verläuft axial durch

der Ventilstange 106 verbunden ist. In der nach innen ts das Gehäuse 132 und ist drehbar an entgegensetzten gerichteten Stellung derVentilstange 106 (wie in F ig. 4 Enden im Gehäuse gelagert. Die Welle 144 ist leicht

außermittig und exzentrisch in bezug auf den zylindrischen Innenhohlraum 134 angeordnet. Innerhalb des inneren Hohlraumes 134 und drehbar mit der Welle 144

dargestellt) spannt die Blattfeder 122 die Stange 106 nach link* in den Fig.2 und 5 vor In ähnlicher Weise bewegt sich die i-eder IZZ wenn die Ventilstange 106 in

entgegengesetzter Richtung (nach oben in F ig. 4) 20 ist ein zylindrisches Trommelrotorelement 146 befestigt verschoben wird, über den Mittelpunkt hinaus, spannt ~ ........

die Stange 106 in die entgegensetzte Position vor und
hält sie in dieser Position. Die Ventilstange 106 besitzt
entsprechende Anschlagringe 124. die in der Nähe der
entgegensetzten Enden des Hubes des Kolbens 78 25 beweglich angeordnet und nach außen "in Eingriff mit

Der Rotor weist eine Vielzahl von radialen Schlitzen 148 auf, von denen jeder sich im wesentlichen längs der gesamten axialen Länge des Trommelrotors 146 erstreckt. In jedem Schlitz 148 ist eine Schaufel 15ß

ausgebildet sind, so daß sie durch den Kolben in der Nähe des Endes der Kolbenhübe beaufschlagt werden. Dabei wirkt der Kolben 78 in der Weise, daß er die Ventilstange 106 und die Hülse 108 in der vorbeschrie

benen Weise verschiebt sowie die Vorspannung der 30 von Kammern 154

der inneren Wand des Hohlraumes 134 über eine innerhalb des zugeordneten Schlitzes 148 angeordnete Feder 152 vorgespannt. Die Schaufeln 150 wirken mit dem Gehäuse in der Weise zusammen, daß eine Vielzahl

Blattfedern 122 überwindet. Wenn die Ventilslange 106 verschoben wird. z. B. in die linke Position nach F i g 5. halten die Blattfedern 122 in Verbindung mit dem Druck aus dem Kanal 104. der auf die zugeordnete Schulter 115 mit veränderlichem Volumen gebildet werden. Die relative Position der Einlaßöffnung 136 und der Auslaßöffnungsschlitze 142 ermöglicht, daß die Kammern 154 veränderlichen Volumens vollständig sowohl von den Einlaß- als den Auslaßöff-

einwirkt, die Ventilslange 106 in der beschriebenen 35 nungen während eines wesentlichen Teiles der Drehung

Position. Bewegt sich der Kolben 78 nach rechts in F i g. 5. kommt er in ähnlicher Weise in Eingriff mit dem Anschlagring 124. um die Vorspannung der Blattfedern 122 zu überwinden und die gesamte Ventilstange nach rechts zu verschieben sowie die Ventildurchflußsteuerfunktionen in der vorbeschriebenen Weise auszuführen. Die entgegengesetzten Enden des Kolbens 68 weisen eine Vielzahl von in axialer Richtung verlaufenden Nuten 126 auf. die eine Verbindung zwischen der des Rotors 146 (im Gegenuhrzeigersinn nach Fig.7) isoliert sind.

die durch die Bohrung 103 festgelegt ist. ergeben An beiden äußeren Enden mit größerem Durchmesser der Bohrung 103 ist ein scheibenförmiges Rückschlagventil Im Betrieb wird der Druckluftbehälter 20 in der Andrehvorrichtung 10 zu Beginn aus einer äußeren Speisequelle über eine äußere Öffnungsverbindung 156 auf einen vorgewählten Druck aufgeladen, der wesentlich höher ist als der. der für den Drehkolbenmotor 24 erforderlich ist. Der Druck des Druckluftbehälters 20 kann durch eine Druckmeßvorrichtung 158 mit Meßan-

zugeordneten Einlaßöffnung 86 und der Gehäuseboh- 45 zeige überwacht werden.

rung 103. und damit der zugcordeten Kolbenkammer 7Z Um die Gasturbinenanlage 12 anzudrehen, wird das

