DE836869C - Kraftfahrzeug-Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

(WlGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 17. APRIL 1952

p 35II2 Ia/46f D

Die Erfindung hat sich in der Hauptsache die Aufgabe gestellt, für Motorfahrzeuge eine Antriebsanlage zu schaffen, die beim Anfahren ein verhältnismäßig hohes Drehmoment ausüben kann, so daß kein Geschwindigkeitswechselgetriebe, abgesehen von einem Rückwärtsgang, erforderlich ist oder doch nur ein ganz einfaches, das beispielsweise eine sehr niedrige Schaltstufe für den Notfall und einen normalen Gang aufweist.

Gasturbinenanlagen mit einem Zentrifugalverdichter und einem zweiten Teil, von dem die Leistung der Anlage abgenommen wird, sind bekannt. Dabei bildet die den Verdichter durchströmende Luft die einzige Kupplung zwischen der Turbine und dem leistungsabgebenden Teil. Nach diesem bekannten Vorschlag besitzt der Hauptläufer des Verdichters, der direkt mit der Turbine gekuppelt ist, nur eine einzige Stufe mit axialem Eintritt und radialem Austritt, die von dem leistungsabgebenden Teil umschlossen wird, das das ao Strömungsmittel in allgemein radialer Richtung austreten läßt.

In großen Umrissen besteht die Erfindung in der Verwendung einer Gasturbinenanlage nach dem bekannten Vorschlag als Antriebsquelle für ein Motorfahrzeug. Das leistungsabgebende Glied erhöht den Wirkungsgrad des Verdichters gegenüber Anordnungen, die einen Zentrifugalverdichter mit festem Diffusor benutzen. Wichtiger ist jedodh die pneumatische Kupplung, die auf diese Weise ge-

schaffen wird und ein Geschwindigkeitswechselgetriebe mit stufenlos regelbarem Ubersetzungverhältnis ersetzt; dadurch kann sich die Drehzahl des leistungsabgebenden Teiles ändern, während die Turbinendrehzahl konstant bleibt. Auf diese Weise kann ein hohes Verdichtungsverhältnis im Verdichter und eine große Kraft im leistungsabgebenden Glied audh bei niedrigen Drehzahlen desselben aufrechterhalten werden. Man kann sogar bei entsprechender Auslegung einer derartigen pneumatischen Kupplung erreichen, daß bei steigender Last, d. h. also bei steigendem Drehzahlverhältnis der treibenden und angetriebenen Welle, das Leistungsverhältnis zwischen beiden Wellen ertiöht wird, d. h. mit anderen Worten, daß der Wirkungsgrad der Schlupfkupplung steigt. Die Leistungsregelung wird durch Regelung der Brennstoffzuführung zur Turbine bewirkt.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung findet eine Gasturbinenanlage der beschriebenen Art mit einem mehrstufigen Zentrifugalverdichter Anwendung, dessen Läufer von der Turbine angetrieben wird; die Luft gelangt hierbei von einer Stufe in die nächste durch Durchlässe in dem umlaufenden leistungsabgebenden Teil, das den Verdichterläufer umgibt und Schaufeln besitzt, mittels deren es ausschließlich durch die durchtretende Luft und den endgültigen Austritt derselben angetrieben wird.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Gasturbinenanlage mit einem Wärmeaustauscher verbunden, in welchem ein Teil der Wärme der Turbinenaustrittsgase dazu benutzt wird, die Temperatur der Verbrennungsluft zu erhöhen, bevor sie in die Brennkammer der Anlage eintritt.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist in einer solchen Durchbildung der Anlage zu erblicken, daß die Drehzahl des leistunigsabgebenden Teiles begrenzt werden kann.

Die Erfindung ist auf der Zeichnung in schematischer Darstellung beispielsweise veranschaulicht.

Fig. ι ist der Grundriß des Chassis eines von

einer Gasturbinenanlage nach der Erfindung getriel >enen Landfahrzeuges;

⁴^ , Fig. 2 ist eine Stirnansicht der Antriebsanlage, wobei jedoch die Kraftstoffleitung fortgelassen ist; Fig. 3 ist ein Schnitt im wesentlichen nach der Linie 3-3 in Fig. 2.

