DE3135362A1

DE3135362A1 - Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE3135362A1
Application number: DE19813135362
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: 1981-09-07
Publication date: 1982-08-19
Also published as: SE423741B; SE8006803L; JPS5788222A; FR2491137A1

Description

PATENTANWÄLTE Dr. rer. hat. DIETER LOUIS DIpl.-Phys. CLAUS POHLAU DIpl.-Ing. FRANZ LOHRENTZ Dlpl.-Phys.WOLFGANG SEGETH

KESSLERPLATZ 1 8500 NÜRNBERG

Sven Olof Kronogard 21 296/7

Karstorpsvägen 5I

23 400 Lomma/Schweden

Gasturbinentriebwerk

BosclireibuiiK

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinentriebwerk mit drei auf eigenen Wellen arbeitenden Turbinenlaufrädern, insbesondere zum Antrieb von Kraftfahrzeugen.

Es wurden zahlreiche Gasturbinentriebwerke zum Antrieb von Fahrzeugen vorgeschlagen, wobei drei Rotoren auf eigenen Wellen arbeiten. Ein Rotor oder Laufrad ist gewöhnlich auf derselben Welle wie der Verdichter befestigt, ein Laufrad ist der Hauptlieferant für die Ausgangsleistung (Nutzleistungsturbine) und das dritte Laufrad ist in das übertragungssystem so eingegliedert, daß es entweder den Antrieb der Verdichter- oder der Antriebsturbine unterstützen kann, was von der jeweils gerade vorhandenen Belastung abhängt.

Die Erfindung befaßt sich mit bevorzugten Lösungen in bezug auf Kanal-, Wellen-, Stator- und Rotorsysteme sowie deren relative Lageanordnung zueinander, um die Konstruktionslänge sowie das Volumen und damit auch das Gewicht auf einen Minimalwert zu bringen, und sie befaßt sich mit Wellen- sowie Getriebeanordnungen., die so einfach wie möglich ausgestaltet sind. Es wird ein Minimum an Verlusten der Gasströmung bei Beschleunigung sowie Verzögerung in Verbindung mit einer Leistungsausbeute vom Gas und ein Verbessern bzw. Gewinnen von Strömungs- und Strahlungsverlusten wie auch der Abgaswärme angestrebt. Im Zusammenhang damit ist die Bauweise und konstruktive Auslegung der Bauteile im Hinblick auf Festigkeit sowie Herstellungstechnik in Betracht zu ziehen, insbesondere soweit keramische Werkstoffe für kleine Turbinenbauteile betroffen sind.

Ein Gasturbinentriebwerk gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Turbinenlaufräder für eine allgemein radiale Gasdurchströmung und für einen Gasübergang zum nächstfolgenden Laufrad mit optimaler Nutzung der Restenergie im ausströmenden Gas eingerichtet ist.

Das zweite und dritte Turbinenlaufrad können von radialer Bauart und in der gleichen Ebene angeordnet sein, wobei das zweite Laufrad eine auswärts gerichtete Strömung, das dritte Laufrad eine einwärts gerichtete Strömung mit einem axialen Austritt aufweisen. Das erste Laufrad kann für eine axiale Durchströmung mit Überführung der Gase durch eine innere Leitschaufelvorrichtung zum zweiten Laufrad, das einen größeren Durchmesser als das erste hat, eingerichtet sein.

Alternativ kann das Gas von dem ersten Turbinenlaufrad unmittelbar in das zweite Laufrad eingeleitet werden, welches einen im wesentlichen zum ersten Laufrad gleichen Durchmesser

aufweist und für eine kombinierte Radial/Axial-Durchströmung angeordnet ist. Das erste Turbinenlaufrad kann jedoch auch für eine radial einwärts gerichtete Gasströmung eingerichtet sein, wobei ein übergang von Gas direkt zum zweit ei Laufrad von im wesentlichen gleichem Durchmesser erhalten wird. Das zweite Turbinenlaufrad kann dann für eine kombinierte Radial/ Axial-Strömung eingerichtet sein, wobei das drifte Laufrad in der gleichen Ebene wie das zweite angeordnet ist.

