DE2653772C2 - Gasturbinen-Triebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinen-Triebwerk mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei Gasturbinen-Triebweiken, insbesondere solchen, die in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen, ist die Fähigkeit einer raschen Beschleunigung des Gaserzeugers von besonderer Bedeutung. Denn nur hierdurch kann der Verdichter bei einer geforderten Beschleunigung genügend rasch die Brennluftmenge liefern, die zur Verbrennung der entsprechenden größeren Brennstoffmenge und — nach der Verbrennung — zur Beaufschlagung der Leistungsturbinen notwendig ist. Bei einem bekannten Gasturbinen-Triebwerk der eingangs angegebenen Art (DE-OS 24 24 330) ist zu diesem Zweck der Gaserzeuger im Bedarfsfall durch eine zusätzliche Leistungsabnahme von den Leistungsturbinen her über das Getriebe und die Übertragungswelle antreibbar, wobei der das Drehmoment übertragende Teil zwischen dem Getriebe und dem Verdichter beträchtlich weniger Massenträgheitsmoment aufweist als der Kraftübertragungsteil zwischen der Turbine und dem Getriebe. Außerdem ist vorgesehen, daß im Kraftverlauf zwischen der Turbine und dem Getriebe eine Drehmasse liegt, deren Trägheitsmasse bedarfsweise mit dem Verdichterrotor koppelbar ist Die Übertragungswelle verläuft von dem Getriebe zu Stirnrädern, die auf der Welle des Gaserzeugers sitzen, und treibt diese dadurch an.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gasturhinen-Triebwerk der vorstehend geschilderten Art konstruktiv so auszugestalten, daß der von den Leistungsturbinen her abgeleitete zusätzliche Antrieb· für den Gaserzeuger eine noch raschere Beschleunigung des Gaserzeugers erlaubt

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruches 1.
Die durch die hohlen, koaxial liegenden Wellen der Leistungsturbinenläufer hindurchgeführte Übertragungswelle verbindet die Abtriebsseite des Getriebes mit dem Gaserzeuger zu dem Zweck, dem Gaserzeuger im Bedarfsfall bei Vollast zusätzliche Leistung zuzuführen und ihn damit rasch zu beschleunigen. Dabei ist die Übertragungswelle so ausgelegt daß sie auch dann noch mit überkritischer Drehzahl läuft, wenn das Triebwerk insgesamt im Leerlauf dreht. Dies erweist sich für das Beschleunigungsverhalten insofern als Vorteil, als kein zusätzliches Drehmoment verbraucht wird, um bei einer Beschleunigung des Triebswerks die Übertragungswelle durch die kritische Drehzahl hindurchzufahren. Durch die Koppelung der Leistungsturbinenläufer mit den Hilfseinrichtungen ist weiterhin dafür gesorgt, daß in dem Drehmomentfluß von den Leistungsturbinen über das Getriebe zum Gaserzeuger Drehmomentabnehmer (nämlich die Hilfseinrichtungen) so angeschlossen sind, daß sie bei Bedarf vorübergehend vom Drehmomentfluß abgekoppelt werden können. Wenn nämlich der Gaserzeuger zum Hochfahren des Triebwerks auf Vollast voll beschleunigt werden soll, dann kann die als Losturbine betriebene Leistungsturbine, die die Hilfseinrichtungen antreibt, vorübergehend nur minimal beaufschlagt werden, so daß die Leistungszufuhr in Form von Brennstoff voll zur Beschleunigung des Gaserzeugers und ggf. der weiteren Leistungsturbine eingesetzt werden kann.

Die koaxiale Hindurchführung der Übertragungswelle durch die beiden Hohlwellen der Leistungsturbinenläufer ist für das gesteckte Ziel insofern von Bedeutung, als hierdurch die Voraussetzung für eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung geschaffen wird, gemäß der die Übertragungswelle in der inneren der beiden koaxialen Wellen luftgelagert ist. Dadurch ist es möglich, die Übertragungswelle auch beim Anfahren des Triebwerks, wobei die kritische Drehzahl durchfahren werden muß, hinreichend sicher zu lagern und sie außerdem unter Einsparung zusätzlicher träger Massen direkt zentrisch mit der Turbine des Gaserzeugers zu verbinden.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen ergeben sich aus den Ansprüchen 3 bis 5.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den

3 4

Zeichnungen zeigt Funktion verwendet werden.

