DE2742618A1

DE2742618A1 - Gasturbinenantriebsanlage

Info

Publication number: DE2742618A1
Application number: DE19772742618
Authority: DE
Inventors: Sven-Olof Prof Kronogaard
Original assignee: KRONOGAARD SVEN OLOF PROF
Current assignee: KRONOGAARD SVEN OLOF PROF
Priority date: 1976-09-24
Filing date: 1977-09-22
Publication date: 1978-03-30
Also published as: IT1089892B; FR2365731A1; JPS6135368B2; GB1538645A; US4326375A; SE7610579L; SE401711B; FR2365731B1; JPS5344710A; DE2742618C2; US4220057A

Description

Sven-Olof Kronogärd 18 014/5 60/ko

Karstorpsvagen 31 234 00 LOMMA

Gasturbinenantriebsanlage

Bekannte Antriebsturbinen insbesondere für Fahrzeuge veisen eine freie Nutzturbine als letzte Stufe auf und bieten gevisse Schwierigkeiten. Die Hilfsaggregate der Anlage verden bevorzugt vom Gaserzeuger aus angetrieben, um zu ermöglichen, daß die Nutzturbine ein volles Startdrehmoment von etva 2:1 erzeugt, und um darüberhinaus den Drehmomentwandler in einem Automatikgetriebe (in der Regel ein Drehmomentwandler und drei Vorwärts- sowie ein Rückwärtsgang bei einem üblichen Kraftfahrzeug) mit den entsprechenden Verlusten und Kosten wegfallen lassen zu können. Durch Anfügung des Hilfsantriebes an den Gaserzeuger hat dieser jedoch eine geringe Beschleunigungsleistung oder ist Übertemperatüren ausgesetzt, was zu einem erhöhten Brennstoffverbrauch und Problemen bezüglich des Schadstoffanteils insbesondere an Stickoxyden in den Abgasen und hinsichtlich der Standzeit der Bauteile, insbesondere der wärmebelasteten Bauteile, bringt. Um solche Probleme zu vermeiden, ist ein hydraulischer Drehmomentwandler wieder vorgesehen worden, der dann das volle Ausgangsdrehmoment aufnehmen muß. Auf diese Weise können die Hilfsaggregate von der Nutzturbine aus angetrieben werden, die stets dreht, wenn die Anlage in Betrieb ist, und welche die Pumpe für die hydraulischen Drehmomentwandler antreibt. Dies führt jedoch zu zusätzlichen Kosten. Um diese zu vermindern, ist eine direkte Formschlußkupplung in den hydraulischen Drehmomentwandler eingeführt worden, die bei hohen Drehzahlen den Drehmomentwandler

809813/0894

verriegelt und so SchlupfVerluste vermeidet. Der praktische Einsatz hat jedoch gezeigt, daß diese Verriegelung leicht vergessen wird und auch unter Berücksichtigung des Antriebs der Hilfsaggregate nur bei außerordentlich hohen Geschvindigkeiten verwendet wird, was bedeutet, daß der Brennstoffverbrauch bei Teillast hoch ist. Dies wird besonders bei überlastung der Anlage durch zu hohes Gegenmoment fühlbar, wenn die Drehzahl der Antriebsturbine ansteigt und das Drehmomentverhältnis von 2:1 zu etwa 1,5:1 vermindert wird, was durch den Drehmomentwandler kompensiert werden muß.

Mit der vorliegenden Erfindung sollen diese Schwierigkeiten dadurch vermieden werden, daß eine Gasturbinenantriebsanlage mit Getriebe geschaffen wird, welche es ermöglicht, daß die Abtriebswelle bis zum Stillstand abgebremst wird, ohne daß die Drehzahl der Nutzturbine auf einen Wert absinkt, der unterhalb desjenigen Wertes liegt, der für den Betrieb der Hilfsaggregate erforderlich ist. Dies wird durch ein System erzielt, velches keine hydraulischen oder sonstigen schlußfbehafteten Bauteile für das volle Drehmoment der Anlage aufweist, während gleichzeitig die gewünschte Anzahl von Übersetzungsabstufungen im Vorwärts- und Rückwärtslauf erzielbar ist.