Das dritte Turbinenlaufrad kann für eine radiale Strömung ausgelegt sein und das zweite Laufrad rings umschließen, wobei es eine radial gerichtete Gasströmung vom zweiten Laufrad empfängt.

Wenn das zweite Laufrad für eine axiale Durchströmung eingerichtet ist, dann erfolgt der Gasübergang zum dritten Laufrad mit Hilfe einer Doppelschnccko, deren Kammern im allgemeinen in gleicher Ebene angeordnet sind. Wenigstens eine der Übergangswände ist hierbei vorzugsweise als eine verschwenkbare lippenförmige Klappe ausgebildet.

Das zweite und dritte Laufrad können im wesentlichen den gleichen Durchmesser aufweisen und für eine Radialströmung ausgelegt sein, wobei das erste, ebenfalls für eine radiale Gasströmung vorgesehene Laufrad eine Welle hat, die rechtwinklig zur Welle des zweiten und dritten Laufrades verläuft.

Der Erfindungsgegenstand wird anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Gasturbinentriebwerks

gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine Doppel-Übergangsschnecke zwischen dem zweiten und dritten Laufrad;

tt · « ft β * B - »

«α d a β ο« ο» * · »

Fig. 3 und 4 Abwandlungen des in Fig. 1 dargestellten

Triebwerks;
Fig. 5 ein Triebwerk mit einer "Rücken-an-Rücken"-Anorrinung

des ersten Laufrades in bezug zum Verdichter; Fig. 6 eine Doppel-Übergangsschnecke zwischen dem zweiten und

dritten Laufrad bei der Ausführungsform nach Fig. 5; Fig. 7 in größerem Maßstab den in Fig. 6 eingekreisten Teil des Übergangs zwischen den beiden Kammern der

Doppelschnecke;
Fig. 8 ein Triebwerk mit koaxial angeordnetem zweiten und

dritten Laufrad;
Fig. 9 in größerem Maßstab die Anordnung der Schaufeln bei

dem zweiten und dritten Laufrad von Fig. 8; Fig. 10 eine abgewandelte Ausführungsform des Triebwerks von Fig. 5 j wobei jedoch das zweite und auch das

dritte Laufrad von axialer Bauart sind; Fig. 11 ein Triebwerk, bei dem das erste Turbinenlaufrad und der Verdichter rechtwinklig zur Welle der beiden anderen Laufräder angeordnet sind.

Das in Fig. 1 gezeigte Gasturbinentriebwerk enthält einen von einem ersten Gasturbinenrotor (Gasturbinenlaufrad) 11 angetriebenen Verdichter 10, eine Brennkammer 12 und einen schematisch mit gestrichelten Linien angedeuteten Wärmetauscher 13, der Restwärme von den Abgasen auf die dem Verdichter zuströmende Luft überträgt. Zwei weitere Turbinenlaufräder Ik bzw. 15 sind untereinander über ein Planetenradgetriebe l6 verbunden. Die Welle 17 des Verdihters 10 und des ersten Turbinenlaufrades 11 ist ebenfalls mit dem Getriebe l6 in Verbindung. Der V_erdichter 10 wie auch die Turbinenlaufräder l4,15 sind mit einstellbaren Einlaßleitschaufeln versehen.

Das zweite Turbinenlaufrad 14, das die eigentliche Nutzleistungsturbine bildet, ist von einer reinen Radialbauart und

U Γ υ':;; Ό I S135-382

-B-

hat einen radialen Einlaß sowie einen radialen Auslaß. Für die eigentliche Turbine sind zweidiinerislönale Schaufelprofile vorgesehen wie auch für den zugehörigen und innen angeordneten Statorring, der mit einstellbaren Schaufeln versehen ist,

Die Turbinenstufe 15 (Hilfsturbine) ist stromabwärts von der Nutzleistungsturbine in der gleichen Ebene mit dieser in der Weise angeordnet, daß die Rotation der Gase nach der Antriebsturbine, die besonders bei Stillstand und langsam umlaufender Turbine besonders groß ist, in optimaler Weise wiedergewonnen wird durch eine Doppelschnecke 19 (Fig. 2), die eine Überführung des hinter der Antriebsturbine erzeugten Auslaßwirbels mit einem Minimum an Strömungsverlusten (Diffusion, Richtungsänderung, Beschleunigung/Verzögerung) in einen neuen Wirbel ermöglicht, der eine in die Hilfsturbine 15 gerichtete Rotationsströmung hat.

