DE2655868A1

DE2655868A1 - Gas turbine engine for motor vehicles - has connection between power take off and take off drive through adjustable torque converter

Info

Publication number: DE2655868A1
Application number: DE19762655868
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr Techn Hagen
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1976-12-09
Filing date: 1976-12-09
Publication date: 1978-06-15

Abstract

Gas turbine unit espec. for a motor vehicle, consists of a gas generator and a power turbine. The unit includes a connection between the power turbine (5) and the take off drive of the gas generator through a torque convertor (29) the torque input of which is made adjustable. The torque convertor may be operated either on an electric generator basis or as a hydro-dynamic converter with an installation to adjust the torque transmission. The torque converter transmits only a max. of 40% of the power output of the gas turbine unit.

Description

Gasturbinenanlage, insbesondere Gasturbinen- Gas turbine plant, in particular gas turbine

triebwerk für ein Kraftfahrzeug Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage, insbesondere ein Gasturbinentriebwerk für ein Kraftfahrzeug, mit einem Gaserzeuger und einer Nutzturbine. engine for a motor vehicle The invention relates to a gas turbine system, in particular a gas turbine engine for a motor vehicle, with a gas generator and a power turbine.

Bei C-sturbinenanlagen, insbesondere Gasturbinentriebwerken für ein Kraftfahrzeug hat sich besonders diejene Bauart als zweckmäßig herausgestellt, die einen Gaserzeuger mit einem LuftverdichteL und einer Gaserzeugerturbine auf gemeinsamer Welle und eine dieser Turbine strömungsmäßig nachgeschaltete Nutzturbine (NutzleistuncJsturbine) auf eigener Welle aufweist.In C-turbine systems, especially gas turbine engines for a Motor vehicle has been found to be particularly useful that a gas generator with an air compressor L and a gas generator turbine on common Shaft and a power turbine downstream of this turbine (power turbine) having on its own wave.

Diese Grundeinheit ist zusätzlich mit Einrichtungen auszustatten, die cs ermuglichen, insbesondere folgende Forderungen zu befriedigen: Gutes Teillastverhalten hinsichtlictl des Brcnnstoffverbrauchs, schnelle Leistungsaufnahme und -abnahme je nach den Erfordernissen des Fahrbetriebes, günstiges Bremsverhalten und gerinyer Leerlauf-Brennstoffbedarf; ferner soll die Drehzahl des Gaserzeugers in keinem Betriebszustand, auch nicht beim Bremsen, wesentlich über die normale Vollastdrehzahl hinausgehen.This basic unit must also be equipped with facilities enable the cs to meet the following requirements in particular: good partial load behavior with regard to fuel consumption, rapid power consumption and consumption depending on the requirements of the driving operation, favorable braking behavior and gerinyer Idle fuel requirement; Furthermore, the speed of the gas generator should not be in any operating state, not even when braking, go significantly above the normal full load speed.

Zur Erfüllung der Forderungen nach einem günstigen Teillastverbrauch und guter Beschleunigungsfähigkeit wäre eine Lösung am günstigsten, bei der der Gaserzeuger bei gleichbleibendem Druckverhältnis allein den Luftdurchsatz ändert. Bei abnehmender Leistung sollten ferner die Temperatur vor der Turbine und die Strömungsmaschinenwirkungsgrade konstant gehalten werden. Der Kreisprozeß des Gaserzeugers würde dann bei annähernd gleichen Zustandsgrößen ablaufen.To meet the requirements for a favorable partial load consumption and a good ability to accelerate, a solution would be the best if the Gas generator only changes the air flow rate at the same pressure ratio. If the output decreases, the temperature upstream of the turbine and the efficiency of the turbomachine should also be be kept constant. The cycle of the gas generator would then be approximately run with the same state variables.

Aus Kontinuitätsgründen ist bei Strömungsmaschinen mit konstantgehaltener Geometrie diese Lösung nicht ausführbar. Man kommt dieser Lösung aber näher, wenn Verdichter und/oder Turbine mit Verstelleitapparat ausgeführt werden. Bei solchen Bauarten könnte der Durchsatz zurückgenonimen werden, ohne daß sich bei konstanter Drehzahl das Druckverhältnis in dem Maß vermindert, wie es bei Verdichtern und Turbinen ohne Verstelleitapparate der Fall ist.For reasons of continuity, with fluid flow machines with a constant Geometry this solution is not feasible. But you get closer to this solution if Compressor and / or turbine are carried out with Verstelleitapparat. In such The throughput could be reduced without reducing the constant Speed reduces the pressure ratio to the same extent as it does with compressors and turbines is the case without adjustment apparatus.