F i g. 1 einen Längsschnitt durch ein Fahrzeug-Gas- Das große Zahnrad 33 wirkt mit einem Ritzel 40 zu-

turbinen-Triebwerk und die Mittel zur Kraftübertra- sammen, welches auf einem Ende einer schlanken, zen-

gung auf die Fahrzeugräder; tral im Inneren der Hohlwelle 15 angeordneten Über-

F i g. 2 eine schematische Darstellung dar Montage 5 tragungswelle 41 befestigt ist Das andere, dem Ritzel 40

der Gasturbine im Fahrzeug, und entfernte Ende der Übertragungswelle 41 greift undreh-

F i g. 3 bis 5 in verkleinertem MaßsUb das Gasturbi- bar, jedoch in Axialrichtung verschiebbar in das Turbinen-Triebwerk von verschiedenen Seiten. nenrad 10 der Gaserzeugereinheit ein.

Das in F i g. 1 gezeigte Gasturbinen-Triebwerk um- Das Ritzel 40 ist mit zwei rohrförmigen Stutzen 42,43 faßt drei Turbinenräder 10, 11, 12, die axial in Strö- 10 versehen, die von den gegenüberliegenden Seiten des mungsrichtuiig hintereinander angeordnet sind und von Ritzels vorspringen und von umgebenden Lagerungseiner in der Zeichnung nicht dargestellten Brennkam- stücken des Turbinengehäuses getragen werden. In der mer mit Treibgas beaufschlagt werden. Nähe dieser Stutzen 42, 43 ist eine Rohrleitung 44 zur

Das erste Turbinenrad 10 ist mittels einer Welle 13 an Luftzufuhr vom Verdichter angeschlossen. Durch den einen Verdichter 14 angeschlossen und bildet mit die- 15 Stutzen 43 strömt die Luft in eine Bohrung 45 im be-

sem die Gaserzeugereinheit. Das Turbinenrad 10 ist nachharten Ende der Übertragungswelle 41 und tritt in

vorzugsweise aus einem keramischen Material herge- den Spalt zwischen dieser und der diese umgebenden

stellt Um die Masse des Turbinenrades herabzusetzen, Hohlwelle 15 ein, welche mit ihrem Ende durch das

ist die Stufe so dimensioniert, daß das Turbinenrad 10 Ritzel 17 hindurchgeführt und im Stutzer 42 des Ritzels nicht die volle Leistung für die Verdichtung während 20 40 gehalten ist.

der vollen Belastung des Triebwerkes schafft. Außer- Das dritte Turbinenrad 12 ist mit einem rohrförmigen

dem treibt die Gaserzeugereinheit keine Hilfsaggregate Stutzen 46 versehen, welcher in Richtung zum zweiten

an, so daß sie leicht zu beschleunigen ist. Turbinenrad 11 vorspringt und von einem Lager 47 des

Das zweite Turbinenrad 11, welches die eigentliche Turbinengehäuses gehalten ist. Das innere Ende der

Leislungsturbine bildet, ist auf einer ersten hohlen WeI- 25 Hohlwelle 15 ist in diesem vorspringenden zylindrischen

Ie 15 montiert. Das dritte Turbinenrad 12 ist auf einer Stutzen 46 gelagert. Das andere, den Turbinenrädern

zweiten hohlen Welle 16 montiert, die koaxial die erste entfernte Ende der Hohlwelle 16 ist in einem einfachen

Hohlwelle 15 umschließt. Die Welle 15 ist mit einem Lager 48 im Turbinengehäuse gelagert. Die Abstützung

Ritzel 17 und die Welle 16 mit einem Ritzel 18 versehen. der inneren Hohlwelle 15 im Stutzen 46 ist ein Luftlager,

Diese Zahnräder wirken mit einem Momententeiler in 30 welches mit Luft durch Radialbohrungen 39 versorgt

Gestalt eines Planetengetriebes zusammen. wird.

