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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft eine Gasturbinenanordnung, die ein Planetenradgetriebe
mit einem festen Planetenträger
und eine Anordnung zum Antrieb einer oder mehrerer Hilfseinheiten
umfasst. Die Hauptkomponenten einer herkömmlichen Gasturbinenanordnung
sind das Gasturbinentriebwerk, das Getriebe und der Generator, wobei
das Gasturbinentriebwerk normalerweise einen Kompressor, eine Brennkammer
und eine Turbine umfasst. Einen des Getriebes bildet ein Hauptgetriebe,
das zur Verringerung der hohen Drehzahl des Gasturbinentriebwerks
auf eine geeignete Generatordrehzahl dient. Das Hauptgetriebe ist
oft ein Planetenradgetriebe mit festem Planetenträger (sogenanntes "Sterngetriebe"), das einen guten
Wirkungsgrad bietet und eine kompakte Konstruktion erlaubt. Gasturbinenanordnungen
der oben erwähnten
Art werden beispielsweise zur Erzeugung von Elektrizität in Kraftwerken
und zum Antrieb von Fahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen verwendet.
Eine Gasturbinenanordnung umfasst außerdem eine Anzahl von Hilfseinheiten,
wie z.B. eine Ölpumpe,
eine Kraftstoffpumpe, einen Anlassermotor, einen Rotationsölabscheider
und Kompressoren, die alle auf irgendeine Weise angetrieben werden
müssen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand ihrer Verwendung in einer Gasturbinenanordnung
zum Antrieb eines Generators beschrieben. Dies ist eine bevorzugte
Anwendung, beschränkt
jedoch keinesfalls die Erfindung.
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BESCHREIBUNG
DES STANDES DER TECHNIK
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Im
Falle von Einwellen-Gasturbinen werden Hilfseinheiten normalerweise
von Zahnrädern
angetrieben, die von einem Zahnrad des Hauptgetriebes angetrieben
werden. Aufgrund der großen
Drehzahldifferenzen zwischen den Zahnrädern des Hauptgetriebes und
den Drehzahlen, die für
die meisten Hilfseinheiten geeignet sind, und auch aufgrund des
begrenzten zur Verfügung
stehenden Raums, bestehen diese Hilfseinheitgetriebe normalerweise
aus einem relativ komplizierten System aus einer Vielzahl von Zahnrädern mit
zugeordneten Teilen von Lagern und Lagergehäusen. Dieses Hilfseinheitgetriebe
bildet zusammen mit Komponenten des Hauptgetriebes das gemeinsame
Getriebe. Ein auf diese Weise angeordneter Hilfseinheitantrieb macht
die Designkonstruktion des Getriebes deutlich komplexer als das Hauptgetriebe
selbst, weshalb seinerseits das Getriebe als ganzes relativ teuer
herzustellen ist.
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Gasturbinentriebwerke
mit Planetengetriebe zum Antrieb von Hilfsvorrichtungen sind aus
den zum Stand der Technik gehörenden
Dokumenten GB-A-820605 und US-A-4 640 153 bekannt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Hilfseinheitantrieb
für Gasturbinenanordnungen
zu schaffen, der eine weniger komplizierte Getriebedesignkonstruktion
ermöglicht,
als dies beim Stand der Technik der Fall ist. Dieses Ziel wird mittels einer
Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs
1 erreicht. Darauffolgende Ansprüche
beschreiben bevorzugte Entwicklungen und Varianten der Erfindung.