Eine für den spezifischen Verbrauch - insbesondere bei Kraftfahrzeuggasturbinentriebwerken mit Wärmetauscher - günstige Lösung erhält man aber auch dann, wenn man bei einem Gaserzeuger ohne Verstelleitapparat bzw. Verstelleitbeschaufelunq bei Lastverminderung mit abnehmender Drehzahl durch geeignete Maß" nahmen die Turbineneintrittstemperatur etwa konstant hält oder mit fallender Last der Drehzahl so zuordnet, daß sie - bei den jeweils vorhandenen Strömungsmaschinenwirkunysgraden - verbrauchsoptimal ist. Dies kann dadurch geschehen, daß man dem Gaserzeuger bei abnehmender Drehzahl zusätzliche Wellenleistung entnimmt.One for specific consumption - especially in automotive gas turbine engines with heat exchanger - cheap But you also get a solution if one with a gas generator without Verstelleitapparat or Verstelleitbeschaufelunq when the load is reduced with decreasing speed, the turbine inlet temperature was taken by suitable measures keeps about constant or assigns the speed with decreasing load in such a way that it - at the respective existing turbomachine efficiency - is optimal in terms of consumption. This can be done by adding the gas generator as the speed decreases Removes shaft power.

Gleichzeitig mussen Vorkehrungen getroffen werden, damit die Pumpgrenze des Verdichters nicht erreicht wird Es istçmöglich, diese Zusammenhänge dadurch zu realisieren, daß man zwischen dem Gaserzeuger und der Nutzturbine eine mechanische Verbindung über Getriebe schafft, die wahlweise über eine schleifende Kupplung eingeschaltet werden kann. Die schleifende Kupplung hat den Vorteil, daß das übertragene Moment dosiert werden kann und das Verhältnis der Gaserzeugerdrehzahl zur Nutzturbinendrehzahl sich ändern kann. Mit solchen Einrichtungen läßt sich auch der Gaserzeuger zum Bremsen des Kraftfahrzeugs heranziehen, indem wahlweise auch Leistung von der Abtriebsseite auf den Gaserzeuger übertragen wird, wo sie im Verdichter aufgenommen werden kann, falls die Brennstoffzufuhr gedrosselt wird. Die Anordnung dieser Kupplung hat aber für diesen Fall den Nachteil, daß beim Betrieb mit stark von 1 abweichendem Drehzahlverhältnis ein nicht unerheblicher Leistungsverlust auftritt.At the same time, precautions must be taken to prevent the surge line of the compressor is not achieved to realize that there is a mechanical between the gas generator and the power turbine Connection via gear creates, which is optionally switched on via a slipping clutch can be. The slipping clutch has the advantage that the transmitted torque can be dosed and the ratio of the gas generator speed to the power turbine speed can change. Such devices can also be used to brake the gas generator of the motor vehicle by optionally also adding power from the output side is transferred to the gas generator, where it can be taken up in the compressor, if the fuel supply is throttled. However, the arrangement of this coupling has for this case the disadvantage that when operating with a speed ratio that deviates significantly from 1 a not inconsiderable loss of performance occurs.

Da an der Kupplung die Momente an der Antriebsseite und der Abtriebsseite einander gleich sind, beträgt die Verlustleistung n2 NV = N1 (1 ~ WO wo Nv die Verlustleistung, N1 die vom Gaserzeuger abgegebene Leistung, n1 die Drehzahl auf der Gaserzeugerseite der Kupplung und n2 die Drehzahl auf der Abtriebsseite der Kupplung ist. Aus dieser Beziehung erkennt man, daß bei stark schleifendem Abtrieb ein erheblicher Anteil der Antriebsleistung verlorengeht.Because on the coupling, the torques on the drive side and the driven side are equal to each other, the power loss is n2 NV = N1 (1 ~ WO where Nv is the power loss, N1 the power output by the gas generator, n1 the speed on the gas generator side of the clutch and n2 is the speed on the output side of the clutch. From this Relationship one recognizes that with strongly grinding downforce a considerable proportion the drive power is lost.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Vedbesserung des Teillastbetriebs und zur Erfüllung anderer genannter Forderungen zu schaffen, wobei diesem Nachteil der Verlustleistung an der Kupplung begegnet werden soll.The object of the invention is to provide a device for improving the Part-load operation and to meet other named requirements, whereby this disadvantage of the power loss at the coupling is to be countered.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Verbindung der Nutzturbine und des Gaserzeugerabtriebs über einen Drehmomentwandler, dessen Drehmomentaufnahme regelbar eingerichtet ist. An die Stelle der Kupplung wird also ein Energiewandler gesetzt.This object is achieved according to the invention by a connection of the Power turbine and the gas generator output via a torque converter, its torque absorption is adjustable. An energy converter is used in place of the coupling set.

