DE3143389A1

DE3143389A1 - Kombinationstriebwerk fuer schwere landfahrzeuge

Info

Publication number: DE3143389A1
Application number: DE19813143389
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. 8106 Oberau Frey
Original assignee: Roland Fahrzeugplanung Und Vertrieb GmbH
Current assignee: Roland Fahrzeugplanung Und Vertrieb GmbH
Priority date: 1981-11-02
Filing date: 1981-11-02
Publication date: 1983-08-25

Description

KOMBINATIONSTRIEBWERK
für schwere Landfahrzeuqe In schweren Landfahrzeugen, insbesondere in gepanzerten Kampffahrzeugen werden neuerdings an Stelle eines Dieselmotors Gasturbinen als Hauptantriebsaggregate eingebaut. Ein Beispiel hierfür ist der neue US-Kampfpanzer M 1. Darüber hinaus sind auch Versuche mit schweren Lastzügen im zivilen Transport bekannt geworden.
Die Gasturbinen werden meist als Zweiwellen-Turbinen gebaut, bei denen die mit den aus der Brennkammer kommenden Abgasen beaufschlagte Frischgasturbine den mit ihr auf einer Welle sitzenden Kompressor antreibt. Die aus der Frischgasturbine austretenden Abgase haben noch einen ausreichenden Druck, um die, auf einer getrennten Welle sitzende Arbeitsturbine anzutreiben. Nur diese liefert die Antriebsleistung für das Fahrzeug.
Die wichtigsten Vorteile der Gasturbine gegenüber dem Dieselmotor sind: - Hohes Anfahrdrehmoment (Abb. 1) - Günstiger Drehmomentenverlauf in Abhängigkeit von der Drehzahl (Abb. 1) - Kaltstartfähigkeit ohne Zusatzeinrichtungen bis zu allen praktisch vorkommenden Außentemperaturen - Problemloser Betrieb auch bei extremen Schräglagen aufgrund der Kreiselwirkung der rotierenden Massen - Geringe Alterung des Schmieröls und daher geringer Ölverbrauch, da das Schmieröl nicht mit den Verbrennungsgasen in Verbindung kommt - Geringere Ansprüche an die Materialerhaltung, da weniger Verschleißteile, als beim Kolbenmotor.
Der Hauptnachteil der Gasturbine gegenüber dem herkömmlichen Dieselmotor ist ihr relativ hoher spezifischer Kraftstoffverbrauch im Teillastbereich. Wie aus einer typischen Verbrauchskurve (Abb. 2) hervorgeht, ist der spezifische Kraftstoffverbrauch der Gasturbine erst ab etwa 60 % der Nenndrehzahl und 50 % der Nennleistung gleich oder kleiner als der eines gleichstarken Dieselmotors.
Da Landfahrzeuge aber nur zu einem sehr geringen Teil mit hoher Leistung fahren, ist dieser Umstand bisher das größte Hindernis bei der Einführung der Gasturbine als Antrieb für Landfahrzeuge. Eine Verbesserung bringt die Kombination eines Dieselmotors mit einer Gasturbine, wobei der Dieselmotor die Grundlast, die Gasturbine die Leistungsspitzen übernimmt. Ein Beispiel hierfür ist der schwedische Kampfpanzer STRV 103.
Der Nachteil dieses Kombinationstriebwerks ist, daß zwei in ihrer Leistungs- und Drehmomentcharakteristik völlig verschiedene Motoren auf einen gemeinsamen Antrieb arbeiten müssen und daß für beide Aggregate eigene Kraftstoff- und Verbrennungsluft-Versorgungsanlagen sowie eigene Kühlsysteme vorhanden sein müssen.
Trotz des geringen Bauraumanspruchs der Turbine sind deshalb der Platzbedarf und das Gewicht des Kombinationstriebwerks größer als z.B. die eines Dieselmotors gleicher Gesamtleistung.
Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, mehrere, vorzugsweise zwei, Gasturbinen unterschiedlicher Leistungen zu einem Kombinationstriebwerk zusammenzubauen, dessen Gesamtleistung gleich der verlangten Höchstleistung des Fahrzeugantriebs ist.
Die Wirkungsweise soll an einem Beispiel mit 2 Gasturbinen erläutert werden, bei dem die Turbine 1 (GT 1) ein Drittel (P1 = 31 PN), die Turbine 2 (GT 2) zwei Drittel (P2 = 3 PN) der geforderten Gesamtleistung PN aufbringen.
3 Die Turbinen arbeiten über je eine, lastfrei schaltbare Kupplung und das Zwischengetriebe GT auf das Schalt- und ggf. Lenkgetriebe GSL des Fahrzeugs (Abb. 3).
Das Zwischengetriebe bietet, zusammen mit den beiden Kupplungen, die Möglichkeit, jede der beiden Turbinen mit einer Übersetzung ins Langsame oder mit direktem Durchtrieb auf das Schaltgetriebe GSL arbeiten zu lassen. Beim Betrieb beider Turbinen können diese mit unterschiedlichen oder mit gleichen Drehzahlen laufen. Diese und die zugehörigen Drehmomente werden im Zwischengetriebe summiert und ebenfalls an das Schaltgetriebe weitergeleitet.
Auf diese Weise ist es möglich, daß durch wahlweisen Betrieb mit der schwächeren, der stärkeren oder beiden Turbinen in einem Leistungsbereich von etwa 1 bis 1 der Gesamt-Nennleistung mit optimalem Kraftstoffverbrauch gefahren wenden ann.
Dieser Bereich deckt erfahrungsgemäa einen hohen Prozentsatz der vorkommenden Fahrleistungen ab.
Ein wesentlicher Vorteil der neuen Antriebsart gegenüber bisher bekannten, z.B.