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Die
Erfindung besteht aus einer Gasturbinenanordnung, die ein Planetenradgetriebe
mit festem Planetenträger
und eine Anordnung zum Antrieb einer oder mehrerer Hilfseinheiten
umfasst. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine
der Hilfseinheiten wirksam mit einer Planetenradwelle verbunden
ist, die ein Teil des Getriebes bildet. Die Hilfseinheit kann deshalb
von der Planetenradwelle anstatt von dem Hilfseinheitgetriebe angetrieben
werden, weshalb es möglich
ist, die Anzahl der Zahnräder
in dem Getriebe für
den Antrieb der Hilfseinheit zu reduzieren. Da von den Planetenradwellen
mehr als eine Hilfseinheit angetrieben werden kann, ermöglicht es
die vorliegende Erfindung, das Hilfseinheitgetriebe vollständig zu
eliminieren. Das Getriebe, d.h. die Planetenradwellen, können jedoch immer
noch zum Antrieb der Hilfseinheiten verwendet werden. Dies ist ein
großer
technischer Vorteil auch wenn es beispielsweise bedeuten kann, dass ein
extra Zahnrad für
die Wirkverbindung zwischen der Hilfseinheit und der Planetenradwelle
erforderlich ist. Die Anordnung bedeutet, dass das Getriebe als ganzes
einfach und deshalb kosteneffektiver hergestellt werden kann. Geeigneterweise
wird eine Hilfseinheit mit einer Designkonstruktion verwendet, die sich
für einen
Betriebe mit einer relativ hohen Drehzahl eignet.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die mit der Planetenradwelle verbundene Hilfseinheit
direkt mit der Planetenradwelle verbunden. Die Drehkomponente der
Hilfseinheit bildet geeigneterweise eine Art Verlängerung
der Planetenradwelle. Auf diese Weise kann die Hilfseinheit direkt von
der Planetenradwelle angetrieben werden, was bedeutet, dass der
Antrieb Komponenten verwenden kann, die bereits einen Teil des Hauptgetriebes
bilden. In anderen Worten sind keine weiteren Zahnräder oder
Lager erforderlich, um die Hilfseinheit anzutreiben. Da eine Vielzahl
von Planetenradwellen zur Verfügung
steht und da eine Planetenradwelle mehr als eine Hilfseinheit antreiben
kann, können
eine Vielzahl von Hilfseinheiten angetrieben werden, ohne dass irgendwelche
zusätzlichen
Zahnräder
oder Lager erforderlich sind, als diejenigen, die bereits einen Teil
des Hauptgetriebes bilden. Diese Ausführungsform bietet einen großen Spielraum
zur Vereinfachung des Getriebes, wodurch seine Herstellung kosteneffektiver
wird.
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Die
mit der Planetenradwelle verbundene Hilfseinheit ist vorzugsweise
in das Getriebe eingebaut. Die mit der Planetenradwelle verbundene
Hilfseinheit kann außerdem
eine Ölpumpe
oder ein Rotationsölabscheider
sein. Diese Hilfseinheiten sind besonders dazu geeignet, direkt
von den Planetenradwellen des Hauptgetriebes angetrieben zu werden. Die Ölpumpe ist
normalerweise relativ klein und es kann eine Pumpenart verwendet
werden, die für
relativ hohe Drehzahlen geeignet ist, wie z.B. eine Pumpe der "Gerotor"-Art. Der Rotationsölabscheider
(falls verwendet) ist ebenfalls für die Drehzahl des Planetenrades
geeignet und kann leicht in seiner Größe modifiziert werden, um eine
wirksame Funktion zu erreichen. Der Einbau der Ölpumpe und des Rotationsölabscheiders
in das Getriebe bringt eine weitere Anzahl von Vorteilen mit sich,
wie z.B. eine geringeren Bedarf an äußeren Leitungen und ein geringeres
Leckagerisiko.
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Andere
Hilfseinheiten, die nicht von dem Getriebe angetrieben werden, werden
geeigneterweise außerhalb
des Getriebes angebracht und können beispielsweise
durch einen Elektromotor angetrieben werden. Auf diese Weise können die
Hilfseinheiten, die vorteilhafterweise von dem Getriebe angetrieben werden,
ob eingebaut oder nicht, durch Komponenten des Hauptgetriebes angetrieben
werden, wodurch der Bedarf an weiteren Zahnrädern oder Lagern als denen
des Hauptgetriebes entfällt.
Dies ermöglicht
eine vergleichsweise einfache Getriebekonstruktion, weshalb es kosteneffektiv
herzustellen ist.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird nachstehend weiter anhand der folgenden Figuren beschrieben,
in denen
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1 ein
Schema der Hauptkomponenten bei einem Beispiel einer herkömmlichen
Gasturbinenanordnung zeigt,
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2 einen
schematischen Querschnitt eines Hauptplanetenradgetriebes zeigt,
bei dem eine erste Ausführungsform
der Erfindung angewendet wird, und
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3 eine
detailliertere Ansicht der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt
ein Schema der Hauptkomponenten in einem Beispiel einer herkömmlichen
Gasturbinenanordnung. Kraftstoff und Luft werden über einen
Kompressor 31 in eine Verbrennungskammer 32 geführt, in
der eine Verbrennung stattfindet. Die Abgase werden einer Turbine 33 zugeführt, die
durch die Expansion der Abgase in Drehung versetzt wird. Die Turbine 33 treibt
eine Antriebswelle 34 an, die den Kompressor 31 antreibt
und sich weiter in ein Getriebe 1 erstreckt. Eine aus dem
Getriebe 9 kommende Welle treibt einen Generator 35 an.
