DE3134024A1

DE3134024A1 - Gasturbinenanlage fuer kraftfahrzeugbetrieb

Info

Publication number: DE3134024A1
Application number: DE19813134024
Authority: DE
Inventors: Clas-Olof 44006 Grabo Kronogard; Hakan 22242 Lund Kronogard; Sven-Olof 23400 Lomma Kronogard
Original assignee: KRONOGAARD SVEN OLOF PROF
Current assignee: KRONOGAARD SVEN OLOF PROF
Priority date: 1980-09-29
Filing date: 1981-08-28
Publication date: 1982-04-22
Also published as: US4470261A; JPH0333909B2; SE8006806L; US4843816A; FR2491134A1; JPS5788223A; SE423742B

Description

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PATENTANWÄLTE Dr- rer. nat. DIETER LOUIS Dipl.-Phys. CLAUS PDHLAU Dipl.-Ing. FRANZ LOHRENTZ DIpl.-Phys.WOLFGANG SEGETH

KESSLERPLATZ 1 8500 NÜRNBERG 20

Sven Olof Kronogaard 20 308/9

Karstorpsvägen 31

23 400 Lotnma/Schweden

Gasturbinenanlage für Kraftfahrzeugbetrieb

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage für Kraftfahrzeugbetrieb.

Bei niedriger Teillast und bei Leerlauf ist es schwierig, eine gute Brennstoffausnutzung und annehmbare Emissionswerte bei einem Kraftfahrzeugtriebwerk zu erreichen. Wenn dieses Triebwerk eine Gasturbine enthält, so ist der arbeitsseitige Aufwand zum Antrieb des Verdichters und der Hilfsaggregate während dieser Betriebszustände sehr groß.

Für den normalen Antrieb sollte eine gewisse Leistung verfügbar sein, und um den oben erwähnten Nachteilen bei Teillast und Leerlauf entgegenzuwirken, wird gemäß der Erfin-

dung vorgeschlagen, daß die Turbine einschließlich ihrer Brennkammer derart ausgebildet ist, daß sie bei niedriger Umdrehungszahl pro Minute nicht allein in der Lage ist, den Hauptrotor, d.h. den den Verdichter umfassenden Rotor, wie auch die Hilfsaggregate anzutreiben. Ein zusätzlicher Motor, der von verschiedenartiger Bauart sein kann, wird deshalb dazu angeordnet, die notwendige zusätzliche Leistung zu liefern, die mit zufriedenstellender Brennstoffausnutzung und zufriedenstellenden Abgasemissionswerten erbracht werden kann.

Eine Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ihre Brennkammer mit zwei Brennern ausgestattet ist, von denen der eine für eine nur einem Betrieb bei Sparflamme entsprechende Brennstoffmenge ausgelegt ist, wobei ein Hilfsmotor vorhanden ist, der dazu dient, den Hauptrotor der Gasturbine während eines solchen Betriebszustands am Laufen zu halten. Der Hilfsmotor hat eine niedrige Leistung und beansprucht wenig Raum, er ist jedoch so ausgelegt, daß er beim Start und bei Beschleunigung eine hohe, kurzzeitige Leistungsabgabe erbringen kann.

Der Hilfsmotor kann ein von einem Akkumulator gespeister Elektromotor sein, und der Akkumulator ist ein solcher, der während Normalbetrieb aufladbar ist. Der Generator und der Akkumulator sind im Vergleich zu dem, was bei einer herkömmlichen Anlage notwendig ist, größer bemessen.

Der Hilfsmotor kann ein Druckfluidmotor sein, der auch als Pumpe arbeitet und mit einem Druckfluidspeicher verbunden ist. Eine Hydraulikflüssigkeit kann angewendet werden, jedoch ist es auch möglich, eine bestimmte Menge von Druckluft in einem Behälter zu speichern und diese Menge bei Leerlauf bzw. Beschleunigung zu verwenden.

Als Hilfsmotor kann auch eine Brennkraftmaschine zum Einsatz kommen, deren Abgasleitung mit der Brennkammer der Gasturbine zu verbinden ist. Der Hilfsmotor kann bevorzugterweise so angeordnet werden, daß er mit Luft gespeist wird, die von der Verdichterseite der Gasturbine abgezogen wird. Die Leitungen zum Abzug der Luft können dann stromab vom Verdichter wie auch wenigstens an einer Stelle innerhalb dessen Gehäuses angeschlossen sein.

Der Erfindungsgegenstand wird anhand der Zeichnungen, in denen vier Ausführungsbeispiele für Gasturbinenanlagen gemäß der Erfindung schematisch dargestellt sind, erläutert. Bei diesen Beispielen ist in

Fig. 1 der Hilfsmotor ein Elektromotor; Fig. 2 der Hilfsmotor ein Druckfluidmotor; Fig. 3 und 4 der Hilfsmotor eine Brennkraftmaschine.