Die Gasturbinenantriebsanlage ist darüberhinaus so ausgelegt, daß dasselbe Gehäuse mit anderen Hauptkomponenten sowohl Zweiais auch Dreiwellen-Turbinen aufnehmen kann, wobei die erste Alternative mit zwei oder drei Stufen und die zweite Alternative mit drei Stufen, die vorzugsweise gegensinnig umlaufen, ausgeführt werden kann.

Das Getriebe ist so ausgelegt, daß es ohne wesentliche Änderungen für alle vorstehend angesprochenen Systeme vervendet werden kann.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungs-

809813 /0 894

beispielen anhand der Zeichnung, insbesondere in Verbindung mit den Ansprüchen. Es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Gasturbinenantriebsanlage, bei der die Nutzturbine zweistufig ausgebildet ist,

Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungsform mit zwei getrennten

Ausgangsstufen, wobei die Turbine grundsätzlich so ausgelegt ist, daß eine der Stufen weggelassen werden kann,

Fig. 3 eine weiter abgewandelte Ausführungsform mit zwei Ausgangsstufen,

Fig. 4 eine Ausführungsform mit nur einer Ausgangsstufe,

Fig. 5 eine wiederum anders abgewandelte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage,

Fig. 5A eine Abwandlung einer Einzelheit der Ausführungsform gemäß Fig. 5 und

Fig. 6 eine noch weiter abgewandelte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage, wobei im Falle der Ausführungsformen gemäß Fig. 5 und 6 die Lamellenkupplungen der vorherigen Ausführungsformen durch variable Übersetzungen ersetzt sind.

Die in Fig. 1 veranschaulichte Gasturbinenantriebsanlage weist einen Verdichter 10 und einen Turbinenläufer 11 auf, der auf der gleichen Welle 12 wie der Verdichter 10 gelagert ist und diesen antreibt. Der Verdichter führt verdichtete Luft einer Brennkammer 13 zu. Das dort erzeugte Gas durchsetzt zunächst die Verdicht er turbine 11 und anschließend zwei weitere Läufer 15 und 16 einer Nutzturbine, die auf einer gemeinsamen Welle 14 laufen. Leitschaufeln 17 mit variabler Geometrie sind zwischen die Läufer 11 und 15 eingesetzt, während feste Leitschaufeln 18 zwischen die Läufer 15 und 16 eingesetzt sind.

Das Drehmoment wird über ein insgesamt mit 19 bezeichnetes

809813/0 894

Planetengetriebe auf die Abtriebswelle 38 übertragen. Die Wellen 11 und 14 drehen gegensinnig, und ein Ritzel 20 auf der Welle 14 kämmt mit einem Ritzel 22 auf der Eingangswel-Ie 23 des Planetengetriebes 19 über ein Zwischenrad 21. Die Eingangswelle 23 ist an den Planetenradträger 24 des Planetengetriebes 19 angeschlossen. Diese Welle treibt darüberhinaus die Hilfsaggregate der Anlage wie die Brennstoffpumpe, den Elektrogenerator usw., die insgesamt bei 25 schematisch veranschaulicht sind. Wenn die Läufer 11 und 14 gleichsinnig umlaufen, so kann das Zwischenrad 21 weggelassen werden.

Die Planetenräder 26 sind abgestuft ausgebildet, weisen also einstückige Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern auf. Die Abschnitte mit den größeren Durchmessern, die mit Index a bezeichnet sind, dienen zum Abtrieb, während die Abschnitte mit dem kleineren Durchmesser, die mit dem Index b bezeichnet sind, mit den verschiedenen Bauteilen zur Erzielung unterschiedlicher Untersetzungsverhältnisse zusammenarbeiten.