Dieser bietet bei großen Drehzahlunterschieden zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle einen erheblichen Vorteil, da der Wirkungsgrad der Leistungsübertragung günstiger wird. Man kann ferner im normalen Betriebsfall hohe prozentuale Drehzahlunterschiede zulassen. Das Mauptmerkmal des Drehmomentwandlers gegenüber der Kupplung besteht darin, daß das bei der Wandlung notwendigerweise auftretende Differenzmoment zwischen Antrieb und Abtrieb an einem feststehenden oder an einem dritten rotierenden Bauteil abgefangen werden muß. Außerdem sind die Möglich keiten zur baulichen Gestaltung bei einer Drehmomentwandlung ,, vielfältiger als bei einer schleifenden Kupplung. Beispielsweise kann am Gaserzeuger ein elektrischer Generator vorgesehen werden, von dem aus die Energie über elektrische Leitungen an einen Elektromotor übertragen wird, der die Leistung an den Fahrzeugabtrieb abführt. Durch Änderung des Feldes am Elektrogenerator kann in gewünschter Weise die Übertragungsleistung gesteigert werden, womit die Temperaturerhöhung erzielt wird, die;man zur Verbesserung des Kreisprozesses benötigt. Statt dieser Elektroeinrichtungen kann auch ein hydrodynamischer oder hydrostatischer Drehmomentwander mit einer Einrichtung zur Änderung der Drehmomentübetragung vorgesehen werden. - Die genannte elektrische Energieübertragung kann mit der Stromversorgung des Gasturbinentriebwerks kombiniert werden, und zwar in der Weise, daß der Elektrogenerator zusätzlich die erforderliche Energie zum Laden einer Batterie oder zusätzlicher Aggregate übernimmt.This offers large speed differences between the input shaft and the output shaft a significant advantage, since the efficiency of power transmission becomes cheaper. In normal operation, there can also be high percentage speed differences allow. The main feature of the torque converter over the clutch is in that the torque difference necessarily occurring during the conversion between drive and output on a fixed or on a third rotating component must be intercepted. There are also the possibilities to structural design with a torque conversion ,, more diverse than with one slipping clutch. For example, an electric generator can be installed on the gas generator are provided, from which the energy via electrical lines to an electric motor is transmitted, which transfers the power to the vehicle output. By change of the field on the electric generator can change the transmission power in the desired manner be increased, with which the temperature increase is achieved, the one to improve of the cycle process. Instead of these electrical devices, a hydrodynamic or hydrostatic torque converter with a device for changing the torque transmission are provided. - Said electrical energy transfer can be done with the power supply of the gas turbine engine are combined in such a way that the electric generator additionally the energy required to charge a battery or additional Aggregates takes over.

Vorteilhafterweise sind hier weder Fernwellen noch Getriebe notwendig, um die Leistung vom Gaserzeuger zur Antriebsseite zu übertragen.Advantageously, neither long-distance shafts nor gears are necessary here, to transfer the power from the gas generator to the drive side.

Der Drehmomentwandler kann für die Ubertragung relativ kleiner Leistungsanteile des- Caserzeugers dimensioniert werden. Um die gewünschte Temperaturerhöhung an der Gaserzeugerturbine zu bekommen, wird im allgemeinen nur eine Leistung übertragen werden müssen, die hochstens etwa 40 % der Leistung beträgt, die als Nutzleistunq umgesetzt wird Beim Bremsen sollte andererseits eine sehr hohe Leistung, die der Volleistung des Gasturbinentriebwerks entspricht, übertragen werden. Dazu ist es nicht notwendig, den hochwertigen Drehmomentwandler einzusetzen, dafür würde eine dosierfähige Kupplung durchaus ausreichen.The torque converter can transmit relatively small amounts of power des- Casgenerator are dimensioned. To the desired temperature increase To get to the gas generator turbine, only one power is generally transmitted must be, which is at most about 40% of the power, which as Nutzleistungsunq When braking, on the other hand, should have a very high level of power Full power of the gas turbine engine corresponds to be transmitted. It is for this not necessary to use the high-quality torque converter, a meterable coupling are sufficient.

Um somit sowohl den Betrieb bei Teillast mit den hohen Wirkungsgradanforderungen als auch den Bremsfall mit geringem Bauaufwand erfüllen zu können, wird eine Kombination des Drehmomentwandlers und einer Kupplung, insbesondere mechanischem Kupplung, vorgeschlagen, d.- h. der Drehmomentwandler greift bei Teillastbetrieb ein, während die Kupplung nur beim Bremsen zugeschalte-t wird. Es lassen sich auf diese Weise die Funktionen auch besser trennen. Im Leerlauf, der bei ruhendem Kraftfahrzeug einen kleinen absoluten Brennstoffverbrauch aufweisen soll, wäre eine kleine Drehzahl mit niedriger Turbineneintrittstemperatur anzustreben. Mit Rücksicht auf das Beschleunigungsverhalten darf man die Drehzahl aber nicht stark absenken. Man wird vorteilhafterweise aber die Übertragung der Energie auf die Abtriebsseite voll abschalten. Um beim Teillastbetrieb der Gasturbine durch die zusätzliche Belastung des Gaserzeugers einen Vorteil im spezifischen Verbrauch zu erhalten, muß die übertragung der Leistung vom Gaserzeuger auf die Nutzturbine mit gutem Wirkungsgrad erfolgen. Dazu sollte man den Drehmomentwandler in der Nähe seines Auslegungspunktes fahren und die Bereiche kleiner Belastung vermeiden Dies kann durch eine entsprechende Steuerung erreicht werden Entscheidend verbessern kann man den Drehmomentwandlerbetrieb durch einen Drehmomentwandler mit Leistungsverzweigung. . Bei diesem wird nur ein Teil der Leistung über den Drehmomentwandler übertragen, der andere Anteil über ein Differentialgetriebe.To thus both the operation at part load with the high efficiency requirements as well as being able to meet the braking situation with little construction effort will be a combination the torque converter and a clutch, in particular a mechanical clutch, proposed i.e. the torque converter intervenes during partial load operation, while the clutch is only switched on when braking. It can be used in this way the functions also separate better. When idling, which is a small absolute when the motor vehicle is at rest Should have fuel consumption, would be a low speed with a low turbine inlet temperature to strive for. With regard to the acceleration behavior, the speed is allowed but do not lower it much. However, it is advantageous to transfer the Completely switch off energy on the output side. To with partial load operation of the gas turbine an advantage in specific consumption due to the additional load on the gas generator To obtain it must be the transfer of the Power from the gas generator the power turbine take place with good efficiency. To do this, you should use the torque converter drive close to its design point and avoid areas with low loads This can be achieved through an appropriate control. Significantly improve the torque converter operation can be achieved through a torque converter with power split. . With this only part of the power is transmitted via the torque converter, the other part via a differential gear.