Sperrventil 28 durch Schließen des zugeordneten Schalters 34 zur elektrischen Speisequelle 32 erregt, damit Druckluft durch die Leitung 22 an den

128 (analog den Rückschlagventilen 76 der Fig. 1) 50 Drehkolbenmotor 24 abgegeben werden kann. Das vorgesehen, das durch eine Feder 130 vorgespannt ist. Druckminderventil 38 reduziert den Druck in der Das Rückschlagventil 128 ist in der Lage, eine Leitung 22 auf einen niedrigen Wert, bevor die Luft der Abdichtung zwischen den Teilen mit kleinerem und Einlaßöffnung 136 des Motors 24 zugeführt wird größerem Durchmesser der Bohrung 103 zu bewirken. Dadurch, daß der Drucklurtbehälter 20 auf einem damit ein Rücknuß aus der Einlaßöffnung 88 verhindert 55 wesentlich höheren Druck gehalten wird als dies zur wird. Gleichzeitig hai das Rückschlagventil 128 einen Betätigung des Motors 24 notwendig ist, wird erheblich

an Platz gespart Der Antriebsluftstrom, der in die Einlaßöffnung des Motors 24 abgegeben wird, füllt die Verbindungskammer 154 veränderlichen Volumens, und Bohrung 103 wie auch der direkte Kontakt des Kolbens 60 der Druckunterschied zwischen der Luft in der 68 mit dem Rückschlagventil 128 sind in der Lage, das Einlaßöffnung 36 und dem Umgebungsdruck treibt den

Rotor 146 in Gegenuhrzeigerrichtung in Fig.7 an. Während dieses Teiles der Drehung des Rotors, bei

~ - .__ — welchem eine Kammer 154 mit veränderlichem

uruckverstaricers 66 im Querschnitt in den F i g. 2 und 3 65 Volumen von den Einlaß- und Auslaßöffnüngen isolier! dargestellt ist, ist eine entsprechende Anordnung an ist und zwischen den Einlaß- und Auslaßöffnungen beiden Enden des Druckverstärkers 66 vorgesehen. wandert tritt eine Expansion der Druckluft innerhalb

LMe h ig.6 und 7 zeigen den Drehkolbenmotor im dieser Kammer veränderlichen Volumens auf. Bne

genuteten äußeren Umfang, der ermöglicht, daß Strömungsmittel von der Kammer 72 nach außen in die Auslaßöffnung 88 strömt Sowohl der Gasdruck in der

Rückschlagventil 128 gegen die Vorspannfeder 132 zu verschieben, um einen Auslaßstrom aus der Bohrung zu ermöglichen. Während nur ein Ende des

derartige Expansion ergibt eine zusätzliche kinetische Energie für die Drehung des Rotors und der Abgabewelle 144. Wenn die antreibende Luft die Auslaßöffnungssehlitze 142 erreicht hat, wird sie von dem Motor bei Umgebungsdruck abgegeben.

Durch Verwendung eines Drehkolbenmotors 24 ergibt sich bei d'.r erfindungsgemäßen Vorrichtung ein besonders wirksamer Betrieb zur Beschleunigung des Verdichters 14. Ferner kann die Anlassermotorwelle 144 direkt mit der Verdichtcrwelle 16 gekoppelt to werden, ohne daß ein Zahnraduntersetzungsgetriebe vorgesehen wird, wodurch das Gewicht der Andrehvorrichtung weiter herabgesetzt werden kann. Die Leistungsfähigkeit der Andrehvorrichtung wird noch dadurch verbessert, daß sie mit einem offenen Regelkreis arbeitet: Der Auslaß aus dem Motor 24 erfolgt an die Umgebung anstatt über einen geschlossenen Kreis zur Rückführung in den Druckluftbehälter 20.