Das dritte Turbinenlaufrad 15 ist als Radialturbine mit radialer Eintrittsöffnung und vom Übertragungs-system axial vorwärts zum Wärmetauscher 13 hin gerichteter Austrittsströmung ausgebildet. Auf diese Weise werden der Verdichterauslaß wie auch der Brennlcammereinlaß und der Auslaß der Abtriebsstufe gegen einen kleinen Flächeilbereich hin gerichtet und konzentriert, wo dor Wärmetauscher plaziert ist. Das ergibt sehr kurze Strömungswege, ein Minimum an Umlenkungen, gute Möglichkeiten für eine wirksame Auslaßdiffusion des Verdichters vor dem Wärmetauscher sowie der Brennkammer und einen langen sowie geraden Auslaßdiffusor von der Abtriebsstufe zum Wärmetauscher und zu dessen Auslaßkanal. Alle Heißgasteile sind auf einem innenliegenden Zentrum konzentriert, was ein Minium an Wärmeverlusten zum Ergebnis hat, und das ist wiederum für einen hohen Wirkungsgrad sowie für einen verminderten Bedarf an Isolierung verantwortlich.

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Ferner führt diese Konstruktion dazu, daß Wellen-, Lagür- und Getriebesysteme weitgehend vom Heißgasteil entfernt angeordnet werden können.

Auf Grund der Tatsache, daß die Verdichterturbine von axialer Bauart ist und kleine Abmessungen hat, wird eine niedrige Trägheit erhalten, während die Antriebsturbine, die mit dem Fahrzeug verbunden wird, so\ ausgelegt wird, daß sie einen größeren Radius und größere Austrittsströmung hat, was ein maximales Drehmoment, insbesondere bei Start und niedrigen Fahrzeuggeschwindiglceiten ohne jedwede Notwendigkeit zur Erhöhung der Austrittsgeschwindigkeit und der Verluste an der Antriebsturbine und am Übergang, ergibt.

Die vorliegende Anordnung bietet große Vorteile in Verbindung mit Kraftfahrzeugturbinen, wobei es wichtig ist, ein hohes Startdrehmoment, eine schnelle Beschleunigung, eine geringe Trägheit des Gaserzeugers und eine kompakte Bauart zu haben.

Ferner können die Heißgasbauteile wie auch die Verdichterturbine aus Keramikwerkstoffen gefertigt werden. Die Doppelschnecke und die anderen ortsfesten Teile werden aus Gründen der Kosten und des Gewichts vorzugsweise ebenfalls aus Keramikwerkstoffen hergestellt.

Die flache Ausgestaltung der Doppelschnecke mit parallelen Wänden am Auslaß der Antriebsturbine wie auch am Einlaß der Hilfsturbine läßt die Verwendung von einstellbaren Schaufeln einer einfachen und wirksamen zweidimensionalen, kostensparenden Ausbildung zu, und eine solche wirksame Ausbildung ist im Hinblick auf die Drehmomentübertragung im Antriebs/ Hilfsturbinensystem von Bedeutung.

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Auf Grund dor Tatsache, daß die Stützringe der einstellbaren Schaufeln an der Antriebs- und Hilfsturbine in der gleichen Ebene angeordnet und sozusagen Tangenten zueinander sind, können die Einstellmechanismen direkt miteinander oder über ein eigenes Getriebesystem verbunden sein. In gewissen Anwendungsfällen besteht dann die Möglichkeit, mit einem gemeinsamen Betätigungselement für beide Leitschaufelmechanismen zu arbeiten.

Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, die noch kompakter als die in den Fig. 1 und 2 gezeigte baut. Im Gegensatz zur vorherigen Ausführungsform ist hier der Wärmetauscher 13a als Drehregenerator ausgebildet und besteht vorzugsweise aus Keramikwerkstoffen. Um eine geringe Bauhöhe zu ermöglichen, ist die Brennkammer 12 horizontal angeordnet, jedoch kann sie auch stehend oder geneigt angeordnet sein, was etwas geringere Strömungsverluste, jedoch eine etwas höhere Bauart zum Ergebnis hat. Wie im vorherigen Fall ist die Verdichterturbine 11 von axialer Bauart, und sie hat einen sehr kleinen Durchmesser. Die Nutzleistungsturbine ika ist noch von der Bauart mit radialer Auslaßströmung, sie hat in diesem Fall jedoch eine sog. "Mischstrom¹·-Ausbildung, d.h. , sie ist eine Kreuzung zwischen der Bauart mit radialer und der mit axialer Strömung. Die Doppelschnecke ist von der gleichen Art, wie die in Fig. 2 gezeigte, sie wurde jedoch in ihrer Größe vermindert, indem der Einlaßstator axial angeordnet und die Nutzleistungsturbine l'ia näher herangelegt wurde sowie diese für eine Mischströmung mit radial auswärts gerichtetem Fluß ausgebildet wurde. Die Nutzleistungsturbine und deren Gehäuse wurden kompakter gestaltet, was die Strömungslänge und -Verluste sowie zugleich auch die Herstellungskosten, das Gewicht und das Volumen vermindert. Alle Rotoren, mit Ausnahme des für die Verdichterturbine 11, sind nun von der radialen Bauart mit Mischströmurig. Bei sehr kleinen Einheiten

wird die Verdichterturbine vorzugsweise einstückig mit der Welle ausgebildet. Wenn Keramikwerkstoffe zur Anwendung kommen, wird der Verdichter auf seine keramische Welle aufgeschrumpft oder -gepreßt.

Alle Turbinen, ausgenommen die Nutzleistungsturbine lAa, sind im vorliegenden Fall mit Naben ohne Bohrungen ausgestaltet. Es ist äußerst wichtig, daß die heiße Verdichterturbine eine Ausbildung ohne jegliche festigkeitsvermindernde Löcher oder Bohrungen aufweist. Durch Anwendung einer äußeren Rückkopplungswelle mit einem Getriebe an der Frontseite des Verdichters können alle drei Turbinenräder eine Nabenausbildung ohne Bohrungen erhalten.

Die Fig. 4 zeigt eine weitere, abgewandelte Ausführungsform, wobei die Verdichterturbine 11a eine radiale Bauart hat.

Die Verbindung zwischen dem Getriebe oder Getriebekasten und der Verdichterwelle 17a wird in diesem Fall durch eine äußere Rückkopplungswelle l8 erhalten, die es erlaubt, jedes Laufrad mit der ihm zugeordneten Welle einstückig auszugestalten.

Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform ist die Nutzleistungsturbine l4b als Axialstufe ausgebildet, während die Verdichterturbine lib und die Hilfsturbine 15 als Radialturbinen ausgestaltet sind. Es ist hierdurch möglich, die Abmessungen der Konstruktion weiter herabzusetzen, u.a. unter Anwendung der gleichen Technik wie im Fall der Fig.3, und die Brennkammer 12 horizontal sowie näher zum Zentrum anzuordnen, was auf die geringen Abmessungen der innerhalb von diesem angeordneten Turbine zurückzuführen ist. Diese Anordnung bietet Möglichkeiten, die Abmessungen der Brennkammer weiter zu vergrößern, was für niedrige Emissions-

