WO2008089925A2

WO2008089925A2 - Hydrodynamischer antrieb einer hochdruckverdichterwelle eines gasturbinentriebwerks

Info

Publication number: WO2008089925A2
Application number: PCT/EP2008/000402
Authority: WO
Inventors: Reinhard Kernchen; Heinz Höller; Steffen KÄMMERER; Tillmann KÖRNER
Original assignee: Voith Patent Gmbh
Priority date: 2007-01-23
Filing date: 2008-01-19
Publication date: 2008-07-31
Also published as: WO2008089925A3; DE102007004274A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinentriebwerk, insbesondere Flugtriebwerk, mit einer Brennkammer (1) und einer Gasturbine (2) zur Erzeugung von Antriebsleistung und/oder Schub; mit einem wenigstens zweistufigen Verdichter, umfassend einen Niederdruckverdichter (3) und einen Hochdruckverdichter (4), die wenigstens mittelbar von der Gasturbine antreibbar sind, um Luft oder ein Gasgemisch für die Brennkammer zu verdichten, und welche jeweils eine Antriebswelle (3.1, 4.1) aufweisen, wobei der Hochdruckverdichter über eine drehmomentübertragende Triebverbindung' zwischen der Antriebswelle (3.1) des Niederdruckverdichters und der Antriebswelle (4.1) des Hochdruckverdichters vom Niederdruckverdichter äntreibbar ist und in der Trieb Verbindung eine regelbare. hydrodynamische Maschine zur Übertragung der gesamten Antriebsleistung von der Niederdruckverdichterantriebswelle auf die Hochdruckverdichterantriebswelle oder eines Teils der Antriebsleistung angeordnet ist. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Regeln des Antriebs der genannten Hochdruckverdichterwelle.

Description

Gasturbinentriebwerk, insbesondere Flugtriebwerk

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinentriebwerk, welches stationär oder mobil sein kann. Besonders betrifft die vorliegende Erfindung ein Flugtriebwerk, auch Strahltriebwerk genannt, wie es heutzutage in der zivilen Luftfahrt bei großen Passagiermaschinen verwendet wird.

Ähnlich wie bei Automobilen steigt auch bei Flugzeugen die Anzahl von notwendigen Hilfsaggregaten, beispielsweise Drucklufterzeugern, anderen Kompressoren wie Klimakompressoren oder sonstige Verbraucher. Solche Hilfsaggregate können mittels elektrischer Energie oder durch mechanische Energie, die vom Hauptleistungszweig des Flugtriebwerks oder der Flugtriebwerke abgezweigt wird, angetrieben werden. Unter Hauptleistungszweig wird dabei vorliegend jener Leistungszweig verstanden, der dem unmittelbaren Antrieb des Flugzeugs dient, das heißt, welcher den Schub aufbringt.

Sowohl bei der Abzweigung von mechanischer Leistung aus dem Hauptleistungsstrang als auch bei dem elektrischen Antrieb von Hilfsaggregaten ist es notwendig, einen mechanischen Antrieb, in der Regel in Form einer rotierbaren Welle, zur Verfügung zu stellen. Diese Welle treibt entweder das oder die Hilfsaggregate unmittelbar an oder treibt einen elektrischen Generator an, der die notwendige elektrische Energie für die Hilfsaggregate zur Verfügung stellt. Es ist daher notwendig, diese Welle stets mit einer ausreichenden Antriebsleistung, die sich aus dem anliegenden Drehmoment und der Drehzahl ergibt, ungeachtet von Randbedingungen des Flugbetriebs oder einer Betriebssituation des

Flugzeugs am Boden anzutreiben. Diesem Bestreben steht grundsätzlich der Wunsch nach einem energieeinsparenden Betrieb des Flugtriebwerks beziehungsweise der Flugtriebwerke eines Flugzeugs entgegen, welcher, wann immer möglich, niedrige Antriebsleistungen verlangt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, allgemein ein Gasturbinentriebwerk und insbesondere ein Flugtriebwerk anzugeben, bei welchem ausreichend Antriebsenergie für Hilfsaggregate in jedem Betriebszustand zur Verfügung gestellt wird. Die Antriebsenergie soll dabei möglichst energieeffizient zur Verfügung gestellt werden, und der notwendige Bauraum für den Hilfsaggregatantrieb minimiert werden.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Gasturbinentriebwerk mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung.

Die Erfindung geht aus von einem Gasturbinentriebwerk, insbesondere Flugtriebwerk, auch Strahltriebwerk genannt, mit einer Brennkammer und einer Gasturbine zur Erzeugung von Antriebsleistung, wobei ein wenigstens zweistufiger Verdichter zum Verdichten von Luft oder allgemein einem gasförmigen Medium, die/das der Brennkammer zusammen mit Brennstoff zugeführt wird, vorgesehen ist. Selbstverständlich können weitere ein- oder mehrstufige Verdichter vorgesehen sein.