Der Verdichter 14 beschleunigt unter dem Einfluß des Motors 24 und beginnt erhebliche Mengen an Druckluft über den Auslaßkanal in die zugeordnete Verbrennungskammer abzugeben. Der Verdichter und die Gasturbinenanlage 12 werden von dem Motor 24 bis zu einer Selbsthaltedrehzahl beschleunigt, beispielsweise etwa 40% der Nenndrehzahl der Gasturbine; zu diesem Zeitpunkt läuft die Gasturbinenanlage im Selbsthaltbetrieb weiter. Wenn die Selbsthaltedrehzahl erreicht ist. kann der Schalter 34, entweder von Hand oder in Abhängigkeit von dem Drehzahlgeber 36 geöffnet werden. Das Sperrventil wird dann entregt und bewegt so sich in seine Durchflußsperrposition und der Motor 24 kommt zum Stillstand. Andererseits kann der Motor laufen, bis der Druckluftbehälter 20 expandiert ist, woraufhin dann die Freilaufkupplung den Motor wirksam abkoppelt; dadurch entfällt die Notwendigkeit eines automatischen Sperrventils 28. Während der Abgabe des Antriebsflusses an den Motor 24 bewirkt jeder Augenblick der Überdruckaufladung der Leitung 22 stromaufwärts in bezug auf das Druckregelventil 38. daß der Schalter 50 schließt, damit das Sperrventil entregt und der Luftstrom durch die Leitung 22 reduziert wird.

Während des Selbsthaltebetriebes der Gasturbinenanlage 12 kann der Ladesteuerschalter 62 entweder von Hand oder in Abhängigkeit vom Meßwertgeber 36 geschlossen werden, damit das DurchfluBsperrventil 58 in die offene Stellung gebracht wird, in der Druckluft von der Leitung 54 zum Druckverstärker 66 strömt

Diese Druckluft aus der Leitung 54 wird in beide Speiseleitungen 82 des Druckverstärkergehäuses 70 und in die zugeordneten Kanäle 104 abgegeben. In dem in den F i g. 2 und 5 dargestellten Zustand steht der linke Kanal 104 in Verbindung mit der linken, größeren Kämme:r 82 veränderlichen Volumens, damit ein nach rechts exfolgender Antrieb der Kolben 78 und 68 erzielt wird. Der andere, rechte Kanal 104 steht über die Einlaßöffnung 86 und die Nuten 126 mit der rechten Kammer 72 veränderlichen Volumens in Verbindung. Aufgrund des erheblichen Unterschiedes im Flächeninhalt dar Kolben 78 und 68 hat der Luftstrom aus der rechten Kammer 72, der AuslaßöFfnung 88 und der Nebenleitung 74 zum Druckluftbehälter 20 auf einem wesentlich höherer. Druck als der Luftstrom aus der Leitung; 54 in den Druckverstärker.

Wenn der Kolben 78 sich dem Ende semes nach es rechts erfolgenden Hubes nähert, wird da rechte Anschlagring 124 beaufschlagt und verschiebt die Ventilstange 106 nach rechts, wodurch der rechte Kanal 104 mit der zugeordneten rechten Kammer 80 verbunden wird. Ähnlich ermöglicht die Bewegung der Ventilstange 106 r.ach rechts, daß die linke Hülse 108 die Verbindung zwischen dem Kanal 104 und der linken Kammer 80 unterbricht, während letztere Kammer mit den linken Leitungen 112 über die Mitte der linken Hülse 108 verbunden wird. Die Bewegung des Kolbens 68 innerhalb der Bohrung 103 baut eine synchrone Ventilzwischenverbindung der Einlaßöffnungen 86 mit ihren zugeordneten Kammern 82 veränderlichen Volumens auf. Entsprechend werden die Kolben 68 und 78 in einer kontinuierlichen, hin- und hergehenden Aktion innerhalb des Gehäuses 70 angetrieben, das Zusammenwirken des Kolbens 78 mit dem Anschlagring 124 und das zugeordnete Verschieben der Ventilstange 106 stellen Mittel dar. um die Position des Kolbens 78 festzustellen und im Anschluß daran die Verbindung der beiden Kammern mit der Leitung 54 und dem Umgebungsdruck zu reversieren, damit die fortgesetzte hin- und hergehende Aktion erhalten wird. Auf diese Weise richtet der Druckverstärker einen Ladeluftstrom durch die Leitung 54 über das Rückschlagventil 56 in den Druckluftbehälter 20 imt einem Druck, der wesentlich höher ist als der vom Verdichter 14 erzeugte Druck. Wenn der Druck im Druckluftbehälter den vorgewählten Wert erreicht hat, öffnet der Druckschalter 64 den Stromkreis zum Absperrventil 58. damit das Ventil entregt und der Druckgasstrom zum Druckverstärker blockiert wird. Auf diese Weise wird der Behälter auf einen Druckwert gefüllt, der ausreicht, um den Anlassermotor 24 während des nächsten Anlaufvorganges der Gasturbinenanlage 12 zu betätigen. Die Andrehvorrichtung 10 ist somit unabhängig von der Gasturbinenanlage und es braucht keine äußere Energiequelle verwendet zu werden, um das Anlassen der Maschine zu erreichen, ausgenommen das erste Laden des Druckluftbehälters 20. Es ist somit kein weiterer Anlaßmechanismus erforderlich. Die Vorrichtung 10 bewirkt alleine das Anlassen des Motors 24. und es sind keine elektrischen oder anderen Anlasservorrichtungen zur Unterstützung der Vorric.itung 10 vorgesehen. Die Vorrichtung 10 ist in der Lage, einen schnellen Motoranlauf zu gewährleisten, und kann innerhalb von Minuten für einen weiteren Anlaßvorgang nachgefüllt werden. Im Gegensatz hierzu sind bei bekannten, vergleichbaren Einrichtungen mehrere Stunden zwischen zwei aufeinanderfolgenden Anlaßvorgängen erforderlich.