Die Gasturbine der Anlage kann irgendeine Gasturbine bekannter Bauart sein, die einen Rotor oder deren mehrere aufweist. Die Gasturbine ist in allen Figuren mit 10 bezeichnet, und in herkömmlicher Weise enthält die Anlage einen Verdichter 11 sowie eine Brennkammer 12. Obwohl es nicht unbedingt notwendig ist, so ist es im Hinblick auf die Brennstoffausnützung jedoch ratsam, einen Wärmetauscher 13 vorzusehen. Die Leistung wird über ein Getriebe l4 gewonnen, das von irgendeiner Bauart sein kann, vorzugsweise jedoch ein Planetengetriebe ist.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel hat die Turbine zwei Rotoren 15 und 16, die beide mit dem Getriebe Ik verbunden sind, von dem der Verdichter 11 mit Hilfe einer Riemenübertragung 17 angetrieben wird. Die Hilfsaggregate, zu denen u.a. der Generator 18 und der Startmotor 19 gehören, sind mit der Riemenübertragung 17 verbunden.

Der Startmotor 19, der eine größere Leistung hat als in einem normalen Triebwerk, ist über eine Transmission 20, der Generator l8 über einen Freilauf 21 einbezogen. Eine Batterie 22 (Akkumulator) hat ebenfalls eine gegenüber einem normalen Fahrzeugtriebwerk größere Leistung.

Der Generator 18 kann über einen Freilauf, über deren mehrere oder beispielsweise auch über die Abtriebswelle des Turbinen/Transmissions-Systems nach dem Prinzip, daß "die höchste Geschwindigkeit gewinnt", angetrieben werden. Beim Fahren mit Freilauf, d.h., wenn das Gaspedal freigegeben ist und das Fahrzeug das Triebwerk treibt, kann über den Generator.Bremsenergie im Akkumulator gespeichert werden. Es ist möglich, anstelle eines größeren zwei parallelgeschaltete Motoren vorzusehen, die abwechselnd mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen zugeschaltet werden, so daß der eine beim Starten, der andere während der Beschleunigung antreibt. Ein Vorteil einer solchen Anordnung liegt darin, daß auf diese Weise Startmotoren von Standardausführung verwendet werden können.

Die Brennkammer 12 ist mit einem auf Sparflamme zu betreibenden Brenner 23 und einem gewöhnlichen Brenner 2k (Hauptbrenner) versehen, welcher für die volle Leistung ausgelegt ist. Der Sparflammenbrenner 23 erzeugt nicht eine ausreichende Gasmenge, um den Verdichter und die notwendigen Hilf saggregate, die nicht gezeigt sind, anzutreiben. Bei Leerlauf und bei niedriger Teillast ist der Hilfsmotor 19 in Betrieb zu setzen. Der Sparflammenbrenner hält jedoch die Gasturbine auf Temperatur, so daß sie für eine schnelle Beschleunigung bereit ist.

Ein sehr schematisch dargestelltes Steuersystem enthält einen vom Gaspedal 26 des Fahrzeugs beeinflußten Widerstand 25. Innerhalb eines ersten Bereichs des Widerstands 25 wird

— ν —

die Brennst of fpumpe 27 des Sparflatnmenbrenners 23 zugeschaltet, und es wird ein Schalter 28 für den Hilfsmotor 19 geschlossen. Innerhalb eines weiteren Bereichs, und das ist der größere Bereich des Widerstands 25, wird die Brennstoffpumpe 29 des Hauptbrenners 24 eingeschaltet, so daß eine dem momentanen Bedarf entsprechende Brennstoffmenge zugeführt wird.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform sind die gleichen Grundbestandteile vorhanden wie bei der Ausführungsform von Fig. 1 und es wurden, soweit anwendbar, die gleichen Bezugszahlen benutzt· Der Generator l8, der Startmotor 19 und die Batterie 22 haben hier jedoch die übliche Größe.

Die Turbine hat einen einzigen Rotor 30, der auf der gleichen Welle wie der Verdichter 11 angebracht ist, und letzterer ist hier mit einstellbaren Einlaßleitschaufeln 31 versehen.

Der Übertragungsteil zwischen dem Getriebe lk und dem Hilfsaggregat/Verdichter-Getriebe enthält in diesem Fall eine kontinuierlich veränderbare Transmission 32 der Schwenkscheibenbauart. Eine Druckfluidmaschine 3^ steht mit der Welle 33 des Übertragungsteils über eine Freilaufkupplung 35 in Verbindung. Die Druckfluidmaschine 3^t ist von der Art, die willkürlich als eine Pumpe oder als ein Motor arbeiten kann, und sie ist mit einem Speicherbehälter 36 verbunden. Wenn in der Anlage Überschußenergie zur Verfügung steht, so arbeitet die Maschine 3^ als Pumpe und drückt ein Fluid in den Behälter 36. Wenn die Gasturbine auf Sparflaramenbetrieb gehalten ist oder solange beschleunigt wird, dann wird das Fluid vom Behälter 36 abgezogen, und die Maschine 3k arbeitet als Motor.