Die Antriebsleistung, welche wenigstens mittelbar zum Antrieb von Hilfsaggregaten verwendet wird, wird in Form einer Drehleistung von der Antriebswelle des Hochdruckverdichters des zweistufigen Verdichters zur Verfügung gestellt. Beispielsweise kann diese Antriebswelle einen elektrischen Generator tragen oder mit einem solchen in einer Triebverbindung stehen. Alternativ oder zusätzlich kann diese Antriebswelle den Rotor eines Hilfsaggregats tragen oder mit einem Hilfsaggregat in einer mechanischen Triebverbindung stehen.

Der zweistufige Verdichter umfasst neben dem Hochdruckverdichter mit seiner Antriebswelle wenigstens einen weiteren Verdichter, nämlich einen Niederdruckverdichter, der ebenfalls eine Antriebswelle aufweist. Erfindungsgemäß wird Antriebsleistung von der Antriebswelle des Niederdruckverdichters auf die Antriebswelle des Hochdruckverdichters übertragen, zumindest in vorgegebenen Betriebszuständen oder stets. Zu dieser Leistungsübertragung dient eine Triebverbindung zwischen den beiden Antriebswellen, in welche erfindungsgemäß eine regelbare hydrodynamische Maschine eingebracht ist. Gemäß einer ersten Ausführungsform wird die gesamte in dieser Triebverbindung von der Niederdruckverdichterantriebswelle auf die Hochdruckverdichterantriebswelle übertragene Antriebsleistung mittels der hydrodynamischen Maschine übertragen. Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird nur ein Teil dieser Antriebsleistung in dieser Triebverbindung mittels der hydrodynamischen Maschine übertragen, und der verbleibende Teil wird mittels einer mechanischen Triebverbindung, welche parallel zur der hydrodynamischen Triebverbindung (in der hydrodynamischen Maschine) geschaltet ist, übertragen.

Die erfindungsgemäße Triebverbindung von der Niederdruckverdichterantriebswelle zu der Hochdruckverdichterantriebswelle ermöglicht, dass die Hochdruckverdichterantriebswelle in jedem Betriebszustand des Gasturbinentriebwerks, insbesondere Flugtriebwerks, mit der notwendigen Drehleistung umläuft, um das oder die Nebenaggregate wenigstens mittelbar mit der gewünschten Leistung anzutreiben. Auch im Leerlaufbetrieb des Triebwerks, das heißt, wenn die Turbine mit einer vorgegebenen Leerlaufdrehzahl umläuft, ist durch die erfindungsgemäße Triebverbindung für eine ausreichende Antriebsleistung der Hochdruckverdichterantriebswelle gesorgt.

Die erfindungsgemäße Triebverbindung mit der hydrodynamischen Maschine zwischen der Niederdruckverdichterantriebswelle und der

Hochdruckverdichterantriebswelle ist gemäß einer Ausführungsform zusätzlich zu einer Triebverbindung zwischen der Gasturbine, insbesondere einer Hochdruckturbine, und der Hochdruckverdichterantriebswelle vorgesehen. Die Triebverbindung zwischen der Gasturbine beziehungsweise der Hochdruckturbine als Teil dieser Gasturbine und der Hochdruckverdichterantriebswelle kann beispielsweise, wie bekannt, mittels einer starren Welle hergestellt sein, wie später mit Bezug auf die Figur 1 exemplarisch beschrieben wird. In solchen Betriebszuständen, in welchen ausreichend Antriebsleistung von der Gasturbine beziehungsweise der Hochdruckturbine auf die Hochdruckverdichterantriebswelle übertragen wird, ist es nicht notwendig, über die erfindungsgemäß vorgesehene zusätzliche Triebverbindung zwischen Niederdruckverdichterantriebswelle und Hochdruckverdichterantriebswelle Antriebsleistung auf die

Hochdruckverdichterantriebswelle zu übertragen. In diesem Fall kann entweder eine Schaltkupplung in der Triebverbindung zwischen der Niederdruckverdichterantriebswelle und der Hochdruckverdichterantriebswelle geöffnet werden oder die hydrodynamische Maschine kann vollständig oder im Wesentlichen vollständig entleert werden.

Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren wird zumindest im Leerlaufbetrieb eine konstante Antriebsleistung von der Niederdruckverdichterantriebswelle auf die Hochdruckverdichterantriebswelle über die genannte Triebverbindung übertragen. Die Antriebsleistung ist dabei vollständig oder im wesentlichen konstant. In anderen Betriebszuständen kann diese Antriebsleistungsübertragung, wie dargestellt, unterbrochen oder vermindert werden, immer dann, wenn ausreichend Antriebsenergie von der Hochdruckturbine zur Verfügung steht, oder die Übertragung von Antriebsleistung, insbesondere in einer konstanten Größe, kann auch außerhalb des Leerlaufbetriebs fortgesetzt werden.

Um die hydrodynamische Maschine in einem Betriebsoptimum zu betreiben, das heißt in einem Betriebszustand mit vergleichsweise hohem Wirkungsgrad, kann die Drehzahl des Turbinenrads der hydrodynamischen Maschine und damit die Drehzahl der Hochdruckverdichterantriebswelle in Abhängigkeit der Drehzahl des Pumpenrads und damit der Drehzahl der Niederdruckverdichterantriebswelle bei Verwendung einer hydrodynamischen Kupplung über den Füllungsgrad der hydrodynamischen Kupplung oder bei Verwendung eines hydrodynamischen Wandlers in der Triebverbindung über die Stellung eines verstellbaren Leitrads eingestellt werden. Im ersten Fall kann insbesondere ein Schaltgetriebe in Reihe zu der hydrodynamischen Kupplung angeordnet sein, mittels welchem mechanisch verschiedene Übersetzungen eingestellt werden können, um so den Regelbereich der Drehzahl zu vergrößern. Wenn die erfindungsgemäß vorgesehene Triebverbindung mit der hydrodynamischen Maschine zusätzlich zu einer Triebverbindung zwischen der Gasturbine beziehungsweise der Hochdruckturbine und der Hochdruckverdichterantriebswelle vorgesehen ist, wird die Drehzahl der Hochdruckverdichterantriebswelle in der Regel von der Drehzahl der Gasturbine bestimmt. In diesem Fall wird über den Füllungsgrad der hydrodynamischen Maschine, die Gangstufe im Schaltgetriebe beziehungsweise die Stellung des Leitrads ein Betriebspunkt für die hydrodynamische Maschine ausgewählt, welcher für die vorgegebene Drehzahl der Hochdruckverdichterantriebswelle und insbesondere der

Niederdruckverdichterantriebswelle zu einem hohen Wirkungsgrad führt.

Bei dem erfindungsgemäßen Triebwerk wird entsprechend die Hochdruckverdichterantriebswelle entweder ausschließlich von der Niederdruckverdichterantriebswelle über die beschriebene Triebverbindung mit der hydrodynamischen Maschine angetrieben oder zusätzlich zu einem weiteren Antrieb, insbesondere mittels der Gasturbine beziehungsweise deren Hochdruckturbine. Im ersteren Fall bedeutet dies, es gibt keine Triebverbindung zwischen einem weiteren Antriebsaggregat, beispielsweise einer Turbinenstufe, und der Hochdruckverdichterantriebswelle, mittels welcher Antriebsenergie auf die Hochdruckverdichterantriebswelle übertragbar ist beziehungsweise übertragen wird. Selbstverständlich sind weitere Triebverbindungen mit der Hochdruckverdichterantriebswelle vorgesehen, nämlich solche die zum Abgriff beziehungsweise zum Abführen von Antriebsleistung von der Hochdruckverdichterantriebswelle dienen, beispielsweise für den elektrischen Generator der Hilfsaggregate oder die Hilfsaggregate selbst. Im zweiten oben genannten Fall ist die Triebverbindung von der Gasturbine beziehungsweise der Hochdruckturbine insbesondere die einzige zusätzliche Triebverbindung, mit welcher Antriebsleistung auf die Hochdruckverdichterantriebswelle übertragen werden kann. Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Drehzahl der Hochdruckverdichterantriebswelle und die Drehzahl der Niederdruckverdichterantriebswelle vorgegeben, beispielsweise die Drehzahl der Niederdruckverdichterantriebswelle durch die Turbinendrehzahl und die Drehzahl der Hochdruckverdichterantriebswelle durch entweder den gewünschten Druck, auf weichen Luft oder allgemein ein gasförmiges Medium vom Verdichter verdichtet und der Brennkammer zugeführt wird, oder durch die Antriebsleistung, welche von der Gasturbine auf die Hochdruckverdichterantriebswelle übertragen wird. Zu diesen beiden vorgegebenen Drehzahlen wird dann eine geeignete Menge von Arbeitsmedium in den Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung eingebracht, das heißt ein vorgegebener Füllungsgrad der hydrodynamischen Kupplung eingestellt, gegebenenfalls in Verbindung mit dem Einstellen einer geeigneten Übersetzung in einem zu der hydrodynamischen Kupplung in Reihe geschalteten Schaltgetriebe, oder - bei einer Ausführung mit einem hydrodynamischen Wandler - wird das Leitrad in eine geeignete Position gestellt, insbesondere zusammen mit dem Einstellen eines gewünschten Füllungsgrads im hydrodynamischen Wandler.