aus Dieselmotor und Gasturbine bestehenden Triebwerken sind außerdem gemeinsame Kraftstoffversorgungs- und Luftversorgungsanlagen für die Teiltriebwerke sowie hohe Redundanz, da bei Ausfall einer Turbine die andere praktisch verzögerungsfrei den Betrieb mit Teillast und mit analogen Betriebscharakteristiken aufrechterhalten kann. Die Leistungsregelung der Turbinen in Abhängigkeit von den Fahrwiderständen und dem gewünschten Fahrverhalten erfolgt zweckmäßig über eine Programmsteuerung mit der vor allem der Kraftstoffverbrauch über dem gesamten Leistungsspektrum optimiert werden kann.
Die Kraftübertragung von den Turbinen zu den Vorgelegen bzw. Achsantrieben kann wesentlich einfacher gestaltet werden, als bei Antrieb mit einem Dieselmotor oder mit einem aus Dieselmotor und Gasturbine bestehenden Triebwerk.
Das hohe Drehmoment der Turbinen im unteren Drehzahlbereich macht einen Drehmomentenwandler für Anfahren und Schalten entbehrlich. Das durch die 3 Kombinationsmöglichkeiten - nur Turbine 1 - nur Turbine 2 - Turbine 1 und 2 gegebene unterschiedliche Angebot an Drehzahlen und Drehmomenten ersetzt mindestens zwei Schaltstufen im Getriebe.
Auf das Wendegetriebe für Rückwärtsfahrt kann verzichtet werden, da die Turbinen durch die, zur Leistungsregelung ohnehin notwendige, Schaufelverstellung stufenlos von Vorwärts- auf Rückwärtslauf umgesteuert werden können.
Eine konstruktive Vereinfachung des Kombinationstriebwerks kann erreicht werden wenn die beiden Arbeitsturbinen einen gemeinsamen, aus Kompressor, Brennkammer, Frischgasturbine und Wärmetauscher bestehenden Gaserzeugerteil haben (Abb. 4). Die Beaufschlagung einer der beiden oder beider Arbeitsturbinen mit den aus der Frischgasturbine austretenden Abgasen erfolgt dann über ein Dreiwegeventil, z.B. in der in Abb. 4 dargestellten Art. Die Leistungsübertragung von den beiden Arbeitsturbinen zum Schaltgetriebe erfolgt ebenfalls über ein Zwischengetriebe, wie in Abb. 3 dargestellt.
Die Kraftübertragung zu den Antriebsrädern kann außer über ein mechanisches Summierungsgetriebe mit nachgeschaltetem Schalt- und ggf. Lenkgetriebe auch über hydrostatisch- hydrodynamische Elemente oder über eine aus Generatoren und Fahrmotoren bestehende elektrische Welle erfolgen.
LEGENDE zu Abb. 4 1 Lufteintritt 2 Kraftstoffzufuhr 3 Abgasaustritt 4 Wärmetauscher 5 Brennkammer 6 Abgas-Sammelleitung 7 Dreiwege-Abgasventil 8 Arbeitsturbine T 1 9 Arbeitsturbine T 2 10 Frischgasturbine 11 Kompressor STELLUNGEN VON TEIL 7 A : Abgas zu Arbeitsturbine 1 B : Abgas zu Arbeitsturbine 2 C : Abgas zu beiden Arbeitsturbinen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE Kombinationstriebwerk für schwere Landfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß das Triebwerk aus mehreren Gasturbinen unterschiedlicher Leistungen besteht, die einzeln oder gemeinsam auf die Kraftübertragung des Fahrzeugs wirken und deren Nennleistungen zusammen die geforderte Nennleistung des Fahrzeugs ergeben.
2. Kombinationstriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Triebwerk aus zwei Turbinen unterschiedlicher Leistungen besteht.
3. Kombinationstriebwerk für schwere Landfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Arbeitsturbinen von einem gemeinsamen Gaserzeugerteil beaufschlagt werden.
4. Kombinationstriebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Triebwerk zwei ArbeiEsturbinen unterschiedlicher Leistungen enthält.
5. Kombinationstriebwerk nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffverbrauch des Triebwerks mit einer programmierbaren Regelschaltung über den gesamten Arbeitsbereich optimiert wird.
6. Kombinationstriebwerk nach Anspruch 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinen über eine gemeinsame Kraftstoffanlage versorgt werden, in der die Dosierung der Kraftstoffmengen für die einzelnen Turbinen erst kurz vor dem Eintritt in die Brennkammer erfolgt.
7. Kombinationstriebwerk nach Anspruch 1, 2, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinen an eine gemeinsame Luftversorgungsanlage angeschlossen sind, deren Filter für den Luftdurchsatz bei Vollast aller Turbinen bemessen sind.
8. Kombinationstriebwerk nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es auf ein mechanisches Summierungsgetriebe arbeitet.
9. Kombinationstriebwerk nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es auf ein hydrostatisches oder hydrodynamisches Kraftübertragungssystem arbeitet.
10. Kombinationstriebwerk nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es einen oder mehrere elektrische Generatoren antreibt, die ihrerseits den Strom für elektrische Fahrmotoren liefern.