Fig. ι zeigt nur das vordere Ende des Chässisrahmens 12 eines motorgetriebenen Landfahrzeuges mit einer Gasturbinenanlage 13, die vom Chassisrahmen getragen und in geeigneter Weise, z. B. starr, mit diesem verbunden ist. Der Kraftantrieb der Turbine wird nach hinten durch eine Kupplung 14 und eine Untersetzungsanordnung 15 mit einem Rückwärtsgang und einem einfachen Geschwindigkeitsweohselgetriebe zu einer Antriebswelle 16 geleitet. Die Brennkammer 17 der Anlage hat einen Brennstoffzerstäuber 18, dem durch die Leitung 19 von einer Brennstoffpumpe 20 aus Brennstoff zugeführt wird. Die Brennstoffpumpe 20 wird über ein Getriebe von dem leistungsliefernden Teil der Anlage aus angetrieben. Die Flüssigkeitsförderung j der Pumpe wird durch einen Hebelarm 21 vom Beschleunigungspedal 22 aus gesteuert. In der Brennstoffleitung 19 ist ein für gewöhnlich offenes Ventil 23 angeordnet. Dieses Ventil kann: durch einen Hebelarm 24 verstellt werden, der mit einem Regler 25 verbunden ist. Der Regler 25 ist abhängig von der Drehzahl der leistungsabgebenden Welle 26 der Turbinenanlage (Fig. 3). Der Regler sdhließt das Ventil 23 mehr oder weniger, wenn die Drehzahl der leistungsabgebenden Welle 26 einen bestimmten holhen Wert erreicht.

In dem gezeichneten Ausführungsbeispiel weist der Verdichterläufer zwei koaxiale Schaufelräder 29, 30 auf. Sämtliche Schaufeln dieser Räder sind von solcher Bauart, wie es im allgemeinen für eine axiale Einströmung und eine radiale Ausströmung erforderlich ist. Die beiden Schaufelräder sind auf einer Welle 31 gelagert, die unmittelbar mit der Welle des Turbinenläufers 32 gekuppelt ist. Zwischen den beiden Schaufelrädern befindet sich ein Kranz von Leitschaufeln 33. An der Austrittsseite des zweiten Schaufelrades 30 ist ein Kranz von Austrittsschaufeln 34 vorgesehen. Beide Schaufelkränze sitzen fest an einer umlaufenden leistungsabgebenden Hülse 35, die den Verdichterläufer umschließt, aber ihm gegenüber drehbar ist. Die Schaufeln 33, 34 der leistungsabgebenden Hülse entsprechen in ihrer Bauart etwa Überdruckturbinenischauf ein (Impulsschaufeln), die in einer im allgemeinen radialen Richtung arbeiten. Doch kann es in bestimmten Fällen zweckmäßig sein, einen gewissen Grad von Reaktion oder auch von Diffusion vorzusehen. Die Hülse 35 ist fest mit der leistungsliefernden Welle 26 \-erbimden, an die der Regler 25 angeschlossen ist und die den antreibenden Teil der Kupplung 14 antreibt.

38 ist die Zutrittsöffnung zum Verdichter. Die verdichtete Luft gelangt durch ein Leitungsstück 39 (Fig. 2) zu einer Wärmeaustauschvorrichtung 40 von an sich bekannter Bauart und dann durch ein Rohr 41 ZiU der Verbrennungskammer 17. Diese besteht aus einem äußeren langen Gehäuse 42, das ein gelochtes Flammrohr 43 umgibt, das in gleichem Abstand von der Innenwandung des Gehäuses 42 angeordnet ist. Die erhitzte verdichtete Luft strömt durch die Löcher in den Innenraum des Flammrohres 43 und wird hier durch die Verbrennung von Brennstoff weiter erhitzt, der durch den Brennstoffzerstäuber 18 zugeführt wird. Die Brenngasmischung gelangt aus dem Auslaß 44 der Brennkammer 43 durch einen Leitungsstutzen 45 zu einem Ringraum 46 der Turbine und aus diesem an fest stehenden Turbinenschaufeln 47 vorbei zu den Läuferschaufeln 48. Die Austrittsgase aus der Turbine gelangen über einen ringförmigen Diffusor 55, dessen innerer Teil von Schaufeln 49 getragen wird, durch einen Rohrkrümmer 50 zum Wärmeaustauscher 40 und von da zum Auspuffrohr 51.

Die Betätigung des Beschleunigerpedals 22 regelt die Brennstoffmenge, die in die Brennkammer eingespritzt wird. Infolgedessen ergibt sich für jede Stellung des Beschleunigerpedals eine bestimmte Turbinendrehzahl und ebenso eine bestimmte Tem-