Das Vorsehen eines in Reihe zu der hydrodynamischen Maschine, insbesondere der hydrodynamischen Kupplung, angeordneten Schaltgetriebes mit einer Vielzahl von Gangstufen ermöglicht, dass in Abhängigkeit des gewünschten Drehzahlverhältnisses zwischen der Niederdruckverdichterantriebswelle und der Hochdruckverdichterantriebswelle, welches über einen vergleichsweise großen Bereich variieren kann, die hydrodynamische Maschine, insbesondere die hydrodynamische Kupplung, im Bereich eines hohen Wirkungsgrades arbeitet, indem das Drehzahlverhältnis zwischen Pumpenrad und Turbinenrad weniger stark variiert werden muss, da die Drehzahldifferenzen zum Teil durch Verändern der Gangstufe im Schaltgetriebe kompensiert werden.

In der Triebverbindung zwischen der Niederdruckverdichterantriebswelle und der Hochdruckverdichterantriebswelle kann entweder eine Trennkupplung, beispielsweise in Form einer schaltbaren Lamellenkupplung oder Klauenkupplung vorgesehen sein, um die Leistungsübertragung in bestimmten Betriebszuständen zu unterbrechen. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die hydrodynamische Maschine weitgehend oder vollständig zu entleeren.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen exemplarisch beschrieben werden.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Flugtriebwerk mit einem zweistufigen Verdichter, zwischen dessen Hochdruckverdichterantriebswelle und Niederduckverdichterantriebswelle erfindungsgemäß eine Triebverbindung mit einer regelbaren hydrodynamischen Maschine vorgesehen werden kann;

Figur 2 eine mögliche Ausführungsform einer Triebverbindung zwischen der

Niederdruckverdichterantriebswelle und der Hochdruckverdichterantriebswelle mit einer hydrodynamischen Kupplung;

Figur 3 eine Triebverbindung entsprechend der Figur 2, jedoch mit einem hydrodynamischen Wandler anstelle einer hydrodynamischen Kupplung.

In der Figur 1 erkennt man ein Flugtriebwerk mit einer Brennkammer 1 , in welche verdichtete Luft und Brennstoff eingeleitet, das entstehende Gemisch gezündet und anschließend in der Gasturbine 2 expandiert wird. Die Gasturbine 2, umfassend eine Hochdruckturbine 2.1 und eine nachgeschaltete Niederdruckturbine 2.2, wird durch die Expansion des Gemisches in eine

Drehbewegung versetzt und treibt über jeweils eine starre Wellenverbindung einen zweistufigen Verdichter, umfassend einen Niederdruckverdichter 3 und einen Hochdruckverdichter 4, an. Die Hochdruckturbine 2.1 treibt den Hochdruckverdichter 4 an, und die Niederdruckturbine 2.2 treibt den Niederdruckverdichter 3 an. Hierzu weist der Hochdruckverdichter 4 eine Hochdruckverdichterantriebswelle 4.1 auf, die in einer starren Triebverbindung mit der Hochdruckturbine 2.1 steht, und der Niederdruckverdichter 3 weist eine entsprechende Antriebswelle 3.1 auf, die in einer starren Triebverbindung mit der Niederdruckturbine 2.2 steht.

Auf derselben Antriebswelle 3.1 des Niederdruckverdichters 3 ist zusätzlich ein Lüfterrad 12, ebenfalls zweistufig ausgeführt, angeordnet, welches zusammen mit dem Niederdruckverdichter 3 beziehungsweise der Niederdruckturbine 2.2 umläuft, um Luft in Richtung der Brennkammer 1 und außen an dieser vorbei, siehe den äußeren ringförmigen Kanal 13, zu leiten. Ein solcher Lüfter wird auch als Fan bezeichnet.