Bei fehlerhaftem Funktionieren kann der Behälter 20 durch die äußere Öffnungsverbindung 156 unter Verwendung einer externen Druckgasquelle oder durch eine Handpumpe wiederaufgeladen werden. Um das Anlaßvermögen der Vorrichtung 10 weiter zu verbessern, können zusätzliche mit Druckgas gefüllte Flaschen oder Behälter in der Vorrichtung enthalten sein, vorzugsweise mit der Leitung 20 parallel zum Behälter an einer Stelle stromabwärts in bezug auf das Absperrventil 28 und stromaufwärts in bezug auf das Druckminderventil 38 vorgesehen sein.

Eine weitere Ausführungsform eines Druckverstärkers 160 (Fig.8) hat den Vorteil daß er im Vergleich zum Verstärker 66 sehr kompakt aufgebaut ist Ähnlich dem Druckverstärker 66 weist dieser Verstärker größere und kleinere Kolben 162 und 164 auf, die in esnem Gehsuse 166 hin- und herbewegbar sind, so daß sie zwei größere Kammern 168 veränderlichen Volumens und zwei kleinere Kammern (nicht dargestellt) veränderlichen Volumens an entgegengesetzten Enden

des kleineren, stangenförmigen Kolbens 164 bilden. Bei diesei' Anordnung weist die Vorrichtung zum Hin- und H.' ^bewegen das größeren Kolbens 162 eine Quelle druckaufgeladenen hydraulischen Slrömungsmiltels ί70· auf. die zweckmäBigerweise eine der hydraulischen Pumpen sein kann, welche von der Gasturbinenanlage angetrieben und aufgenommen werden. Das hydraulische Strömungsmittel hohen Druckes wird von der Pumpe 170 über einen Zweigkanal 172 in Einlaßleitungen 174 an entgegengesetzten Enden des Gehäuses 166 abgegeben, das mit den zugeordneten Kammern 168 veränderlichen Volumens in Verbindung steht. An den Einlaßleitungen 174 sind Ventilanordnungen 176 ähnlich den Durchflußstiuprventilen 84 der ersten Ausführungsform zwischengeschallet. Die Ventilanordnungen 176 weisen eine einzige Ventilstange 178 mit zwei Schultern 180 auf. die abdichtend in Eingriff mit einer zugeordneten Endv.andung 182 der Hülse 184 stehen. Die Hülsen iS4 sind nach auGen in Eingriff mit der zugeordneten Schulter 180 oder einem entsprechenden Sitz 186. der am Gehäuse 16b angeordnet ist, vorgespannt. Die hohlen Innenräume der Hülsen 184 stehen mit einer hydraulischen Niederdruck-Strömungsmittelrückführöffnung 188 in Verbindung.