Das Ritzel 17 wirkt mit einem in der Zeichnung nicht Die schlanke Übertragungswelle 41 ist so dimensiogezeigten und außerhalb der Schnittebene liegenden, niert, daß sie auch dann noch mit überkritischer Drehzwischengeschalteten Zahnrad zusammen. Dieses Zwi- zahl läuft, wenn sich das Triebwerk im Leerlauf dreht, schenrad steht im Zahneingriff mit einem großen scha- 35 Sie kann im Inneren der Hohlwelle 15 mit mindestens lenförmigen Tellerrad 19, dessen Nabenteil 20 als ein einem Dämpfungslager versehen sein (nicht dargestellt) Zahnrad ausgebildet ist und mit einem weiteren, an ei- und erreicht infolge ihrer Konstruktion selbsttätig eine ner Abtriebswelle 22 angebrachten Zahnrad 21 in Ver- Zentrierposition, sobald das Triebwerk die Anlaufdrehbindung sieht. Das schalenförmige Zahnrad 19 weist ein zahl überschritten hat.

Zahnkranzrad 23 mit einer Innenverzahnung auf, das als 40 So wird die Übertragungswelle 41 grundsätzlich von

Hohlrad im erwähnten Planetengetriebe arbeitet. der Luft innerhalb der Hohlwelle 15 getragen und ist an

Das Ritzel 18 an der Welle des dritten Turbinenrades ihren Enden jeweils in den Stutzen 42,46 gelagert. Diese

12 wirkt mit dem Planetenträger 24 des Planetengetrie- erhalten eine Luftschmierung von der Rohrleitung 44.

bcs zusammen. Planetenräder 25 verbinden das Hohlrad Die Hohlwellen 15 und 16 rotieren entgegengesetzt zu-

23 mit einem Sonnenrad 26, welches an einer Welle 27 45 einander.

zur Übertragung des Drehmoments auf die Gaserzeu- Das Ritzel 18 treibt neben dem Planetenträger 24

gereinheit befestigt ist. auch noch ein Zahnrad 49, welches auf einer Welle 50

Die zu übertragende Leistung wird durch ein regelba- angebracht ist. Von dieser Welle 5Oi werden die (nicht res insgesamt mit 30 bezeichnetes Getriebe bestimmt. gezeigten) Hilfseinrichtungen, wie Treibstoff- und Dieses umfaßt ein erstes Rotorgehäuseteil 31, welches 50 Schmiermittelpumpen, ein elektrischer Generator, Anmit der Welle 27 gekoppelt ist, und ein zweites Rotorge- triebsmittel für den Wärmetauscher und dgl., angetriehäuseteil 32, welches hier an ein großes Zahnrad 33 ben und es ist ersichtlich, daß dieser Antrieb die Kraftangeschlossen ist. Verstellbare Kontaktglieder 34 sind übertragung auf die Gaserzeugereinheit nicht beeinzwischen den Rotorgehäuseteilen 31 und 32 angeordnet flußt.

und für die Drehbewegung in bezug auf die radial nach 55 Die Kraftübertragung von der Abtriebswelle 22 zu außen von der Welle 27 gerichteten Zapfen 35 be- Wellen 60 der Fahrzeugräder wird auf übliche Weise stimmt. Durch die Veränderung der Neigung dieser mittels eines Differentials 61 erreicht. Dieses weist ein Zapfen zu einer Normalebene hinsichtlich der Welle 27 Kronenrad 62 mit einer Außenverzahnung auf, das mit ist es möglich, das Geschwindigkeitsverhältnis zwischen einem Ritzel 63 im Eingriff steht. Das Ritzel 63 sitzt fest den beiden Rotorgehäuseteilen 31,32 zu verändern. 60 an der Nabe eines Kronenrades 64 eines zweiten Planein der gezeigten Position, in der der Zapfen 35 senk- tengetriebes, dessen Sonnenrad 65 auf der Abtriebswelrecht zur Welle 27 steht, laufen die Rotorgehäuseteile Ie 22 befestigt ist und dessen Planetenradträger 66 an mit gleicher Geschwindigkeit um. Ein Schmierstoffver- einem Vorwärts-Rückwärtsgang 67 bekannter Art anteiler 36 ist zwischen zwei benachbarten Kontaktglie- geschlossen ist.