Soweit dies in der Figur 1 dargestellt ist, entspricht das Flugtriebwerk dem Stand der Technik. Erfindungsgemäß kann jedoch nun anstelle der Triebverbindung zwischen der Hochdruckturbine 2.1 und dem Hochdruckverdichter 4, um den Hochdruckverdichter 4 beziehungsweise dessen Antriebswelle 4.1 anzutreiben, eine Triebverbindung zwischen der Niederdruckverdichterantriebswelle 3.1 und der Hochdruckverdichterantriebswelle 4.1 vorgesehen sein. In der Regel wird jedoch die in der Figur 1 gezeigte Triebverbindung zwischen der Hochdruckturbine 2.1 und dem Hochdruckverdichter 4 beigehalten, und die Triebverbindung zwischen der Niederdruckverdichterantriebswelle 3.1 und der Hochdruckverdichterantriebswelle 4.1 wird zusätzlich vorgesehen. Eine solche Triebverbindung zwischen der Niederdruckverdichterantriebswelle 3.1 und der Hochdruckverdichterantriebswelle 4.1 (für beide Anwendungsfälle) ist exemplarisch in den Figuren 2 und 3 dargestellt.

In der Figur 2 erkennt man die Niederdruckverdichterantriebswelle 3.1 und die fluchtend hierzu angeordnete Hochdruckverdichterantriebswelle 4.1. Die Niederdruckverdichterantriebswelle 3.1 ist über ein Kegelradgetriebe 14 mit einer Hohlwelle verbunden, die vorliegend als Eingangswelle 10 des Schaltgetriebes 6 bezeichnet wird, welches in Reihe zu und in Richtung des Antriebsleistungsflusses vor der hydrodynamischen Kupplung 5 angeordnet ist. Das Schaltgetriebe 6 weist ferner eine parallele Nebenwelle 11 auf, die parallel zu der Eingangswelle 10 und zu den Antriebswellen 3.1 , 4.1 des Verdichters angeordnet ist.

Die Eingangswelle 10 und die Nebenwelle 11 tragen eine Vielzahl von wahlweise in eine Triebverbindung schaltbare Stirnradstufen, um verschiedene Übersetzungen beziehungsweise Gangstufen im Schaltgetriebe 6 einzustellen. Hierzu sind Schaltkupplungen 15 im Schaltgetriebe 6 vorgesehen. Der Abtrieb der Nebenwelle 11 wird durch eine weitere Stirnradstufe gebildet, über welche das Pumpenrad 5.2 der hydrodynamischen Kupplung 5 angetrieben wird. Hierzu wird das Pumpenrad 5.2 von einer Antriebswelle 8, vorliegend ebenfalls in Form einer Hohlwelle ausgeführt, getragen und/oder angetrieben. Die Antriebswelle 8 umschließt sowohl zumindest einen Teilbereich der Eingangswelle 10 als auch eine Abtriebswelle 9 der hydrodynamischen Kupplung 5. Die Abtriebswelle 9 wird vom Turbinenrad 5.3 der hydrodynamischen Kupplung 5 angetrieben beziehungsweise trägt dieses.

An dem der hydrodynamischen Kupplung 5 entgegengesetzten axialen Ende der Abtriebswelle 9 ist diese, beispielsweise wie gezeigt mittels eines weiteren Kegel radgetriebes, mittels einer Triebverbindung mit der Antriebswelle 4.1 des Hochdruckverdichters 4 verbunden. Vorliegend umfasst dieses Kegelradgetriebe wieder zwei Kegelradstufen, welche durch jeweils zwei senkrecht zueinander angeordnete Kegelräder ausgebildet werden. Auch der Antrieb der Eingangswelle 10 erfolgt bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel über zwei Kegelradstufen, die jeweils durch zwei senkrecht zueinander angeordnete Kegelräder ausgebildet werden. Die zu den Antriebswellen 3.1 , 4.1 beziehungsweise der Eingangswelle 10 senkrecht angeordneten Kegelräder im Antrieb beziehungsweise Abtrieb des Schaltgetriebes 6 mit der hydrodynamischen Kupplung 5 können dabei wiederum koaxial beziehungsweise fluchtend zueinander angeordnet sein, wobei ein äußeres Kegelrad ein inneres Kegelrad beziehungsweise eine äußere Antriebswelle eine innere Antriebswelle, wie dargestellt, umschließen kann.

Das Wellenende der Abtriebswelle 9 der hydrodynamischen Kupplung 5, welches zu dem Kegelradgetriebe zur Verbindung mit der

Hochdruckverdichterantriebswelle 4.1 axial entgegengesetzt angeordnet ist, kann zum Anschluss weiterer Hilfsgetriebe oder von Hilfsaggregaten verwendet werden, die dann entweder unmittelbar auf der Abtriebswelle 9 angeordnet sind oder in einer Triebverbindung mit dieser stehen.