kemiwerte, zur Verdampfung von Schwerölen oder zur Verbrennung von Staub oder Staubemulsionen von Vorteil ist. Für die Brennkammer ist ein Kompromiß zwischen Kompaktheit, niedrigen Emissions- und spezifischen Brennstoffkennwerten zu finden, was durch diese Anordnung ermöglicht wird. Die Ausbildung nach Fig. 5 erfordert jedoch ein höheres Druckverhältnis, was eine größere Verdichterturbine zwingend erfordert. Um die träge Masse des Gaserzeugers zu vermindern, sind der V_erdichter wie auch die Verdichterturbine als einstückige Einheit aus Keramikwerkstoffen in einer "Rücken-an-Rücken"-Anordnung mit einem frontseitigen Lager 20 von der "Überhang"-Bauart, jedoch mit relativ kleinen Massen auf Grund eines völlig zusammenhängenden Rotors ausgebildet worden. Der Rotor kann mit herkömmlichen Lagern der Öldämpferbauart, die eine gute Lebensdauer und eine niedrige Arbeitstemperatur haben, versehen sein. Alternativ wird die Konstruktion mit einer äußeren Rückkopplungswelle ausgestattet, wobei die Antriebsturbine mit der Welle einstückig und ohne Bohrungen ausgestaltet werden kann, was vorzuziehen ist, weil sie auf Grund des geringen Durchmessers in diesem Fall für eine hohe Geschwindigkeit auszulegen ist. Das bringt eine hohe Auslaßgeschwindigkeit beim Start und bei niedrigen Geschwindigkeiten an der Nutzleistungsturbine mit sich, was bedeutet, daß der Übergang in der Doppelschnecke 19a besonders kritisch sein wird. Aus diesem Grund können eine oder beide der Wände am Übergang zwischen den beiden Kammern 21 und 22 der Schnecke mit einer Lippe oder Klappe 23 von variabler geometrischer Gestalt versehen sein. Diese Lippen oder Klappen können von den vorhandenen Betätigungselementen für die Leitschaufeln der Nutzleistungs- oder Hilfsturbine gesteuert werden. Bei der gezeigten und in Fig. 7 in größerem Maßstab dargestellten Ausführungsforiii sind zwei Klappen 23 vorhanden» Durch diese Ausbildung kann in bestimmten Fällen die einstellbare Leitschaufel der Hilfsturbine ersetzt werden, wenn eine geringere Anforderung an Flexibilität und Übertragung während des Star-

• β ♦

Λ * μ- · . Il ft «ι

- 13 tens gegeben ist.

Die Fig. 8 und 9 zeigen eine Ausführungsforni mit einer rein radialen Antriebsturbine lA gemäß Fig. 1, jedoch ist in diesem Fall eine äußere, konzentrische Hilfsturbine 15a vorgesehen. Diese Anordnung ergibt ein Maximum an Wirkungsgrad und die am meisten kompakten Konstruktionen.

Der Kanal zwischen der Antriebs- und der Hilfsturbine bzw. der Doppelschnecke ist hier vollständig weggelassen worden, wobei man gleichzeitig eine natürliche Diffusorwirkung mit einer sehr niedrigen radialen Austrittsgeschwindigkeit von der Hilfsturbine und mit damit verbundenen niedrigen Auslaßverlusten erhält. Die Anzahl der Krümmungen und die Kanallänge wurden auf ein absolutes Minimum herabgesetzt, und das gesamte Nutzleistungs- und Hilfsturbinensystem setzt sich aus einfachen und wirksamen zweidimensionalen Schaufeln zusammen, die eine im wesentlichen ideale zwei-dimonsionale Strömung liefern. Das System führt auch zu einem maximalen Startdrehmoment von etwa 8 : 1 und mehr sowie zu einem guten Wirkungsgrad im gesamten Betriebsberoich.