Im vorliegenden Fall ist das Getriebe l4 über einen Drehmomentwandler 37 der zwei durch ein Pumpenrad 40 bzw.einen Stator 4l getrennte Turbinenräder 38»39 aufweisenden Bauart eingezogen. Wenigstens eine Kupplungsscheibe 42 und der mit dieser verbundene Turbinenteil 38 sind von kräftiger, robuster Bauart und bestehen aus einem Material mit hohem spezifischen Gewicht, so daß dieser Teil, der während des Sparflammenbetriebs vom Hilfsmotor (Hydraulikmaschine) 34 getrieben wird, einen während einer folgenden Beschleunigungsperiode förderlichen Schwungradeffekt erzeugt..

Die Anlage wird durch einen Kleinrechner 43 gesteuert, der u.a. durch das Gaspedal 26 über eine elektrische Schaltung 44 betätigt wird und Steuersignale an den Sparflammenbrenner 23, den Hauptbrenner 24 und die Kupplungen 32 und 35 wie auch an das Getriebe l4 abgibt.

Bei der Ausfuhrungsform nach Fig. 3 ist der Hilfsmotor 50 eine Brennkraftmaschine der Wankel-Bauart, und die Turbine 10 hat drei Rotoren, von denen der eine Rotor 51 auf der gleichen Welle befestigt ist wie der Verdichter 11, während die beiden anderen Rotoren 52, 53 für den Antrieb des Getriebes l4 angeordnet sind. Dieses ist auf dem Umweg über ein Stufengetriebe 54 und eine Kupplung mit dem Hauptrotor 11, 51 zu verbinden. Der Hilfsmotor 50 ist an dieses Übertragungsteil über eine Kupplung 55 angeschlossen.

Der Verdichter 11 und die Brennkraftnaschine 50 saugen beide Luft durch ein Filter 56, und ein Dreiwegeventil 57 ermöglicht es, alternativ die Brennkraftmaschine mit Luft vom Verdichter 11 zu überspeisen. Für einen Sparflammenbetieb ist eine relativ kleine, einfache Brennkraftmaschine 50 ausreichend, die allgemeine Anordnung kann jedoch so vorgesehen sein, daß die Brennkraftmaschine eine zusätzliche

Leistung bei Lastspitzen abgibt oder bei Vollast einen merklichen zusätzlichen Beitrag liefert.

Überverdichtete Luft kann von der Leitung 58 zwischen dem Verdichter 11 und der Brennkammer 12 über eine Leitung 58a abgezogen werden. Bei voller Leistung kann der Luftdruck für ein überverdichten zu hoch sein, und deshalb kann Luft durch eine Leitung 59 vom Verdichtergehäuse an einer irgendwo zwischen dem Ein- und Auslaß gelegenen Stelle abgeführt werden. Zusätzlich führt das zu einer vorzüglichen Beseitigung einer Zwischengrenzschicht innerhalb des Gehäuses.

Ein geeigneter Luftdurchlaß wird durch das Ventil 60, das von einer Magnetspule 6l betätigt wird, eingestellt. Die Anlage wird von einem Kleinrechner 43 gesteuert, der in geeigneter Weise betrieben wird und Steuersignale an die Brennstoff systeme der Brenner 23 und 24, an die Kupplungen 54 und 55» an die Magnetspule 6l und an das Getriebe 14 abgibt.

In der Abgasleitung 62 der Brennkraftmaschine 50 befindet sich ein Dreiwegeventil 63· Wenn der Sparflammenbrenner 23 in Betrieb ist, werden die Abgase der Brennkraftmaschine durch die Gasturbine geführt, die eine endgültige Verbrennung von Rückstandsprodukten sicherstellt, und außerdem trägt das dazu bei, die Gasturbine auf Temperatur zu halten. Wenn der Hauptbrenner in Betrieb ist oder wenn die Gasurbine vollkommen stillgesetzt ist, dann werden die Abgase direkt in den Auslaß 64 abgeführt.

Die Ausführungsform nach Fig. 4 stimmt im wesentlichen mit der von Fig. 3 überein, jedoch ist hier der Hilfsmotor 50a eine Kolbenmaschine. Die Turbine 10 hat einen Rotor 65, der unmittelbar mit dem Verdichter 11 verbunden ist, und einen Rotor 66, der das Getriebe 14 über einen Drehmomentwandler

67 treibt, dessen Abtriebswelle mit dem Hilfsmotor 50a •bzw. mit dem Hauptrotor Ii, 65 über eine kontinuierlich veränderbare Transmission 32 verbunden ist.