Die hydrodynamische Kupplung 5 ist regelbar, das heißt die Leistungsübertragung wird durch Verändern des Füllungsgrades im beschaufelten Arbeitsraum gezielt eingestellt. Zur Wärmeabfuhr kann die hydrodynamische Kupplung 5 mit einem äußeren Kühlkreislauf versehen sein. Die Füllungsgradeinstellung und die mögliche Abzweigung eines Kühlölnebenstroms können in einer Funktionseinheit, beispielsweise einem Schöpfrohr, das schwenkbar, verschiebbar oder dergleichen ist, vereinigt werden. Ein solches Schöpfrohr kann beispielsweise zwischen einer Schaufelradrückwand und einer Schale, die wiederum mit dem anderen vorgesehenen Schaufelrad verbunden ist, angeordnet sein.

Die Schaltung des Schaltgetriebes 6 beziehungsweise die wahlweise Einstellung von Gangstufen kann durch Klauenschaltungen mit Synchronelementen oder mit Lamellenkupplungen erfolgen. Andere Ausführungsformen sind denkbar.

In der Figur 3 erkennt man eine alternative Ausführungsform für eine

Triebverbindung zwischen der Niederdruckverdichterantriebswelle 3.1 und der Hochdruckverdichterantriebswelle 4.1. Vorliegend sind diese beiden Antriebswellen 3.1 , 4.1 nicht dargestellt, sondern lediglich die Leistungseinleitung von der Antriebswelle 3.1 und die Leistungsabfuhr zur Antriebwelle 4.1 ist durch Pfeile angedeutet. Bei der in der Figur 3 dargestellten Ausführungsform ist ein hydrodynamischer Wandler 6, umfassend ein verstellbares Leitrad 6.1 , ein Pumpenrad 6.2 und ein Turbinenrad 6.3 vorgesehen. Selbstverständlich können auch andere Wandlerausführungsformen mit weiteren Schaufelrädern vorgesehen sein.

Der hydrodynamische Wandler 6 ist in Kombination mit einem Planetengetriebe, bestehend aus oder umfassend ein Umlaufgetriebe und ein Standgetriebe vorgesehen. Die Aufgabe und die Anbindung an die bekannten Komponenten eines Flugtriebwerks entspricht weitgehend jener Ausführung gemäß der Figur 2. Im Einzelnen wird das Pumpenrad 6.2 von einer Antriebswelle 8, bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wiederum in Form einer Hohlwelle ausgeführt, angetrieben beziehungsweise getragen. Die Antriebswelle 8 steht in einer Triebverbindung mit der Niederdruckverdichterantriebswelle 3.1 (nicht dargestellt). Das Pumpenrad 6.2 treibt über den hydrodynamischen Kreislauf des Wandlers 6 das Turbinenrad 6.3 an, welches in einer Triebverbindung mit der Abtriebswelle 9 des hydrodynamischen Wandlers 6 steht und oder von dieser getragen wird. Die Abtriebswelle 9 ist wiederum als Hohlwelle ausgeführt und umschließt die Antriebswelle 8.

Zusätzlich steht die Antriebswelle 8 über das Planetengetriebe 16 in einer rein mechanischen Triebverbindung mit einer Getriebeausgangswelle 17, die wiederum in einer mechanischen Triebverbindung, hier über die gezeigte Stirnradstufe, in einer Triebverbindung mit der Hochdruckverdichterantriebswelle 4.1 steht. Das Planetengetriebe 16 umfasst über ihre eigene Drehachse und über die Drehachse der Getriebeabtriebswelle 17 umlaufende Planetenräder 16.1 , ein Hohlrad 16.2, das von der Antriebswelle 8 des hydrodynamischen Wandlers 6 angetrieben wird beziehungsweise mit dessen Drehzahl umläuft, und ein Sonnenrad 16.3, das die Getriebeabtriebswelle 17 antreibt beziehungsweise mit deren Drehzahl umläuft. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Hohlrad 16.2 von der Antriebswelle 8 und das Sonnenrad 16.3 von der Getriebeabtriebswelle 17 getragen. Die von dem Turbinenrad 6.3 angetriebene und insbesondere das Turbinenrad 6.3 tragende Ausgangswelle 9 des hydrodynamischen Wandlers 6 steht in einer Triebverbindung mit oder trägt das Sonnenrad 18.3 eines zweiten Planetengetriebes 18. Das Sonnenrad 18.3 treibt die Planetenräder 18.1 an, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel nur um ihre eigene Drehachse, jedoch nicht um die Drehachse der Getriebeabtriebswelle 17 umlaufen (sogenanntes Standgetriebe). Das bedeutet, die Drehachse der Planetenräder 18.1 ist stationär. Die Planetenräder 18.1 stehen in einer Triebverbindung mit einem Hohlrad 18.2, und zwar vorliegend über koaxial zu den Planetenrädern 18.1 angeordnete, mit derselben Drehzahl umlaufende beziehungsweise auf derselben Drehachse angeordnete Zwischenräder 19. Die Zwischenräder 19 können einen gegenüber dem Durchmesser der Planetenräder 18.1 abweichenden Durchmesser, hier einen kleineren Durchmesser aufweisen, um eine gewünschte Übersetzung einzustellen.