Wie bereits erwähnt
wurde, umfasst das Getriebe 1 gemäß der herkömmlichen Technik ein Hauptgetriebe
und ein Hilfseinheitgetriebe.
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2 zeigt
ein vereinfachtes Schema eines Hauptgetriebes in Planetengetriebebauweise
mit einem festen Planetenträger,
in dem eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung angewendet wird. Eine Eingangswelle 2 zu
dem Getriebe 1 (d.h. die Antriebswelle 34 des
Gasturbinentriebwerks in 1) ist mittels Zahnrädern 3 mit
einem größeren Planetenrad 4 verbunden.
Ein kleineres Planetenrad 5 ist mittels Zahnrädern 6 mit
einem Innenzahnrad 7 verbunden, welches mittels Zahnrädern 8 eine
Ausgangswelle 9 des Getriebes 1 antreibt, wobei
die Ausgangswelle beispielsweise mit einem Generator (nicht gezeigt)
verbunden ist. Das größere Planetenrad 4 und
das kleine Planetenrad 5 sitzen auf ein und derselben Planetenradwelle 10,
wobei die Planetenradwelle 10 in zwei Lagern 11a, 11b aufgehängt ist. Eine
Hilfseinheit 12, wie z.B. eine Ölpumpe, ist direkt mit der
Planetenradwelle 10 mittels eines Verbindungselements 13,
beispielsweise eines Bolzens, verbunden. Ein Rotationsbauteil 14 der
Hilfseinheit 12 ist durch eine gestrichelte Linie angedeutet.
Das Rotationsbauteil 14 in der Hilfseinheit 12 bildet
deshalb eine Art Verlängerung
der Planetenradwelle 10, so dass keine zusätzlichen
Zahnräder
oder Lager erforderlich sind, um die Hilfseinheit 12 anzutreiben, außer den
Lagern 11a, 11b, die immer noch einen Teil der
Aufhängung
der Planetenradwelle 10 bilden.
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Die
Tatsache, dass die Planetenradwelle 10 mit zwei Planetenrädern 4, 5 versehen
ist, hat mit dem Übersetzungsverhältnis des
Hauptgetriebes zu tun. Die Erfindung kann natürlich auch dann angewendet
werden, wenn die Planetenradwelle 10 nur mit einem Planetenrad
versehen ist.
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2 dient
hauptsächlich
dazu, das Prinzip zu zeigen, wie die Hilfseinheit 12 der
erfindungsgemäßen Ausführungsform
direkt mit der Planetenradwelle 10 verbunden werden kann,
d.h. so, dass keine weiteren Zahnräder und Lager erforderlich
sind, als diejenigen des Hauptgetriebes. Ansonsten können die
Hilfseinheit 12 und periphere Anordnungen, wie z.B. Leitungen
und andere Verbindung auf verschiedene Art und Weise konstruiert
werden.
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Die
Hilfseinheit 12 in 2 ist in das
Getriebe 1 gebaut, d.h. die Hilfseinheit 12 ist
innerhalb des Gehäuses 15 des
Getriebes 1 angeordnet. Alternativ kann die Hilfseinheit 12 außerhalb
des Gehäuses 15 des
Getriebes 1 angeordnet werden, beispielsweise dadurch,
dass die Planetenradwelle 10, oder ihre Verlängerung
durch eine Öffnung
in dem Gehäuse 15 vorsteht.
Eine solche Lösung
kann für
eine Hilfseinheit, wie z.B. einen Kompressor oder eine Hydraulikpumpe
geeignet sein.