Um bei Lastaufnahme das Gasturbinentriebwerk möglichst schnell beschleunigen zu können, ist es vorteilhaft, während der Fahrt vorübergehend Leistung vom Abtrieb her über den Drehmomentwandler auf den Gaserzeuger zu übertragen, d. h. den Wandler dementsprechend zu schalten; dies kann beim hydrodynamischen Wandler durch Verstellschaufeln geschehen. Es wird dabei kurzzeitig am Abtrieb eine Leistungsminderung auftreten, die, weil sie geringfügig ist, zugelassen werden kann. Besonders zu empfehlen ist dieses Vorgehen, wenn unmittelbar aus dem Bremsen heraus wieder beschleunigt werden soll. Hier wird der Gaserzeuger unmittelbar auf hoher Drehzahl gehalten werden können. Eine schnelle Brennstoffzufuhr muß allerdings die Einrichtung zur Aufrechterhaltung der Drehzahl unterstützen.In order to accelerate the gas turbine engine as quickly as possible when a load is taken to be able to, it is advantageous to temporarily power the downforce while driving to transmit via the torque converter to the gas generator, d. H. the converter to switch accordingly; In the case of the hydrodynamic converter, this can be done by means of adjustable blades happen. There will be a short-term reduction in output at the output, which, because it is insignificant, can be admitted. Is particularly recommended this procedure if you accelerate again immediately from braking target. Here the gas generator can be kept at a high speed immediately. A rapid fuel supply, however, must be the device to maintain it support the speed.

Beim Einsatz beispielsweise des genannten Elektrowandlers kann aber auch Energie z. B. in einer Batterie gespeichert werden, die dann zur Beschleunigung des Gaserzeugers herangezogen wird.When using the electric converter mentioned, for example, can also energy z. B. be stored in a battery, which is then used to accelerate of the gas generator is used.

Auch andere Formen der Energiespeicherung sind grundsätzlich anwendbar.Other forms of energy storage can also be used in principle.

Weitere Vorteile bietet ein Drehmomentwandler mit verstellbaren Leitschaufeln in der Anwendung beim Bremsbetrieb, da hier die Leistungsaufnahme bzw. Leistungsübertragung unabhängig von der Antriebsdrehzahl stufenlos verändert werden kann. dadurch kann man in Verbindung mit einem automatisch schaltenden Fahrzeuggetriebe folgende Bedingungen einhalten: 1. Dfe Drehzahl des Gaserzeugers, der hier als Bremse wirkt, kann in zulässigen Grenzen gehalten werden. Dazu gehören entsprechende Reglereinrichtungen. Ein starres Durchkuppeln von der Fahrzeugseite zum Gaserzeuger entfällt in diesem Fall.A torque converter with adjustable guide vanes offers further advantages in the application during braking operation, since this is where the power consumption or power transmission is concerned can be changed continuously regardless of the drive speed. thereby can the following conditions apply in connection with an automatically shifting vehicle transmission adhere to: 1. Dfe speed of the gas generator, which acts as a brake here, can be set in permissible limits are kept. This includes corresponding control devices. There is no rigid coupling from the side of the vehicle to the gas generator Case.

2. Durch das Einstellen einer hohen Gaserzeugerdrehzahl wird es möglich, die höchstmögliche Bremswirkung des Gaserzeugers in einem Fahrgeschwindigkeitsgebiet ohne wesentliche Einbußen vo-ll einzusetzen. Bei einer starren Kupplung wäre es unmöglich, eine zulässige Gaserzeugerdrehzahl in engen Grenzen einzuhalten.2. By setting a high gas generator speed, it is possible to the highest possible braking effect of the gas generator in a driving speed range to be used without any significant loss of quality. With a rigid coupling it would be impossible to keep a permissible gas generator speed within narrow limits.