Von der Ventilstange 178 werden Anschlagringe 190 außerhalb des Gehäuses 166 in Positionen aufgenommen, in denen sie in Eingriff mit zugeordneten Hebeln 192 kommen. Die entgegengesetzten Enden der Hebel 192, die schwenkbar mit dem Gehäus. 166 befestigt sind, sind ^o angeordnet, daß sie durch Paßstifte 194 in Kontakt stehen. Wie in Fig.8 gezeigt, bewirkt eine Verschiebung des Kolbens 162 auf das Ende seines Hubes zu, daß der Kolben mit dem zugeordneten Paßstift 194 in Eingriff kommt und den Hebel 192 verschwenkt, damit die Ventilstange 178 in der entgegengesetzten Richtung bewegt wird. Ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel des Druckverstärkers bewirkt diese Bewegung der Ventilstange eine Umkehr der Verbindung der beiden Kammern mit veränderlichem Volumen, wobei der höhere Druck im Kanal 172 und der niedrigere Druck in der Öffnung 188 herrscht

Die Arbeitsweise des Druckverstärkers 160 ist ähnlich der des Druckverstärkers 66. mit der Ausnahme, daß hydraulisches Strömungsmittel zum Antrieb des Kolbens 162 verwendet wird. Die hin- und hergehende Bewegung des Kolbens 164 bewirkt die entsprechende Ventilwirkung und Verschiebung des Druckmittels in die und aus den Kammern des zugeordneten Kolbens 164 in einer Weise, die ähnlich der nach der Ausführungsform nach F i g. 2 ist Beispielsweise ist in Fig.8 die Ventilstange 178 in ihrer rechten Position dargestellt, wobei das hydraulische Hochdruckströmungsmittel von der Pumpe 170 in die linke Kammer 168 veränderlichen Volumens zum Antrieb der Kolben 162 und 164 nach rechts abgegeben wird. Während der Bewegung nach rechts wiröHochdruckströmungsmittel von der rechten Druckkammer, die den kleineren Kolben 164 zugeordnet ist, verdrängt. Wenn der Kolben 162 sich dem Ende seines nach rechts gerichteten Hubes nähert, kommt er in Eingriff mit dem Paßstift 194 und bewirkt eine nach links erfolgende Verschiebt ng der Venti'stange 178. Die linke Endwandung 182 kommt dadurch in Eingriff mit dem Sitz 186 und Sperrt die Verbindung des Hochdruckströmungsmittels zur linken Kammer 168; die rechte Schulter 180 kommt ferner in Eingriff mit der zugeordneten Endwandung 182 und verschiebt die rechte Hülse 184 nach rechts, damit Hochdruckströmungsmittel in die rechte Kammer 168 abgegeben wird. Gleichzeitig hat die nach links gerithtete Bewegung der Ventilstangen 178 die linke Schulter 180 von der zugeordneten Endwandung weg verschoben, damit ein Strömungsmittelauslaß aus der linken Kolbenkammer 168 durch die Mitte der linken Hülse 184 zur Auslaßöffnung 188 ermöglicht wird. Auf diese weise ergibt sich eine kontinuierliche Hin- und Herbewegung der Kolben 162 und 164 solange, wie druck-aufgeladenes Strömungsmittel von der Pumpe 170 abgegeben wird. Vorzugsweise wird ein hydraulisches Durchfluusteuerventil zwischen der druckaufgeladenen Strörnungsmittelquelle und dem Abzweigkanal 172 vorgesehen. Ähnlich dem Sperrventil 58 nach F1 g. 1 kann dieses hydraulische Durchflußsteuerventil auf einen Betriebsmeßwertgeber 36 der Gasturbine ansprechen.

In beiden dargestellten Anordnungen ergibt sich, daß die Andrehvorrichtung 10 eine Steuereinrichtung einschließlich der Absperrventile 28 und 58 aufweist, die während einer ersten Betriebsart so wirken, daß sie einen Antriebsstrom aus dem Behälter zum Motor 24 zum Anlassen de' Gasturbinenanlage abgeben und während einer zweiten Betriebsart in der Weise wirken, daß der Behälter wiederaufgeladen wird, während die Gasturbinenanlage im Selbsthaltebetrieb läuft.