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Die
Art des Getriebes, das in 2 beabsichtigt ist, umfasst normalerweise
drei Planetenradwellen, die genau so funktionieren, wie die beschriebene
Planetenradwelle 10. Es können jedoch auch mehr als drei
Planetenräder
sein. Das Vorhandensein einer zweiten Planetenradwelle 20 mit
zugeordnetem größeren Planetenrad,
kleinerem Planetenrad und Lagern ist in der Figur gezeigt. Jede
der Planetenradwellen, die ein Teil des Hauptgetriebes bilden, kann
eine oder mehrere Hilfseinheiten antreiben. Alternativ zu dem, was
in 2 gezeigt ist, können die Hilfseinheiten an
entgegengesetzten Enden der Planetenradwelle 10 angeschlossen
sein, vorausgesetzt, dass der Raum innerhalb des Innenrades 7 nicht
zu begrenzt ist. Eine weitere Alternative besteht darin, Hilfseinheiten
zu haben, die an beide Enden der Planetenradwelle 10 angeschlossen
sind. Es ist außerdem
möglich,
dass sich die Planetenradwelle 10 oder ihre Verlängerung,
gerade durch die Hilfseinheit 12 hindurch erstreckt, was
es ermöglicht, eine
weitere Hilfseinheit an derselben Planetenradwelle anzuordnen.
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Bei
einem herkömmlichen
Getriebe wird das Hilfseinheitgetriebe von einer der Komponenten
des Hauptgetriebes angetrieben, beispielsweise durch Außenzahnräder (nicht
gezeigt) an dem Innenrad 7. Die Erfindung kann mit irgendeiner
Form eines Hilfseinheitgetriebes für den Betrieb von Hilfseinheiten kombiniert
werden, die nicht durch eine der Planetenradwellen angetrieben werden.
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3 zeigt
detailliertere Ansichten eines Beispiels, wie eine Hilfseinheit
in einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung angeordnet werden kann. In dem gezeigten Beispiel
besteht die Hilfseinheit 12 aus einer Ölpumpe der "Gerotor"-Art. Die Ölpumpe kann das Getriebe, das
Gasturbinentriebwerk und, falls notwendig, auch den Generator mit Öl versorgen.
Wie zuvor ist die Eingangswelle 2 mittels Zahnrädern 3 mit
dem größeren Planetenrad 4 verbunden.
Das kleinere Planetenrad 5 ist mit Zahnrädern 6 versehen,
die mit dem Innenrad 7 in 2 (nicht gezeigt
in 3) verbunden werden sollen. Das größere Planetenrad 4 und
das kleinere Planetenrad 5 sitzen auf der gleichen Planetenradwelle 10, wobei
die Pla netenradwelle 10 in den zwei Lagern 11a, 11b in 2 aufgehängt sind
(von denen nur 11a in 3 gezeigt
ist). Die Hilfseinheit 12, in diesem Fall eine Ölpumpe,
ist direkt mit der Planetenradwelle 10 über ein Verbindungselement
(13 in 2) verbunden, das in diesem Fall
einen Bolzen 13a und einen Stift 13b umfasst.
Das Rotationsbauteil in der Ölpumpe
bildet deshalb eine Art Verlängerung
der Planetenradwelle 10, so dass keine zusätzlichen
Zahnräder
oder Lager erforderlich sind, um die Ölpumpe anzutreiben, als die
Lager 11a, 11b, die einen Teil der Aufhängung der
Planetenradwelle 10 bilden. Die Figuren zeigen außerdem ein
Beispiel, wie periphere Anordnungen, wie z.B. Ölleitungen 16 und Verschleißplatten 17 angeordnet
werden können.
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Ein
Beispiel einer anderen Hilfseinheit, die vorteilhafterweise auf ähnliche
Weise wie die Ölpumpe
in 3 angeordnet werden kann, ist ein Rotationsölabscheider.
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Die
Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen
beschränkt.
Es ist eine Anzahl von Modifikationen innerhalb des Bereichs der
folgenden Ansprüche
möglich. Beispielsweise
kann die Hilfseinheit durch einige andere Mittel als den Bolzen
mit der Planetenradwelle wirksam verbunden werden, beispielsweise
durch Verwendung von Keilnuten oder einer Zahnkupplung, oder dadurch,
dass die Planetenradwelle verlängert wird
und auch als Welle für
die Hilfseinheit dient. Falls notwendig kann ein individuelles Zahnrad
bei dieser Verbindung verwendet werden, um beispielsweise die Drehzahl
zu verringern.