Das mit den Planetenradabschnitten 26a zusammenarbeitende Sonnenrad 27 ist an ein stufenlos änderbares Übersetzungsgetriebe 28 angeschlossen, von dem über ein Getriebe 29 zusätzliche Antriebsleistung auf die Welle 12 der Verdichterturbine gegeben werden kann. Ein Freilauf 30 oder eine Kupplung ist zwischen das Getriebe 29 und die Welle 12 eingesetzt. Mit Rücksicht auf die grundsätzliche Zweckmäßigkeit, Spannungen zu vermindern und ein geringes Trägheitsmoment zu erzielen, ist die Verdichterturbine 11 bezüglich des Leistungsbedarfes für den Antrieb des Verdichters 10 unterdimensioniert. Die erforderliche zusätzliche Leistung kann für alle Betriebsbedingungen über die variable übersetzung der Verdichterturbine 11 zugeführt werden. Die höhere Trägheitsmasse der Nutzturbine, die aus zwei Läufern besteht, kann zur Beschleunigung des Verdichters herangezogen werden.

809813/0894

Ein Teil des Gehäuses des Planetengetriebes ist bei 31 veranschaulicht und umgibt eine Lamellenkupplung, welche zur Verriegelung der einzelnen Komponenten des Getriebes dient, wodurch unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse des Getriebes ebenso wie eine Richtungsumsteuerung erzielbar sind. Die Kupplung weist ein drehbares Gehäuse 32 auf, welches am Sonnenrad 33 gelagert ist und mit den kleineren Enden der Planetenräder zusammenarbeitet. Ein erstes Ringrad 34 arbeitet ebenfalls mit den kleineren Abschnitten 26b der Planetenräder zusammen. Zwischenräder 33 sind zwischen den kleineren Abschnitten 26b und dem Ringrad 34 vorgesehen. Eine erste Kupplungslamelle 35 dient zur Verriegelung der Planetenräder 26 gegenüber dem drehbaren Gehäuse 32, während eine zweite Lamelle 36 dazu dient, das drehbare Gehäuse 32 gegenüber dem stationären Getriebegehäuse 31 festzulegen. Ein dritte Lamelle 37 dient zur Verriegelung des Ringrades 34 gegenüber dem stationären Gehäuse.

Bei normalem Antrieb in Vorwärtsfahrt ist keine der Lamellen in Eingriff. Die Festlegung des Sonnenrades 33 gegenüber dem stationären Gehäuse 31 führt zu einem geringen Übersetzungsverhältnis, während eine Festlegung des Ringrades 34 am stationären Gehäuse 31 zu Rückwärtslauf führt. Eine Verriegelung des Planetenradträgers am Sonnenrad 33 über das drehbare Gehäuse 32 ergibt einen Direktgang.

Die Abtriebswelle 38 ist mit einem Ringrad 40 verbunden, welches mit den größeren Abschnitten 26a der Planetenräder über ein Getriebe 39 in Verbindung steht.

Hierdurch wird eine kompakte Einheit mit guten Wechsel-Übersetzungsverhältnissen ebenso wie eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Wahl der Übersetzungsverhältnisse erzielt. Da die erste Turbinenstufe 11, die den heißesten Gasen ausgesetzt ist, unterdimensioniert ist uniPvergleichsweise geringer Umfangs-

809813/0804

geschwindigkeit umläuft, kann der Gaserzeuger mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit und/oder erhöhter Maximaltemperatur T _a betrieben werden, wenn die Geschwindigkeit der Nutzturbine vermindert wird, was einen Beitrag zur Verbesserung des Wirkungsgrades und der Drehmomentübertragungen leistet.

Je nach der gewünschten Drehrichtung im Bereich der Turbinenläufer und den gewünschten Wechsel-Übersetzungsverhältnissen können Zwischenräder oder Umkehrräder an verschiedenen Stellen eingefügt werden, beispielsweise in der veranschaulichten Weise am Untersetzungsgetriebe der Nutzturbine, oder zwischen den abgestuften Planetenrädern und einigen der Sonnen- oder Ringräder, die damit bei Rückkopplung zum Gaserzeugungsbereich zusammenarbeiten, oder an der Endstufe der Abtriebswelle.