dcrn 34 derart angeordnet, daß er das Schmiermittel auf 65 Das die Turbinen und den Verdichter umschließende

die verschiedenen Kontaktflächen auftragen kann. Gehäuse ist im Druckgießverfahren aus einer Leichtme-

Regelbare Getriebe dieser Art sind bekannt; an ihrer tallegierung hergestellt. Die inneren Flächen des Ge-

Slellc können auch andere Einrichtungen mit ähnlicher häuses, an denen die Strömung der Luft und der Gase

geführt wird, sind mit einer Isolierung aus keramischem Material überdeckt. Auf diese Weise wird ein geringes Gewicht und trotzdem eine feste Konstruktion mit günstigen Wärmeeigenschaften erreicht.

Die keramische Isolierung ist aus vorgeformten Teilen gebildet, die mit den Bezugsziffern 70—76 an der Lufteinströmseite und mit 77—79 an der Gasausströmseite bezeichnet sind. Die keramischen Teile sind an den Leichtmetallwänden befestigt.

Das aus der (nicht dargestellten) Brennkammer austretende Gas strömt durch einen Kanal 80 zur Turbineneintrittsspirale 81 und weiter strömungsabwärts durch die Beschaufelung der Laufräder der Turbinen hindurch in die Kammer 82. Die Eintritts- und Austrittsspiralen sind in der Zeichnung als schwachständige Membranen dargestellt, die teilweise von der keramischen Isolierung getragen werden. Die Isolation kann aber auch so konstruiert sein, daß sie die Wände der Luft- und/oder Gaskanäle umgibt — so wie an der Gasaustrittsseite gezeigt.

Das Triebwerk umfaßt einen üblichen, drehbaren, regenerativen Luftvorwärmer 83. Die aus dem letzten Turbinenrad austretenden Gase strömen aufwärts durch die Kammer 82, ziehen durch eine Hälfte des drehbaren Luftvorwärmers 83 und treten in den Auslaß 84. Die Frischluft dagegen strömt vom Verdichter 14 durch eine Füllkammer 85 zur anderen Seite des drehbaren Vorwärmers 83 und durch diesen hindurch nach unten zu. Ein Wärmetauscher der gezeigten drehbaren, regenerativen Bauart ist zu bevorzugen bei leichten Fahrzeugen und mittleren Druckverhältnissen. Bei höherem Druckverhältnis ist ein rekuperativer Wärmetauscher vorzuziehen.

Zwischen dem zweiten und dritten Turbinenrad 11 und 12 sind einstellbare Leitschaufeln % vorgesehen, mittels welcher die Verseilung der Kraft zwischen den beiden Turbinenrädern geregelt und ggf. die Kraftübertragung auf die Gaserzeugereinheit ohne ein Getriebe 30 gesteuert werden kann, wobei die Übersetzung durch ein einfaches Stufenzahnrad ersetzt werden kann.

F i g. 2 zeigt schematisch den Einbau des Gasturbinen-Triebwerks im Motorenraum eines Fahrzeuges mit Vorderantrieb. Die Brennkammer 90 des Triebswerkes ist nach vorne gerichtet und ist deshalb immer leicht zugänglich. Das Gehäuse 91, welches das Differential und den Rückwärtsgang umschließt, ist am Turbinengehäuse 92 angeflanscht. Auf diese Weise ist es möglich, bei einer größeren Kontrolle der Gasturbine das Gehäuse herauszunehmen und das Differential im Fahrzeug zu behalten.