Die Bremsleistung würde ferner in einem Fahrgeschwindigkeitsbereich eines Ganges mit abnehmender Drehzahl stark abfallen.The braking power would also be in a vehicle speed range one Ganges drop sharply with decreasing speed.

- Vorteilhafterweise ist der Drehmomentwandler zur Entnahme der Bremsleistung auf der Abtriebsseite mit einer Einrichtung zur Umkehr des Kraftflusses ausgestattet.- The torque converter is advantageously used to draw the braking power Equipped on the output side with a device for reversing the power flow.

Aus den vorgenannten Aufgabenstellungen ergibt sich, daß eine Leistungsübertragung erstens bei Vorwärts fahrt vom Gaserzeuger an den Abtrieb besonders im Teillastbereich und zweitens beim Bremsen vom Abtrieb an den Gaserzeuger notwendig ist.From the above tasks it follows that a power transmission Firstly, when driving forward from the gas generator to the output, especially in the partial load range and secondly, when braking from the output to the gas generator is necessary.

Im erstgenannten Fall ist ein guter Wirkungsgrad notwendig, der im zweitgenannten Fall nicht verlangt wird. Es ist trotz dieser Einschränkung öfter nicht möglich, die Forderungen mit einem einzigen Drehmomentwandler zu erfüllen. Aus diesem Grund empfiehlt sich bei hohen Ansprüchen die Trennung der Funktionen. Diese erhält man durch die Verwendung von zwei Drehmomentwandlern. Der erste Drehmomentwandler wird bei Vorwärts fahrt eingeschaltet und ist für eine relativ kleine Leistungsübertragung ausgelegt, und der zweite Drehmomentwandler ist für hohe Leistungsaufnahme in der Größenordnung der Maximalleistung des Gasturbinentriebwerks dimensioniert.In the first case, a good level of efficiency is necessary, which is in the the second case is not required. It is more often despite this limitation not possible to meet the requirements with a single torque converter. For this reason, it is advisable to separate the functions for high demands. This is obtained by using two torque converters. The first torque converter is switched on when driving forward and is for a relatively small power transfer designed, and the second torque converter is for high power consumption in the Dimension of the maximum power of the gas turbine engine.

In der Zcichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 die Gasturbinenanlage mit elektrischer Energieübertragung vom Gaserzeuger auf die Abtriebsseite, Fig. 2 die Gasturbinenanlage mit hydrodynamischem Drehmomentwandler, Fig. 3 eine kombinierte Energieübertragungseinrichtung aus einem hydrodynamischen Drehmomentwandler und einer mechanischen Kupplung, Fig. 4 eine Energieübertragungseinrichtung in Form eines leitschaufelverstellbaren, hydrodynamischen Drehmomentwandlers, Fig. 5 die Gasturbinenanlage mit elektrischer Energieübertragung und mechanischer Kupplung, Fig. 6a und 6b eine Gegenüberstellung von Leistungsabläufen und Beschleunigungsabläufen und Fig. 7 eine Kombination von zwei Drehmomentwandlern, für Teillast- und Bremsbetrieb.In the drawing, embodiments of the invention are shown, namely shows 1 shows the gas turbine system with electrical energy transmission from the gas generator to the output side, FIG. 2 shows the gas turbine system with hydrodynamic Torque converter, Fig. 3 a combined energy transmission device from one hydrodynamic torque converter and a mechanical clutch, Fig. 4 a Energy transfer device in the form of a guide vane-adjustable, hydrodynamic Torque converter, Fig. 5 the gas turbine system with electrical energy transmission and mechanical clutch, FIGS. 6a and 6b a comparison of performance processes and acceleration sequences and FIG. 7 a combination of two torque converters, for partial load and braking operation.

In Fig. 1 ist ein Gasturbinentriebwerk mit einem Gaserzeuger, der einen Luftverdichter 1 und eine Gasturbine 2 auf einer gemeinsamen Welle 3 aufweist, dargestellt. Die vom Luftverdichter 1 geförderte Luft wird in einem Wärmetauscher 7 aufgeheizt und in eine Brennkammer 4 geleitet, wo ein Teil dieser Luft als Verbrennungsluft zur Verbrennung des Brennstoffs dient. Das Gemisch aus den Verbrennungsgasen und der andere Teil der Luft (Kühlluft) durchströmen dann als Treibmittel die Gasturbine 2. Anschließend durchströmt dieses Treibmittel einen Turbineneintrittstleitapparat 8, der verstellbar ausgebildet sein kann, und darauf eine auf einer eigenen Welle sitzende Nutzturbine 5 des GasturbinentriebwerksJvon wo aus das Treibmittel durch eine Leitung 6 und dann ins Freie strömt.In Fig. 1 is a gas turbine engine with a gas generator, the has an air compressor 1 and a gas turbine 2 on a common shaft 3, shown. The air conveyed by the air compressor 1 is in a heat exchanger 7 heated and passed into a combustion chamber 4, where part of this air is used as combustion air serves to burn the fuel. The mixture of the combustion gases and the other part of the air (cooling air) then flows through the gas turbine as a propellant 2. This propellant then flows through a turbine inlet guide apparatus 8, which can be designed to be adjustable, and one on its own shaft Seated power turbine 5 of the gas turbine engine, from where the propellant flows through a line 6 and then flows into the open.