Wenn zwei Komponenten des Planetengetriebes verriegelt sind, ist auch die Abtriebswelle verriegelt, was beispielsweise als Park- oder Haltebremse und/oder zur automatischen Vermeidung eines Rollens an Gefällen während eines dortigen Halts verwendet werden kann, ohne daß die eigentlichen Radbremsen eingesetzt werden.

Die erläuterte Ausführungsform kann ebenso wie die nachfolgend erläuterten Ausführungsformen mit einem Wärmetauscher versehen werden, wo die Restwärme in den Abgasen von der Turbine zur Vorwärmung der in die Brennkammer 13 eingeführten Luft nutzbar gemacht werden kann.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist dasselbe Getriebe wie im Falle der Fig. 1 vorgesehen, ist jedoch der Turbinenbereich geringfügig abgeändert. Dieselben Bezugszeichen bezeichnen bei allen Ausführungsformen die entsprechenden Bauteile.

Anstelle von zwei untereinander verbundenen Nutzturbinenläufern und 16 sind zwei separate Turbinenläufer 13a und 16a bei der Aus-

809813/0 894

führungsform gemäß Fig. 2 vorgesehen, die jedoch im wesentlichen in demselben Gehäuse vie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 untergebracht sind. Der Läufer 16a ist auf einer Welle 14a gelagert, die ein Rad 22 und so den Planetenradträger 24 antreibt.

Der Rotor 15a ist auf einer Welle 14b gelagert und ist über ein Getriebe 45 mit dem Sonnenrad 33 verbunden. Der Turbinenläufer 15a ist ebenso wie die zugehörige Welle und das zugehörige Getriebe in Fig. 2 gestrichelt eingezeichnet. Durch nur ganz geringe Änderungen und durch Einsetzen einiger zusätzlicher Teile ist es möglich, die Turbine gemäß Fig. 2 in eine zweistufige Turbine umzuwandeln. Eine solche einfache Lösung kann für verschiedene Anwendungsfälle von Interesse sein, wobei sich eine Verminderung der Gestehungskosten dadurch ergibt, daß eine große Anzahl der Bauteile der in größerer Serie gebauten dreistufigen Turbine verwendet werden kann.

Bei einer dreistufigen Antriebsturbine für Fahrzeugantrieb wird von einer Nutzturbine der Hauptabtrieb abgenommen, wobei diese Turbine bis zum Stillstand abgebremst wird, wenn das Fahrzeug durch Bremsung zum Halten gebracht wird, während die andere Nutzturbine weiterdrehen muß, um die Hilfsaggregate mit Energie zu versorgen. Unter Aufrechterhaltung der Relativstellungen der Läufer im Gehäuse ist es möglich, zwischen diesen Betriebszuständen der beiden Läufer zu schalten, vie dies in Fig. 3 veranschaulicht ist.

Im Falle der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist der vordere Nutζturbinenlaufer 15b an den Planetenradträger 24a mittels einer Welle 14c und eines Getriebes 45a angeschlossen. Der hintere Läufer 16b ist über eine Welle 14d, ein Zwischenrad 21a und ein Getrieberad 22a an eine Welle 23a angeschlossen. Die Welle 23a ist an ein Sonnenrad 33a angeschlossen, welches mit den kleineren Abschnitten der Planetenräder 26 zusammenarbeitet. Auch bei dieser Ausführungsform kann eine große Anzahl der Bau-

809813/0894

teile im Turbinenbereich und im Getriebebereich den vorherigen Ausführungsformen entsprechen.