Ein wesentliches Problem liegt darin, eine Nutzleistungsturbine zu konstruieren, die Temperaturspannungen, Temperaturschocks sowie Zentrifugalbeanspruchungen widersteht und zwischen den Turbinenringen ein ausreichendes Abdichtlabyrinth hat. Ein weiterer natürlicher Vorteil des Systems liegt darin, daß die Hilfsturbine, die mit der niedrigsten Temperatur arbeitet, aus einem Metall-Verbundwerkstoff gefertigt werden kann, undzwar wenigstens soweit das eigentliche Turbinenscheibenrad betroffen ist. Auf Grund seines relativ großen Scheibendurchmessers kann es als ein natürliches, umlaufendes Trägheitsbauteil für eine momentane und gleichzeitige Beschleunigung oder Verzögerung des Gasgenerators und des Fahrzeugs durch eine veränderbare Transmissions 30, beispielsweise

von der Stahlbandbauart, verwendet werden. Das Gaserzeugersystein kann alternativ mit einem überhängenden "Rücken-an-Rücken"-Systom gemäß Pig. 5, das die vorher erwähnten Vorteile hat, vorgesehen werden. Hierbei wird die Rückkopplungstransmission des Gaserzeugers an eine Stelle vor dem Verdichter verlegt, wobei der Verdichter und die Turbine zusammengebracht werden, wodurch wiederum ein Maximum an Kompaktheit und ein Minimum an Trägheit (integrierte Keramikwerkstoff-Rotor-, Verdichter- und Turbinenwelle), ein Minimum an Rotorüberhang sowie ein Minimum an überhängendem Rotorgewicht erhalten werden. Zusammen mit ölgedämpften, nachgiebigen Gleitlagern führt das zu oinom Maximum .an Betriebszuvorlässigkeit und Lebensdauer für den Gaserzeugerrotor, der sozusagen das Herz des Systems ist.

Was das für ein Kraftfahrzeug-Turbinensystem so wichtige Nutzleüungsturbinensystem betrifft, so sind die stationären Teile des Gehäuses 31 (siehe Fig. 9) alle mit einstellbaren Schaufeln 32, 33 ausgestattet, die in ihrem umlaufenden Mechanismus dicht beieinander befestigt sind. Sie sind im gleichen Teil gelagert, so daß die beiden Rotoren mit den Lagern und den Trägern für die Lager direkt im Übertragungsteil angeordnet werden können. Das führt zu einer sehr großen Vereinfachung in der Montage, Inspektion sowie Wartung und bietet eine hohe Betriebszuverlässigkeit.

Gemäß Fig. 9 ist die Antriebsturbine in zwei Teilen, mit einer dazwischenliegenden dünnen Plattenspannvorrichtung 3^ (Klemmring) , aus einem wärmebeständigen Material (aber mit einem niedrigen Materialvolumen) gefertigt. Der Laufschaufelkranz

35 besteht hier aus einem keramischen Verbundwerkstoff mit längsliegenden (möglicherweise gebündelten) Fasern für eine maximale Zugfestigkeit bei hohen Temperaturen und für Korrosionsbeständigkeit. Die die Schaufeln tragenden Seitenringe

36 sind thermisch und mechanisch entlastet, um gleichartige

Bewegungen zu beiden Seiten des Rotors zu erhalten, und zwar sowohl in bezug auf Temperaturänderungen wie auch auf Geschwindigkeit swechsel (Zentrifugalspannungen). In bezug auf das Scheibenrad wird eine gute Flexibilität auf Grund des dünnen elastischen Kleinmrings 3^ erhalten, der, falls eine noch gesteigerte Elastizität zu erhalten notwendig ist, in geeigneter Weise geschlitzt werden kann.

Ein Sperren gegen eine Relativdrehung zwischen dem Laufschaufelkranz und dem Scheibenrad wird durch vom Klemmring ausgestanzte Lappen erreicht, die man in entsprechende Ausnehmungen im Scheibenrad bzw. Laufschaufelkranz eingreifen läßt, wobei die Ausnehmungen unmittelbar bei der Herstellung (durch Spritzgießen oder durch Bearbeiten eines roh gestalteten Laufschaufelkranzes und Scheibenrades vor deren Sintern) gefertigt werden. Vorzugsweise wird der Laufschaufelkxanz in zwei Teilen im Spritzgießverfahren hergestellt, und zwar als ein Ring mit Schaufeln mit einem minimalen Zwischenraum sowie als ein getrennter Ring, der beispielsweise in einem IIIP~Verf nhi-en unmittelbar an das mit Ring und Scha ufein versehene Teil gesintert wird.