Von einem freien Wellenende 10 des Gaserzeugers wird ein Wechselstromgenerator 11 angetrieben, dessen Erregung und somit Leistungsabgabe steuerbar ist. Über eine Kabelverbindung 13 wird der erzeugte Strom über einen Frequenzwandler 14 einem Wechselstrommotor 12 zugeführt, der direkt über ein Getriebe 9 Leistung auf eine Abtriebswelle 15 übergibt. Beim Teillastbetrieb des Gasturbinentriebwerks kann somit durch die Fremderregung das Ausmaß der zu übertragenden Leistung beispielsweise in Abhängigkeit von der Gaserzeugerdrehzahl gesteuert werden, wobei sich die Drehzahl der Abtriebswelle 15 in einem größeren Ausmaß ändern kann. Umgekehrt kann beim Bremsen des Kraftfahrzeugs der Motor 12 als Generator arbeiten und Leistung an den Generator 11 übertragen.An alternating current generator is connected to a free shaft end 10 of the gas generator 11 driven, the excitation and thus power output is controllable. Over a Cable connection 13 is the generated electricity via a frequency converter 14 to an AC motor 12 is supplied, which transmits power to an output shaft 15 directly via a gear 9 hands over. During partial load operation of the gas turbine engine, the external excitation the extent of the power to be transmitted, for example, depending on the Gas generator speed can be controlled, whereby the speed of the output shaft 15 can change to a greater extent. Conversely, when braking the motor vehicle the Motor 12 work as a generator and power to the generator 11 transferred.

Eine im Wesen ähnliche Energieübertragung zeigt Fig. 2. Diese Übertragung erfolgt mit Hilfe eines hydrodynamischen Drehmomentwandlers 29. Der Gaserzeuger treibt über eine Welle 20 ein Zahnradpaar 21 an. Über eine Hohlwelle 16 wird andererseits von der'Nutzturbine 5 ein weiteres Zahnradpaar 17/18 angetrieben, das mit dem Turbinenrad 23 dieses Drehmomentwandlers 29 verbunden ist. Der Gaserzeuger treibt über das Zahnradpaar 21 den Pumpenteil 22 des Drehmomentwandlers 29 an; das Restdrehmoment wird über die feststehende Leitbeschaufelung 25 übertragen. Durch Veränderung der Füllung des Drehmomentwandlers 29 kann die zu übertragende Leistung eingestellt werden, die dann über die Turbinenseite des Drehmomentwandlers und eine Welle 27 dem Antrieb zugeführt wird. Der vor dem Turbinenrad liegende Leitschaufelkranz 28 soll mit drehbaren Leitschaufeln ausgestattet sein.An essentially similar energy transfer is shown in FIG. 2. This transfer takes place with the aid of a hydrodynamic torque converter 29. The gas generator drives a pair of gears 21 via a shaft 20. On the other hand, via a hollow shaft 16 von der'Nutzurbine 5 another pair of gears 17/18 driven, which with the turbine wheel 23 of this torque converter 29 is connected. The gas generator drives via the gear pair 21 the pump part 22 of the torque converter 29; the residual torque is over the fixed guide vanes 25 transferred. By changing the filling of the torque converter 29, the power to be transmitted can be set, which then via the turbine side of the torque converter and a shaft 27 to the drive is fed. The guide vane ring 28 located in front of the turbine wheel is intended to be rotatable Be equipped with guide vanes.

Eine ähnliche Ausführung des Drehmomentwandlers zeigt Fig. 3.A similar embodiment of the torque converter is shown in FIG. 3.

Hier könnten durch eine zusätzliche mechanische Kupplung 30 die Pumpe 31 und die Turbine 32 miteinander gekuppelt werden.With an additional mechanical coupling 30, the pump could be used here 31 and the turbine 32 are coupled to one another.

Diese Einrichtung ist vor allem für einen Bremsbetrieb bestimmt.This device is primarily intended for braking operation.

Der hydrodynamische Drehmomentwandler gemäß Fig. 4 weist verstellbare Leitschaufeln 33/34 auf, die es ermöglichen, die Beaufschlagung der Turbinenseite 35a, b des Drehmomentwandlers1 zu beeinflussen. Das zugehörige Pumpenrad 36 wird vom Gaserzeuger her über die Gaserzeugerwelle 37 angetrieben, während die Nutzturbine über eine Welle 38 zusätzlich die von der Turbinenbeschaufelung übertragene Leistung mit aufnimmt und an eine Abtriebswelle 39 führt. Mit dieser Leitschaufelregelung ist es möglich, ohne Änderung der Füllung die vom Gaserzeuger an den Abtrieb übertragene Leistung im gewünschten Ausmaß einzustellen.The hydrodynamic torque converter according to FIG. 4 has adjustable Guide vanes 33/34, which make it possible to act on the turbine side 35a, b of the torque converter 1 to influence. The associated pump wheel 36 is driven by the gas generator via the gas generator shaft 37, while the power turbine In addition, the power transmitted by the turbine blades via a shaft 38 takes up with and leads to an output shaft 39. With this guide vane control it is possible without changing the filling that transferred from the gas generator to the output Adjust performance to the desired extent.