In Fig. 4 ist eine vereinfachte AusfUhrungsform einer zweivelligen Turbine veranschaulicht, die im wesentlichen dem Konzept gemäß Fig. 2 entspricht. Auch in diesem Falle ist die Verdichterturbine 11 unterdimensioniert, jedoch nicht in dem Maße wie bei vorhergehenden Ausführungsformen. Die meisten der Bauteile sind ebenfalls gleich. Die spezifische Leistungsund Drehmomentübertragung ist in dieser vereinfachten Version ebenfalls vermindert, und zur Kompensation hierfür ist ein Auslaßdiffusor 50 von spezieller Bauart vorgesehen. Die Eintrittsränder der Diffusorschaufeln sind bogenförmig ausgebildet und in ihrer Winkelstellung einstellbar. Der Verdichter kann darüberhinaus mit einstellbaren Diffusorschaufeln versehen sein, um seine Leistung zu erhöhen und eine höhere Flexibilität bei Teillast zu erzielen.

In Fig. 5 ist eine Abwandlung der zweiwelligen Ausführungsform gemäß Fig. 4 veranschaulicht. Dabei sind im wesentlichen dieselben Bauteile verwendet, jedoch ist ein Auslaßdiffosor 51 mit stationären Schaufeln versehen. Anstelle der Lamellenbremsen, die bei den vorherigen Ausführungsformen zum Einsatz gelangt sind, ist diese Anlage mit einem stufenlos änderbaren übersetzungsgetriebe 52 versehen, welches eine stufenlose Änderung des Übersetzungsverhältnisses sowohl im Vorwärtslauf als auch im Rückwärtslauf ermöglicht. Dies kann ohne gegenüber den Schlupfverlusten im Bereich der Nutzturbine zusätzliche Schlupfverluste geschehen, wobei die Verluste im Bereich der Nutzturbine zu einem hohen Prozentsatz von beispielsweise 90 bis 95% im Wärmetauscher wiedergewonnen werden können, der in der Zeichnung nicht näher veranschaulicht ist, jedoch zur Standardausrüstung derartiger Anlagen gehört.

809813/0894

In Fig. 5A ist eine Abwandlung einer Einzelheit der Ausführungsform gemäß Fig. 5 veranschaulicht, wobei eine zwischengeschaltete Übersetzungsstufe 52a vorgesehen ist.

Fig. 6 zeigt eine weitere Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 4, wobei der Turbinenbereich und der Bereich des Planetengetriebes im wesentlichen gleich ausgebildet sind.

Die Welle 23 der Nutzturbine 15 ist über die Welle 14 und das Getrieberad 22 an den Planetenradtrager 24 angeschlossen. Der Planetenradträger arbeitet darüberhinaus über eine stufenlos änderbare übersetzung 60, welche mit einem Ringrad 40 verbunden ist, mit den größeren Enden der Planetenräder 26 zusammen.

Die Abtriebsleistung wird vom Ringrad 34 abgenommen, welches mit den kleineren Enden der Planetenräder 26 zusammenarbeitet, wobei die so abgenommene Leistung über ein Getriebe 61 der Abtriebswelle zugeleitet wird.

Zusätzliche Antriebsleistung wird der Welle 12 der Verdichter— turbine in dieser Ausführungsform über das Sonnenrad 33 zugeführt, welches mit den kleineren Abschnitten der Planetenräder 26 zusammenarbeitet. Stufenlos änderbare Übersetzungen 28 und 60 sind vorgesehen, die im wesentlichen gleiche Form und Größe aufweisen können, jedoch hinsichtlich ihrer Einschaltung unterschiedlich sind. Diese Anordnung ermöglicht eine hohe Flexibilität und eine einfache Konzeption. In einer abgewandelten Ausführungsform kann eine besondere Übersetzungsstufe und/ oder eine Umsteuerstufe, ähnlich wie im Falle der Fig. 5A, vor dem Getriebe 60 eingesetzt werden, um den Übersetzungsbereich zu ändern.

Die abgestuften Planetenräder können auf verschiedene Weise abgewandelt werden und können beispielsweise mit zylindrischen oder konischen Zähnen versehen werden.