Was die Hilfsturbine 15 a angeht, so wird diese entweder in der gleichen Weise wie die Nutzleistungsturbine oder in einem sog. "Gatorizing"~Verfahren gefertigt; das letztere Verfahren ist eine leistungsfähige Methode für das Sintern von metallischen Turbinenrädern aus einem hochfesten Material, wobei ein elastischer, faltenbalgartiger Federring 57 am äußeren Teil des Scheibenrades gebildet wird,um den beiden Bund- oder Stirnringen 38, 39 des Schaufelkranzes bzw. des Scheibenrades eine entlastete, gleichförmige, individuelle Dohninüglichkeit zu geben. Auf Grund des sehr dünnen elastischen Teils, das in Fig. 9 unverhältnismäßig dick dargestellt ist, wird eine Wärmeleitung zum Scheibenrad verhindert. Die Abdichtung zwischen dem Schaufel- und Statorbauteil wird durch eine

übliche Labyrinthdichtung erhalten, wobei aber jedes der beiden Teile, vorzugsweise der Stator, mit keramischem Abschleifmaterial versehen ist, das auf das Teil im Flammenspritzverfahren aufgebracht worden ist.

Die Fig. 10 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform von Fig. 5, wobei die Hilfsturbine 15b als Axialstufe ausgebildet worden ist. Die Rotoren l4b und 15b sind in der axialen Richtung etwas zueinander versetzt, und die beiden Kammern der Doppcl-Übergangsschnecke 19b werden in der gleichen Ebene angeordnet.

Die Fig. 11 zeigt eine Turbinenanordnung gemäß der Erfindung mit einer minimalen Baulänge. Die Welle für die Rückkopplung und Verstärkung der Verdichterturbine enthält in diesem Fall ein Horizntalgetriebe, um eine Anordnung von Gaserzeuger und Antriebseinheit unter 90 zueinander zu ermöglichen.

Der Gaserzeugerrotor 10, lib hat eine vollkommen radiale Bauart mit "Rücken-an-Rücken"-Anordnung und ist gänzlich aus Keramikmaterial gefertigt. Die Welle der Verdichterturbine ist, wie vorher beschrieben wurde, mit einem Lager ^5an der kalten Seite versehen.Die Nutzleistungsturbine l4d und die Hilf sturbine 15d sind, identisch zu Fig. k, von radialer Bauart. Die Antriebsturbine weist eine einwärts gerichtete Strömung auf, die die Anwendung von einstellbaren Leitschaufeln kl zwischen ebenen, parallelen Wänden ermöglicht·,, -was eine vereinfachte Konstruktion ergibt.

Die Verbindung zwischen dem Gaserzeuger und der Antriebsturbine wird durch eine Schnecke 4b2 hergestellt, die eine geringe aerodynamische Belastung an den Leitschaufeln 43 der Antriebsturbine ergibt, welche für eine niedrige Schaufelanzahl ausgelegt werden kann und demzufolge geringe, aus der Strömung herrührende Strömungs- wie auch mechanische Verluste hat.

Die Hilfsturbine 15d ist für eine radial auswärts gerichtete Strömung angeordnet, was zu einem Minimum an Kanal- und Umlenkungsverlusten führt, da die Umlenkung im Rad erfolgt, das für geringe Auslaßverluste ausgelegt werden kann. Die die niedrigste Temperatur aufweisende Hilfsturbine ist mit einem zentralen Durchlaß versehen; wenn es gewünscht wird, so kann dieser Durchlaß durch eine äußere Wolle, wie vorher beschrieben wurde, in Fortfall kommen. Dasselbe ist für das Rückkopplungsgetriebe des Gaserzeugers zutreffend, das oben auf der Frontseite des Gaserzeugers, der eine vertikale Lage hat, angeordnet werden kann. Hilfsaggregate können nach Wunsch an der Oberseite oder an der Seite des Rotors für ein Maximum an Zugänglichkeit bei diesem Rückkopplungssystem angebracht werden.