Die Zufuhr von überverdichteter Luft vom Verdichter 11 zur Brennkraftmaschine 50a kann auf drei Arten geschehen. Eine Leitung 68 ist an die Luftleitung stromab, vom Verdichter anzuschließen und zwei Leitungen 69 j 70 sind mit unterschiedlichen Stellen im Verdichtergehäuse zu verbinden. Die zu verwendende Leitung wird, wie im vorhergehenden Fall, durch ein von einer Magnetspule gesteuertes Ventil 60 bestimmt.

Die notwendigen Hilfsaggregate für die in Fig. 3 und k gezeigten Anlagen sind nicht dargestellt, jedoch werden zumindest einige wichtige zusammen mit dem Hauptrotor 11, 51 bzw. 11, 65 angetrieben. Die Brennkraftmaschine 50, 50a ist· vorzugsweise mit einem Startmotor versehen und wird zuerst gestartet, worauf sie dazu dient, den Hauptrotor der Gasturbine anzuwerfen.

Die Anlage wird von einem Kleinrechner k3 gesteuert, der die notwendigen Signale zum Verbinden und Lösen der Bauteile wie auch für die Brennstoffzufuhr zu den beiden Brannnern 23, 24 der Brennkammer 12. und zur Brennkraftmaschine 50,5Oa ausgibt.

Die hier beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsforraen sind lediglich Beispiele, und die darin enthaltenen Bauteile können in mannigfacher Weise im Rahmen der Patentansprüche abgeändert werden. Das Kühlwasser der Brennkraftmaschine kann dazu verwendet werden, die Gasturbine währond dos Sparflnmnicmbotriobs heiß zu halten; ferner können die Brennkraftmaschine und die Gasturbine ein gemein-

sames Schmiersystem haben, das ebenfalls zur Unterstützung der Beheizung herangezogen werden kann, primär jedoch die Einrichtung vereinfacht.

Mit einer Anlage gemäß der Erfindung ist es möglich, bei Leerlauf einer Gasturbine einen Brennstoffverbrauch zu erhalten, der geringer ist als die Hälfte desjenigen eines .heutigen Diesel-Motors, und der wenigstens 30 - 50 % niedriger liegt als der Verbrauch eines Diesel-Motors während eines Betriebszyklus, der die Anforderungen hinä.chtlich Emission und Wirkungsgrad erfüllt.

Claims

PATENTANWÄLTE Dr. rer. net. DIETER LOUIS Dipl.-Phys. CLAUS PÖHLAU Dlpl.-Ing. FRANZ LOHRENTZ Dlpl.-Phy«.WOLFGANG SEGETH

KeSSLERPLATZ 1 8500 NÜRNBERG 20

Sven Olof Kronogaard 20 308/9

Karstorpsvägen 31

400 Lomma/Schweden

Gasturbinenanlage für Kraftfahrzeugbetrieb Patentansprüche

Gasturbinenanlage für Kraftfahrzeugbetrieb, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (.12) der Gasturbine (10) mit zwei Brennern (23, 24) ausgestattet ist, von denen der eine für eine lediglich einem Sparflammenbetrieb entsprechende Brennstoffmenge ausgelegt ist, und daß ein Hilfsmotor (19,34,50,5Oa) vorhanden ist, der ein Laufen des Hauptrotors (ll) der Gasturbine während des Sparflammenbetriebs aufrechterhält.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsmotor (19) ein Elektromotor ist, der Strom von einem während normaler Betriebsbedingungen aufladbaren Akkumulator (22) erhält. ■
3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei parallel arbeitende Elektromotoren und Getriebe mit unterschiedlichen Übersetzungen für wechselnde Verwendung vorgesehen sind.
k. Anlage nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsmotor (3^) eine Druckfluidmaschine ist, die auch als Pumpe zu betreiben und mit einem Druckfluid-Speicherbehälter (36) verbunden ist.
5. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeic hn"e t, daß der Hilfsmotor (50, 50a) eine Brennkraftmaschine ist, deren Abgasleitung (62) mit der Brennkammer (12) der Gasturhine verbindbar ist.
6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsmotor (50, 50a) für eine Füllung mit von der Verdichterseite der Gasturbine abgezogener Luft eingerichtet ist. .
7. Anlage nach Anspruch 6,geke nnz e i c hne t durch stromab vom Verdichter (11) wie auch von einer Stelle innerhalb seines Gehäuses abgehende Luftabfuhrleitungen (58a, 59, 68, 69, 70).