peratur in der Brennkammer. Darüberninaus ergibt sicii auf el κ¹ nor Straße für jede Stellung des Ik'schleunig-L'rpedals eine bestimmte Fahrzeuggeschwindigkeit, wenn Wind, Ungleichmäßigkeiten der Straßenolierfläche u. dgl. unlyerücksichtigt bleiben. Die leistungsliefernde Welle 26 läuft gewöhnlich mit weniger als der halben Drehzahl der Turbine um. Die Antriebswelle ist selbstverständlich mit den angetriebenen Rädern des Fahrzeuges durch ein geeignetes Untersetzungsgetriebe in der Ilinteradhse verbunden, das nicht gezeichnet ist und seinen Teil zu der erforderlichen Drehzahluntersetzung liefert. Gelaugt das Fahrzeug zu einer Straßensteigung und bleibt die Stellung des Pedals 22 unverändert, so bleibt die Turbinendrehzahl konstant. Die Umlaufgeschwindigkeit der leistungsabgel >enden Welle 26 nimmt indessen ab, während der Wirkungsgrad l>ei entsprechender Auslegung der pneumatischen Kupplung zwischen den Wellen 31 und 26 gleichzeitig steigen kann, bis das Fahrzeug wieder gleichmäßig bei verringerter Geschwindigkeit läuft. Diesem Vorgang entspricht bei einem gewöhnlichen Kraftfahrzeug das Herunterschalten. Erreicht umgekehrt das Fahrzeug ein Straßengefälle und bleibt die Stellung des Beschleunigerpedals unverändert, so steigt die Drehzahl des leistungsabgebenden Teiles über das gewöhnliche Maß, was etwa der Einschaltung eines Schnellganges bei einem gewöhnlichen Fahrzeug entspricht, das mit einem Schnellgang ausgerüstet ist.

Soll die Geschwindigkeit überhaupt gesteigert werden, so wird das Beschleunigerpedal heruntergetreten, um dadurch eine vergrößerte Brennstdfförderung zu erreichen. Die hierdurch erzielte Beschleunigung des Fahrzeuges ist besonders in niedrigen Geschwindigkeitsbereichen sehr gut. Umgekehrt wird das Besohleunigerpedal entsprechend freigegeben, um innerhalb des Regelungsbereiches eine geringere Brennstoffzufuhr zu bewirken, wenn die Geschwindigkeit herabgesetzt werden soll.

Um Beschädigung oder Bruch unter Betriebsumständen auszuschließen, die dem Schnellgang entsprechen, oder wenn inslx?sondere die Fährzeugkupplung gelöst wird, ist die leistungsabgebende Welle mit dem Regler 25 verbunden, der bewirkt, daß die Wellendrehzahl einen bestimmten Sicherbeitswert nicht überschreitet.

Wie man aus der vorstehenden Beschreibung erkennen kann, ist die Welle 26 durch die Schaufelkränze 33, 34 nur pneumatisch mit dem Verdichterläufer gekuppelt, der mit der Drehzahl der Turbine umläuft, so daß sich daraus ein Antrieb mit stufenlos regelbarem Übersetzungsverhältnis für die angetriebnen Fahrzeugräder ergibt. Wie schon oben gesagt, steigt l>ei entsprechender Auslegung der pneumatischen Kupplung zwischen den Wellen 31 und 26 bei einem Ansteigen des zu überwindenden Drehmoments und einem dadurch bedingten Absinken der Umlaufgeschwindigkeit der Schaufeln 33 und 34 für eine gegebene Stellung des Beschleunigerpedals 22 der Wirkungsgrad mit dem Ergebnis, daß damit auch das das Fahrzeug antreibende Drehmoment größer als bei konstantem Wirkungsgrad ausfällt. .

Ein zweiter Vorteil ergibt sich aus der Benutzung des Wärmeaustauschers und ist darin zu erblicken, daß die Temperatur der durch das Auspuffrohr ausströmenden Verbrennungsprodukte entsprechend gesenkt wird, was einen verhältnismäßig kühlen und geräuscharmen Auspuff ermöglicht.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Kraftfährzeug-Gasturbinenanlage, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenianlage einen umlaufenden Zentrifugalverdichter (29, 30) und einen zweiten Teil (35) besitzt, der als umlaufender leistungsabgebender Teil der Anlage dient, wobei die den Verdichter durchströmende Luft das einzige Kupplungselement zwischen der Turbine und dem leistungsabgebenden Teil bildet.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine einen Zentrifugalverdichter mit mehrstufigem Läufer (29, 30) besitzt, der von der Turbine angetrieben wird, wobei die Luft von einer Stufe zur nächsten durch Durchlässe in dem umlaufenden leistungsabgebenden Teil geleitet wird, der den Verdichterläufer umschließt und Schaufeln (33. 34) aufweist, durch die er ausschließlich mittels der hindurchströmenden Luft und des schließlichen Austrittes der Luft aus ihnen angetrieben wird.

3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage mit einer Wärmeaustauschvorrichtung (40) verseihen ist, mittels welcher die Austrittsgase aus der Turbine die Temperatur der Luft heraufsetzen, bevor diese in die Brennkammer der Anlage eintritt.

4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (25) zur Begrenzung der Umlaufgeschwindigkeit des leistungsabgebenden Teiles der Anlage.

Angezogene Druckschriften: Automobiltechnisches Handbuch von R. B u s -

s i e n, 16. Auflage, 1945, S. 522; Zeitschrift des Vereins Deutscher Ingenieure,

Bd. 81, 1937, S. 645 und 647;

Sonderabdruck aus Bergmännische Zeitschrift

»Glückauf«, Bd. 81/84, 1948, Heft 39/40 und 41/42.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

O 3929 4.