Das Hohlrad 18.2 des zweiten Planetengetriebes 18 ist mit der Drehachse der Planetenräder 16.1 des ersten Planetengetriebes 16 verbunden, so dass die Drehachse der Planetenräder 16.1 mit der Geschwindigkeit des Hohlrads 18.2 über der Drehachse der Getriebeabtriebswelle 17 umläuft.

Durch die gezeigte Ausführungsform wird ein Überlagerungsgetriebe geschaffen, welches einen hydrodynamischen Leistungszweig über den hydrodynamischen Wandler 6 und einen parallel hierzu angeordneten mechanischen, hier rein mechanischen, Leistungszweig über das erste Planetengetriebe 16 aufweist. Durch die Leitradverstellung des Leitrads 6.1 beziehungsweise der einzelnen verstellbaren Schaufeln des Leitrads 6.1 kann der Leistungsfluss über den hydrodynamischen Zweig beziehungsweise die Drehzahl des Turbinenrads 6.3 geregelt werden, welche die Drehzahl der Getriebeausgangswelle 17 beeinflusst. Die Anordnung ist dazu geeignet, für vorgegebene, über dem Flugzustand oder dem Bodenbetrieb des Flugzeugs jedoch variierende Drehzahlen von Hochdruckverdichterantriebswelle und Niederdruckverdichterantriebswelle eine konstante Leistungsübertragung von der Niederdruckverdichterantriebswelle 3.1 auf die Hochdruckverdichterantriebswelle 4.1 zu gewährleisten. Der Stirnradsatz auf dem Abtriebsende der Getriebeausgangswelle 17 ist zur Drehrichtungsumkehr vorgesehen, damit die Niederdruckverdichterantriebswelle 3.1 und die Hochdruckverdichterantriebswelle 4.1 in derselben Drehrichtung umlaufen.

Wie man bereits aus den zueinander verschiedenen Ausführungsformen gemäß der Figur 2 und 3 erkennt, kann der Getriebezweig, der parallel oder in Reihe zu der hydrodynamischen Maschine in der Triebverbindung zwischen der Niederdruckverdichterantriebswelle 3.1 und der Hochdruckverdichterantriebswelle 4.1 vorgesehen ist, im Detail verschieden ausgeführt sein, ohne vom erfindungsgemäßen Grundgedanken der Anordnung einer hydrodynamischen Maschine in der Triebverbindung abzuweichen.

Claims

Patentansprüche

1. Gasturbinentriebwerk, insbesondere Flugtriebwerk,

1.1 mit einer Brennkammer (1) und einer Gasturbine (2) zur Erzeugung von Antriebsleistung und/oder Schub;

1.2 mit einem wenigstens zweistufigen Verdichter, umfassend einen Niederdruckverdichter (3) und einen Hochdruckverdichter (4), die wenigstens mittelbar von der Gasturbine (2) antreibbar sind, um Luft oder ein Gasgemisch für die Brennkammer (1) zu verdichten, und welche jeweils eine Antriebswelle (3.1 , 4.1) aufweisen; gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1.3 der Hochdruckverdichter (4) ist über eine drehmomentübertragende Triebverbindung zwischen der Antriebswelle (3.1) des Niederdruckverdichters (3) und der Antriebswelle (4.1) des Hochdruckverdichters (4) vom Niederdruckverdichter (3) antreibbar, wobei

1.4 in der Triebverbindung eine regelbare hydrodynamische Maschine zur Übertragung der gesamten Antriebsleistung von der Niederdruckverdichterantriebswelle (3.1) auf die Hochdruckverdichterantriebswelle (4.1) oder eines Teils der Antriebsleistung angeordnet ist.

2. Triebwerk gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrodynamische Maschine, insbesondere in Form einer hydrodynamischen Kupplung (5), in Reihe zu einem mechanischen Schaltgetriebe (6), umfassend eine Vielzahl von Gangstufen mit verschiedenen Übersetzungen in der Triebverbindung angeordnet ist.

3. Triebwerk gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die hydrodynamische Maschine, insbesondere in Form eines hydrodynamischen Wandlers (6), parallel zu einem rein mechanischen

Leistungszweig (7) in der Triebverbindung angeordnet ist, und die über die hydrodynamische Maschine und den mechanischen Leistungszweig (7) übertragenen Antriebsleistungen in einem Überlagerungsgetriebe zusammengeführt werden.