Im Sinn der zuerst genannten Aufgabenstellung muß bei sinkender Gaserzeugerdrehzahl ein größerer Anteil der Leistung übertragen werden, tas durch ein entsprechendes Steuergerät in Abhängigkeit von der Gaserzeugerdrehzahl gesteuert werden kann. Beim Bremsen muß andererseits durch eine Regeleinrichtung dafür gesorgt werden, daß ebenfalls durch Leitschaufelverstellung im gewünschten Maß die Bremswirkung verstärkt wird und andererseits eine maximale Drehzahl der Gaserzeugerwelle 37 in großen Grenzen veränderlicher Drehzahl der Abtriebswelle 39 nicht überschritten wird.In the sense of the first mentioned task, the gas generator speed must decrease a larger proportion of the power can be transferred, tas through a corresponding Control unit can be controlled depending on the gas generator speed. At the On the other hand, braking must also be ensured by a control device the braking effect is increased to the desired extent by adjusting the guide vanes and on the other hand a maximum speed of the gas generator shaft 37 within large limits variable speed of the output shaft 39 is not exceeded.

Eine ähnliche Wirkung wie mit dem zuerst beschriebenen hydrodynamischen Drehmomentwandler kann man mit dem elektrischen nrehmomentwandler gemäß Fig. 5 erzielen. Vom Gaserzeuger wird über die Welle 20 auch hier ein Zahnradpaar 21 angetrieben.A similar effect as with the first described hydrodynamic Torque converters can be achieved with the electric torque converter shown in FIG. 5. From the gas generator Here, too, a gear pair via the shaft 20 21 driven.

Auf die mit dem Zahnradpaar 21 verbundene Abtriebswelle 40 ist ein Anker 41 eines Wechselstromgenerators aufgesetzt, der in einem Stator 42 Wechselstrom erzeugt. Dieser Wechselstrom wird in einem Frequenzumformer 43 umgeformt und einem Stator 44 zugeführt, der einen Anker 45 antreibt, der seinerseits auf der Abtriebswelle 19 der Nutzturbine 5 befestigt ist. Mit Hilfe einer Fremderregung der Generatorseite wird die Leistungsaufnahme verändert. Durch eine mechanische Kupplung können auch hier die Antriebsseite und die Abtriebsseite miteinander direkt verbunden werden.On the output shaft 40 connected to the gear pair 21 is a Armature 41 of an alternating current generator placed in a stator 42 alternating current generated. This alternating current is converted in a frequency converter 43 and a Stator 44 supplied, which drives an armature 45, which in turn is on the output shaft 19 of the power turbine 5 is attached. With the help of an external excitation on the generator side the power consumption is changed. With a mechanical coupling you can also here the drive side and the output side are directly connected to one another.

In Fig. 6a ist die Beschleunigungsleistung Nb des Gaserzeugers über der Zeit t für zwei Fälle dargestellt: a) Zum Beschleunigen steht nur die überschußleistung des Gaserzeugers zur Verfügung. Diese steigt mit zunehmender Drehzahl stark an (linear), ist aber bei Leerlaufdrehzahl (siehe Fig. 6b mit korrespondierendem Drehzahlverlauf) noch sehr gering. Daher ist die Beschleunigung zuerst ebenfalls ungenügend.In Fig. 6a the accelerating power Nb of the gas generator is over of the time t for two cases: a) Only the excess power is available for acceleration of the gas generator available. This increases sharply with increasing speed (linear), but is at idle speed (see Fig. 6b with the corresponding speed curve) still very low. Therefore, the acceleration is also insufficient at first.

b) Aus einem Energiespeicher, z. B. aus der Bewegungsenergie des Fahrzeuges, einer Batterie oder ähnlichen Einrichtungen, wird eine kurzzeitige Leistungserhöhung bewirkt - siehe Linie b in Fig. 6a - wodurch kurzzeitig die Energie zur Beschleunigung des Rotors über den Drehmomentwandler zugeführt wird. Damit verkürzt sich die Zeit bis zur vollen Leistungsabgabe der Gas turbine. Entsprechend ist der Drehzahlanstieg - Linie b in Fig. 6b - steiler.b) From an energy storage device, e.g. B. from the kinetic energy of the vehicle, a battery or similar device, is a short-term increase in performance causes - see line b in Fig. 6a - whereby briefly the energy to accelerate the rotor is supplied via the torque converter. So shortened the time until the gas turbine delivers full power. The is accordingly Speed increase - line b in Fig. 6b - steeper.