Vorstehend sind im einzelnen zwei spezielle Ausführungsformen von Druckverstät-;ern erläutert worden; es gibt jedoch eine Vielzahl anderer Arten von Druckverstärkern anstelle der Verstärker 66 oder 160. Insbesondere kann der Druckverstärker direkt mechanisch mit der Gasturbinenanlage gekoppelt i-d während deren Drehung angetrieben sein, statt daß sie von einer Strömungsmittelquelle angetrieben wird, die entweder von der Gasturbinenanlage erzeugte Luft oder ein hydraulisches Strömungsmittel sein kann. In ähnlicher Weise kann der Luftstrom, der in der Gasturbinenanlage erzeugt wird, und der 711m Wiederaufladen des Druckluftbehälters 20 verwendet wird, anstatt daß er direkt von dem Auslaßkanal 18 des Verdichters 14 der Hilfsantriebseinheit abgeleitet wird, ein Luftstrom sein, der in der Gasturbinenanlage "erzeugt wird, z. B. der Verdichferluftäblaßstrom aus der Hauptlurbine.

Hierzu 4 Slatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Andrehvorrichtung für eine Gasturbinenanlage mit einem mit einem Druckluftbehälter verbundenen pneumatischen Andrehmotor, der mit dem Rotor der Gasturbinenanlage gekoppelt ist, wobei in die Leitung zwischen Druckluftbehälter und Andrehmotor ein Druckminderventil eingeschaltet ist und wobei ein Druckverstärker zum Aufladen des Druckluftbehälters vorgesehen ist, dadurch ge-

., kennzeichnet, daß der pneumatische Andrehmotor ein an sich bekannter Drehkolbenmotor (24) ist und daß der Druckverstärker (66; 160) in einer mit dem Druckluftbehälter (20) und dem Verdichter (14) der Gasturbinenanlage (12) verbundenen Ladeleitung (54) zwischengeschaltet ist und mit Luft eines ersten Druckes aus dem Verdichter (14) während des Betriebes der Gasturbinenanlage (12) gespeist wird sowie Luft an den Druckluftbehälter (20) mit einem zweiten, höheren Druck abgibt

2. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Absperrventil (28) in die Leitung (22) zwischen Druckluftbehälter (20) und Druckminderventil (38) eingeschaltet ist, und daß die Ladeleitung (54) zwischen Druckluftbehälter (20) und dem ersten Absperrventil (Γβ) mit der Leitung (22) verbunden ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Sperrventil (58) in der Ladeleitung (54) zwischen Verdichter (14) und Druckverstärk, r (66) eingeschaltet ist und daß das Sperrventil (58) durch eine vom Hruck im Druckluftbehälter (20) abhängige Betätigungsvorrichtung (62, 64) schaltbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch t. oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rückschlagventil (56) in der Ladeleitung (54) zwischen Druckiuftbehälter (20) und Druckverstärker (66) vorgesehen ist

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckverstärker (66) Kolben (68, 78) aufweist, die im Gehäuse (70) erste und zweite Kammern (72, 80) veränderlichen Volumens ausbilden, daß eine Einlaßöffnung (86) des Gehäuses (70) mit dem Verdichter (14) und mit der ersten Kammer (72) sowie eine Auslaßöffnung (88) mit dem Druckbehälter (20) und der ersten Kammer (72) verbunden ist, und daß eine mit der Gasturbinenanlage (12) verbundene Kolbenantriebsvorrichtung (80-84) für die Bewegung der Kolben (68, 78) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenantriebsvorrichtung (80—84) die Kolben (68, 78) mit Druckluft in einer Richtung beaufschlagt, in der das Volumen der ersten Kammer (72) verkleinert und das Volumen der zweiten Kammer (80) vergrößert wird, daß die Drucklufteinspeisung in die zweite Kammer (80) so steuerbar ist, daß eine Rückführbewegung des ersten und zweiten Kolbens (68, 78) in einer Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung erfolgt, daß der so erste und der zweite Kolben (68, 78) doppelt wirkende Kolben sind, die zwei erste Kammern (72) und zwei zweite Kammern (80) jeweils auf entgegengesetzten Seiten der ersten und zweiten Kolben (68, 78) ausbilden, wobei Mittel (74, 76)65 vorgesehen sind, die eine direkte Verbindung zwischen den beiden ersten Kammern (72) unterbrechen und daß eine Vorrichtung (106, 124) zum Feststellen der Stellung des zweiten Kolbens (78) innerhalb des Gehäuses (70) vorgesehen ist, die so steuerbar ist, daß die Zuführung von Druckluft in die zweiten Kammern (80) abwechselnd erfolgt