809813/0894

Da die Zeichnung auf die im Rahmen der Erfindung wesentlichen Einzelheiten abhebt und Nebensächlichkeiten nicht dargestellt sind, kann wegen weiterer Einzelheiten im Aufbau der einzelnen Ausführungsformen ohne Erläuterung im einzelnen auf die entsprechenden Figuren ausdrücklich Bezug genommen werden. Wie die vorstehende Beschreibung zeigt, ist die Erfindung nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt, sondern sind vielfache Abwandlungen und Abänderungen möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, wobei Bauteile wie Turbinenoder Verdichterstufen, Übersetzungsstufen, Freiläufe und Kupplungen hinzugefügt oder weggelassen werden können.

809813/0894

Claims

27A2618

Sven-Olof Kronogärd 18 014/5 60/ko

Karstorpsvägen 31
234 00 LOMMA

Patent- (Schutz)- Ansprüche

Gasturbinenantriebsanlage mit einem Verdichter, mit einer Turbine zum Antrieb des Verdichters, die bezüglich der Leistungsaufnahme des Verdichters bei normalem Betrieb unter— dimensioniert ist, und mit wenigstens einer Nutzturbine, wobei die Turbinenläufer mittels abgestufter Planetengetriebe untaeinander verbunden sind, an die sowohl die Abtriebsvelle als auch die Hilfsaggregate der Anlage angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangsdrehmoment in das Getriebe an dem Planetenradträger (24) eingeleitet und entweder auf das größere Sonnenrad (33) oder das kleinere Ringrad (34) gegeben wird, daß das Ausgangsdrehmoment für die Abtriebswelle (38) ebenso wie für einen Hilfsantrieb der Verdichterturbine (11) am Abschnitt (26a) größeren Durchmessers der abgestuften Planetenräder (26) abgenommen ist, und daß der gegenüberliegende, kleinere Abschnitt (26b) der abgestuften Planetenräder (26) mit den Bauteilen (32, 35» 36, 37; 52, 60) zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses zusammenarbeitet.
2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sonnenrad (33), welches mit den Abschnitten (26b) kleineren Durchmessers der abgestuften Planetenräder (26) kämmt, an eine Lamellenkupplung (32, 35) angeschlossen ist, mit der einerseits die abgestuften Planetenräder (26) gegenüber einem das Getriebe umgebenden Gehäuse (31) und anderer-

B09813/0894

ORIGINAL INSPECTED

27A2618

seits das Sonnenrad (33) gegenüber dem drehbaren Gehäuse (32) der Kupplung festlegbar ist.
3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein äußeres Ringrad (34) mit den Abschnitten (26b) kleineren Durchmessers der Planetenräder (26) zusammenarbeitet und gegenüber dem Gehäuse (31) des Getriebes festlegbar ist.
4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungen einzeln oder beide in Kombination durchführbar sind.
5. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse des Turbinenbereiches neben dem Verdichter und der Verdichterturbine einen oder - unter Ersatz nur veniger Bauteile - zvei Läufer (15, 16) aufveist.
6. Gasturbinenanlage nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzturbine zvei starr miteinander verbundene Läuferstufen (15, 16) aufveist.
7. Gasturbinenanlage nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzturbine zvei getrennte Läufer (I5a, 16a) aufveist, die mittels des Planetengetriebes (19) miteinander verbunden sind, vobei einer der Läufer an den Planetenradträger (24) und. der andere Läufer an das größere Sonnenrad (33) oder das kleinere Ringrad (34) angeschlossen ist.
8. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die übersetzungsänderungen im Bereich des abgestuften Planetengetriebes (19) über ein variables Getriebe (52, 60) erzielbar sind.
9. Gasturbinenanlage nach Anspruch 8 mit einer Leistungsrückführung zur Verdichterturbine über ein stufenlos änderbares Ubersetzungs-

809913/0894

getriebe, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe (60) zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses der Gesamtanlage und das Getriebe (28) zur Rückleitung von Leistung zur Verdichter— turbine (11) im wesentlichen gleich ausgebildet sind.

809813/0894