In Fig. 7 sind zwei Drehmomentwandler 53 und 62 dargestellt, die wechselweise eingeschaltet werden. Der Antrieb erfolgt vom Gaserzeuger über ein Zahnrad 50 auf eine Hohlwelle 51, die in Fig. 7 auf der linken Seite ein Pumpenrad 52 des Drehmomentwandlers 53 trägt. Das zugehörige Turbinenrad 54 ist auf eine Welle 55 aufgesetzt, die mit dem Abtrieb über eine Kupplung 56 verbunden ist. Der Drehmomentwandler 53 enthält in einem Gehäuse 57 eine Leitbeschaufelung 58 und zwei Lager. Das eine Lager 59 stützt die Welle 55 und das andere Lager 60 die Hohlwelle 51. Für den Teillastbetrieb ist der Drehmomentwandler 53 durch entsprechendes Füllen durch eine Bohrung 61 in der Welle 55 eingeschaltet. Der Drehmomentwandler 53 ist nur für die Übertragung eines Leistungsanteils des Gasturbinentriebwerks ausgelegt, die genügt, um das Teillastverhalten zu verbessern.In Fig. 7, two torque converters 53 and 62 are shown, which alternate be switched on. The gas generator is driven by a gear 50 a hollow shaft 51, which in FIG. 7 on the left-hand side is an impeller 52 of the torque converter 53 carries. The associated turbine wheel 54 is placed on a shaft 55, which with is connected to the output via a clutch 56. The torque converter 53 includes in a housing 57 a guide vanes 58 and two bearings. One camp 59 supports the shaft 55 and the other bearing 60 supports the hollow shaft 51. For partial load operation is the torque converter 53 by appropriately filling through a bore 61 in of the shaft 55 switched on. The torque converter 53 is for transmission only designed a power share of the gas turbine engine, which is sufficient to the part-load behavior to improve.

Der Drehmomentwandler 62 dient zur übertragung der Bremsleistung von der Abtriebsseite auf den Gaserzeuger. Über die Kupplung 56 wird die Welle 55 angetrieben, auf der das Pumpenrad 63 befestigt ist. Das zugehörige Turbinenrad 64 sitzt auf der Hohlwelle 51. Im,Wandlergehäuse 65, das feststeht, sind Leitbeschaufelungen 66 und 67 eingesetzt, die teilweise oder voll verstellbar sein können, z. B. durch Verstellteile 68. Es ist damit möglich, eine Anpassung an das sich ändernde Drehzahlverhältnis zwischen der Abtriebswelle 55 und der Antriebswelle 51 vorzunehmen. Im Wandlergehäuse 65 sind Lager 69, 70 angeordnet, die gemeinsam mit den Lagern 59, 60 am Ausgleichswandler 53 die Wellen 51 und 55 je zweifach lagern. Der Drehmomentwandler 62 wird für die Bremsleistung ausgelegt, die größer als die Ausgleichsleistung ist. Daher ist der Bremswandler 62 auch größer als der Ausgleichswandler 53.The torque converter 62 is used to transmit the braking power from the output side to the gas generator. The shaft 55 is driven via the coupling 56, on which the pump wheel 63 is attached is. The associated turbine wheel 64 sits on the hollow shaft 51. In the converter housing 65, which is fixed, there are guide blades 66 and 67 used, which can be partially or fully adjustable, e.g. B. by Adjusting parts 68. It is thus possible to adapt to the changing speed ratio between the output shaft 55 and the drive shaft 51. In the converter housing 65 bearings 69, 70 are arranged, which together with the bearings 59, 60 on the compensation converter 53 each of the shafts 51 and 55 has two bearings. The torque converter 62 is used for the Braking power designed that is greater than the compensation power. Hence the Brake converter 62 also larger than balance converter 53.

Claims

Patent claims 1. Gas turbine plant, in particular gas turbine engine for a motor vehicle, with a gas generator and a power turbine, marked by connecting the power turbine (5) and the gas generator output via a Torque converter, the torque recording of which is adjustable.

2. Gas turbine plant according to claim 1, characterized in that the torque converter a converter based on an electric generator-motor (11, 12) is.

3. Gas turbine system according to claim 1, characterized in that the torque converter is a hydrodynamic converter (29) with a device for Change in torque transmission is.

4. Gas turbine plant according to claim 1, 2 or 3, characterized in that that the torque converter does not exceed about 40% of the useful power of the gas turbine system transmits.

5. Gas turbine plant according to claim 1, 2, 3 or o, characterized through a connection between the power turbine (c) and the gas generator output the torque converter and a mechanical clutch.

6. Gas turbine plant according to claim 1, 2, 3, 4 or 5-, characterized in that that the torque converter with a differential gear for power split is combined.

7. Gas turbine plant according to claim 1, 2, 3, 4, 5 or 6, characterized in that that the torque converter can be switched to accelerate the load pick-up, that the power is transferred from the output side to the gas generator (1 to 4) will.

8. Gas turbine plant according to one of claims 1 to 7, characterized in that that the torque converter to take the braking power on the output side with a device for reversing the power flow is equipped.

9. gas turbine system according to one of claims 1 to 8, characterized in that that two torque converters (53, 62) are provided, one of which (see the claims, 1 to 7t to improve the partial load is operable during the other (62) can be switched on for braking operation.