4. Triebwerk gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrodynamische Kupplung (5) füllungsgesteuert ist, um wahlweise verschiedene Füllungsgrade in einem mit Arbeitsmedium befüllbaren Arbeitsraum einzustellen, um so das maximal mit der hydrodynamischen Kupplung (5) übertragbare Drehmoment und/oder die Drehzahl des Turbinenrads (5.3) der hydrodynamischen Kupplung (5) in Abhängigkeit der Drehzahl des Pumpenrads (5.2) der hydrodynamischen Kupplung (5) zu steuern oder zu regeln.

5. Triebwerk gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der hydrodynamische Wandler (6) wenigstens ein, insbesondere genau ein verstellbares Leitrad (6.1) aufweist, um das über den Wandler (6) übertragene Drehmoment und/oder die Drehzahl eines Turbinenrads (6.3) des Wandlers (6) in Abhängigkeit der Drehzahl eines Pumpenrads (6.2) des Wandlers (6) zu steuern oder zu regeln.

6. Triebwerk gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrodynamische Maschine eine ihr Pumpenrad (5.2, 6.2) tragende und/oder antreibende Antriebswelle (8) umfasst, die parallel zu und insbesondere seitlich neben, über- oder unterhalb der Drehachse der Gasturbine (2) angeordnet ist.

7. Triebwerk gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrodynamische Maschine eine ihr Turbinenrad (5.3, 6.3) tragende und/oder von diesem angetriebene Abtriebswelle (9) umfasst, die parallel zu und insbesondere seitlich neben, über- oder unterhalb der Drehachse der Gasturbine (2) angeordnet ist, und insbesondere konzentrisch innerhalb der Antriebswelle (8) oder diese umschließend angeordnet ist.

8. Triebwerk gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Triebverbindung mit der hydrodynamischen Maschine, insbesondere zusammen mit dem parallelen mechanischen Leistungszweig (7), die einzige Triebverbindung zwischen dem Niederdruckverdichter (3) und dem Hochdruckverdichter (4) beziehungsweise dessen Antriebswellen

(3.1 , 4.1) ist und insbesondere zusätzlich zu einer Triebverbindung zwischen der Gasturbine (2), insbesondere einer Hochdruckturbine (2.1) als Teil der Gasturbine (2), und dem Hochdruckverdichter (4) vorgesehen ist.

9. Triebwerk gemäß Anspruch 2 und einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltgetriebe (6) eine Eingangswelle (10) und eine hierzu parallele Nebenwelle (11) umfasst, welche mit einer Vielzahl von Zahnrädern und Schaltkupplungen (15) die verschiedenen Gangstufen, insbesondere wenigstens drei oder genau drei Gangstufen, ausbilden.

10. Triebwerk gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangswelle (10), die Antriebswelle (8) der hydrodynamischen Kupplung (5) und die Abtriebswelle (9) der hydrodynamischen Kupplung (5) koaxial zueinander angeordnet sind, wobei insbesondere die Eingangswelle (10) die Abtriebswelle (9) umschließt und die Antriebswelle (8) die

Eingangswelle (10) umschließt.

11. Verfahren zum Regeln des Antriebs der Hochdruckverdichterwelle (4.1 ) eines Triebwerks gemäß einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Leerlaufbetrieb, in welchem die

Gasturbine (2) mit einer vorgegebenen Leerlaufdrehzahl umläuft, oder im gesamten Betriebsbereich der Füllungsgrad der hydrodynamischen Kupplung (5) oder die Stellung des Leitrads (6.1) des hydrodynamischen Wandlers (6) derart geregelt wird, dass eine konstante oder im wesentlichen konstante Antriebsleistung von der

Niederdruckverdichterantriebswelle (3.1) über die Triebverbindung auf die Hochdruckverdichterantriebswelle (4.1) übertragen wird.

12. Verfahren gemäß Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die

Drehzahl der Hochdruckverdichterantriebswelle (4.1) und/oder das von der Niederdruckverdichterantriebswelle (3.1) auf die Hochdruckverdichterantriebswelle (4.1) übertragene Moment über den

Füllungsgrad der hydrodynamischen Kupplung (5) und die wahlweise Schaltung einer Gangstufe, oder über die Stellung des Leitrads (6.1) des hydrodynamischen Wandlers (6) derart eingestellt wird, dass die hydrodynamische Maschine in einem vorgegebenen Leistungsbereich maximalen Wirkungsgrads arbeitet und von diesem Leistungsbereich abweichende Betriebszustände vermieden werden.