Alle Rotorbauteile wurden, was die Konstruktion und Wellenanordnung sowie die Kanal- und Statorteile, einschließlich der Schnecken betrifft, für Keramikwerkstoffe konzipiert.

Die beschriebenen und in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen sind als Beispiele anzusehen und die einen Teil dieser bildenden Bauteile können im Rahmen der Patentansprüche in verschiedenartiger Weise abgeändert werden, so daß es mit Rücksicht auf ganz spezielle Einbau- und Anlagencrfordcrnisse ermöglicht wird, den zur Verfugung stehenden Raum so auszunutzen, daß eine gute Brennstoffausnutzung, niedrige Emissionswerte und/oder ein niedriges Gewicht erhalten werden können.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1.) Gasturbinentriebwerk mit drei auf eigenen Wellen arbeitenden Turbinenlaufrädern, insbesondere zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Turbinenlaufräder (11,171,15) für eine allgemein radiale Gasdurchströmung und -überführung zum nächstfolgenden Laufrad mit optimaler Ausnutzung der im ausströmenden Gas enthaltenen Restenergie angeordnet ist.

2. Triebwerk nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite und dritte Laufrad (1^,15) von radialer Bauart und in der gleichen Ebene angeordnet sind, wobei das zweite Turbinenlaufrad (lA) eine auswärts gerichtete Strömung und das dritte Laufrad eine einwärts gerichtete Strömung mit einem oxialon Auslaß aufweisen.

3. Triebwerk nach Anspruch. 2, dadurch gekennzeichnet , daß das erste Turbinenlaufrad (11) für eine axiale Durchströmung mit Überführung der Gase über eine innere Leiteinrichtung zum zweiten Laufrad (l4r), das einen größeren Durchmesser als das erste Laufrad hat, angeordnet ist.

4. Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das erste Laufrad (ll) für eine axiale Durchströmung mit Überführung der Gase unmittelbar in ein zweites, im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie das erste Laufrad aufweisendes sowie für eine zusammengesetzte radiale/axiale Durchströmung vorgesehenes Laufrad (l4a) angeordnet ist.

5. Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das erste Laufrad (lla) für eine radiale, einwärts gerichtete Gasströmung mit unmittelbarer Überführung der Gase zu einem zweiten Laufrad (l^a) von im wesentlichen gleichem Durchmesser eingerichtet ist.

6. Triebwerk nach Anspruch 5» dadurch g e k e η η - zeichnet, daß das zweite Turbinenlaufrad (l4a) für eine zusammengesetzte radiale/axiale Strömung eingerichtet ist und daß das dritte Laufrad (15) in der gleichen Ebene wie das zweite Laufrad angeordnet ist.

7· Triebwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet ,daß das dritte Laufrad (15a) das zweite Laufrad in radialer Richtung umschließt und die radial gerichtete Gasströmung von diesem zweiten Laufrad aufnimmt.

8. Triebwerk nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß das zweite Laufrad (l4b) für eine axiale Gas durchs tr ömung mit Gasüb erfuhr ung zum dritten

β «ι«

a. 3 —

Laufrad über eine Doppelschnecke (19a), deren Kammern (21,22) im wesentlichen in der gleichen Ebene angeordnet sind, eingerichtet ist.

9· Triebwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens eine der Wände zwischen den Kammern (21,22) der Doppelschnecke durch eine einstellbare lippenförmige Klappe (23) gebildet ist.

10. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das zweite und dritte Laufrad (l4d, 15d) im wesentlichen den gleichen Durchmesser aufweisen und beide für eine radiale Strömung eingerichtet sind, wobei das erste, ebenfalls für eine radiale Strömung eingerichtete Laufrad eine rechtwinklig zur Welle des zweiten sowie dritten Laufrades angeordnete Welle hat.