Der Wärmetauscher 83 ist an der gegenüberliegenden Seite zur Brennkammer, d. h. in der Nähe des Fahrersitzes, angeordnet und der Abgasaustritt 84 ist nach unten und rückwärts unter dem Fahrgestell geführt Die Drehachse des Wärmetauschers und die Mittellinie der Brennkammer liegen ungefähr in derselben Ebene, die gegenüber der Horizontalebene eine kleine Neigung aufweist. Wenn die Abdeckung des Wärmetauschers abgenommen ist, kann der Rotor schräg nach oben und außen herausgenommen werden, ohne daß sich das Türbinengehäuse als hinderlich erweist.

Das Turbinengehäuse ist am Fahrzeug an drei ggf. vier Punkten gehalten. Zwei von diesen Punkten sind als miteinander fluchtende, an gegenüberliegenden Seiten des Turbinengehäuses angeordnete Rollen 93 konstruiert. Diese Rollen laufen in festen, bogenlinigen Führungen 94 mit dem Mittelpunkt auf der Antriebswelle 60 der Fahrzeugräder. Ein oder ggl zwei Befestigungen 95 sind am Vorderende des Gehäuses angebracht. Wenn diese Befestigungen gelöst sind, kann das Turbinengehäuse um die Räderachse geschwenkt werden, so daß der Wärmetauscher mehr oder weniger aufrecht steht.

Zur Orientierung ist in F i g. 2 die Lage der Übertragungswelle 41 und der Umkreis des größten Turbinenrades 12 gezeigt. Auch die Lage des Getriebes 30 ist angegeben.

Es liegt auf der Hand, daß Mittel zur Befestigung der Rollen 93 an den Führungen 94, sowie ferner Führungen oder Gleitglieder zum Drehen des Turbinengehäuses vorgesehen sein können.

F i g. 3 bis 5 zeigen in einem kleineren'Maßstabe das Gasturbinen-Triebwerk von der anderen, der in F i g. 2 gegenüberliegenden Seite, ferner von vorn und von hinten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Gasturbinen-Triebwerk mit einer einen Verdichter und eine Turbine aufweisenden Gaserzeugereinheit, deren Turbine so ausgelegt ist, daß sie bei Vollast des Triebwerkes keine zum Antrieb des Verdichters ausreichende Leistung aufbringt, mit zwei zu der Gaserzeugereinheit axial fluchtenden Leistungsturbinenläufern, deren Wellen koaxial ineinander angeordnet sind, mit einem an dem der Gaserzeugereinheit abgewendeten Ende der koaxialen Wellen angeschlossenen Getriebe und mit einer das Getriebe mit der Gaserzeugereinheit verbindenden Übertragungswelle zur Drehmomentübertragung an die Gaserzeugereinheit, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungswelle (41) durch die hohlen koaxialen Wellen (15,16) der Leistungsturbinenläufer verläuft und so ausgelegt ist, daß sie auch im Leerlauf des Triebwerks mit überkritischer Drehzahl läuft und daß vorhandene leistungsverbrauchende Hilfseinrichtungen von einem der Leistungsturbinenläufer (11,12) angetrieben sind.

2. Gasturbinen-Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungswelle (41) auf einem Luftlager in der inneren (15) der koaxialen Wellen (15,16) gelagert ist.

3. Gasturbinen-Triebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eine (12) der Leistungsturbinenläufer (11,12) über einen rohrförmigen Ansatz (46) im Turbinengehäuse (47) gelagert ist und daß der andere (11) der Leistungsturbinenläufer in dem rohrförmigen Ansatz gelagert ist.

4. Gasturbinen-Triebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Ansatz (46) ein Luftlager für den anderen Leistungsturbinenläufer (11) bildet.

5. Gasturbinen-Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Getriebe zur Verbindung der koaxialen Wellen ein Planetengetriebe ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leistungsturbinenläufer (U) das Hohlrad (23) des Planetengetriebes antreibt und dieses wiederum mit der Antriebswelle (22) verbunden ist, während der andere Leistungsturbinenläufer (12) in Antriebsverbindung mit dem Planetenradträger (24) steht, daß die Übertragungswelle (41) mit dem Sonnenrad (26) des Planetengetriebes verbunden ist, und daß der andere Leistungsturbinenläufer (12) die Hilfseinrichtungen über eine gesonderte Getriebestufe (49,50) antreibt.