WO2012041941A1 - Dieselmotoren/gasturbinen - verbundtriebwerk für ein transportmittel - Google Patents

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Stefan STÜCKL
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Definitions

  • Patent Application No. 10 2010 046 850.9 filed on Sep. 29, 2010, the contents of which are incorporated herein by reference.
  • the invention relates to an engine in a means of transport.
  • the invention relates to a compound engine having a diesel engine and a gas turbine, the use of such a compound engine in a
  • Transport means transport means with such a compound engine and method for driving a means of transport with such a compound engine.
  • Diesel technology is widely used as a propulsion system for automobiles, aircraft and ships. It is characterized by high efficiency, but the motors usually have a comparatively high weight. Particularly in the case of aircraft, the high mass can result in higher energy consumption and increased costs.
  • a turbocharger In order to increase the performance of the diesel engines, a turbocharger can be used in addition. This consists of an exhaust gas turbine, which uses the energy of the exhaust air from the engine to drive a supercharger in the engine
  • Turbochargers are known and common, especially in motor vehicles. Gas turbine technology is particularly used in propeller engines, but, for example, turboshaft turbines are also used in turboprop aircraft, helicopters, and heavy vehicles such as tanks. A method of operating such a gas turbine is described in WO 2009/040112 A2. Gas turbines usually consist of a compressor, a combustion chamber, as described for example in DE 103 43 049 B3, and a turbine. The efficiency of the gas turbine depends on the operating point or the load point. Summary of the invention
  • the compound engine comprises a diesel engine and a gas turbine, wherein the diesel engine and gas turbine are interconnected and cooperate such that a part of the gas turbine can be used as a turbocharger for the diesel engine.
  • the compound drive plant can meet both peak load requirements, for example when starting an aircraft, as well as continuous load requirements, for example, in the cruise of an aircraft.
  • another piston engine may be used, so for example, a gasoline engine or a gas engine.
  • Single or multiple gas turbines may be combined with single or multiple diesel engines, and single or multiple compressors and single or multiple turbines may be used as part of the turbocharger for the diesel engine. This may be advantageous for making it possible to provide redundant drive components in the system.
  • Gas turbines have a significantly better power to weight ratio than diesel engines. Therefore, they are used especially in peak load requirements. in the
  • base load operation for example, in cruise passenger air travel, is a gas turbine less efficient than a diesel engine.
  • the turbine can be used to increase the power of the drive in addition to the
  • Diesel engine are connected.
  • the exhaust gas of the diesel engine can be used by one or more power turbines.
  • the gas turbine of the first embodiment is a gas turbine of the first type.
  • Composite engine at least two separate compressors and two turbines on.
  • the compressors and turbines are connected in parallel on separate shafts and at least one compressor and a turbine may serve as part of the turbocharger for the diesel engine.
  • the turbocharger system are usually the
  • a gas turbine may have an air mass flow of 7 kg / s, the turbocharged diesel engine requiring an air mass flow of 1 kg / s.
  • appropriate throttle valves can be used.
  • the speeds also differ, depending on the operation in which compressor and turbine run. In turbocharger operation, about one third of the maximum speed is required. In gas turbine mode, the speed
  • the gas turbine has a common combustion chamber for the turbines. Sharing saves the system weight, material and costs.
  • the compound engine is operated via the gas turbine in peak load operation.
  • This has the advantage that the air mass flow rate of the gas engine in peak load operation is high and the drive can thus be operated with weight efficiency.
  • the diesel engine can be switched off in this operation, run as a naturally aspirated engine without turbocharger or charged with bleed air from the low-pressure turbine. In peak load operation can So the gas turbine can be operated alone. Alternatively, gas turbine and diesel engine can be used simultaneously.
  • Composite engine operated solely by the diesel engine, wherein at least one compressor and at least one turbine as part of the turbocharger for the
  • Diesel engine can be used. In continuous load operation so can the
  • Turbocharger operated.
  • the compound engine via the diesel engine or the gas turbine is operable.
  • the pre-compression through the turbocharger reduces the compression by the piston of the engine and thus the required stroke, the mass and the installation space of the diesel engine.
  • the air and exhaust mass flows differ in comparison to a combined drive via diesel engine and gas turbine and in comparison to a pure drive via the gas turbine. This difference in the air and exhaust mass flows in the different modes is caused by the different ones
  • Compressing may occur, which in the turbocharger diesel engine operation with a shows only low performance increase. This means that the use of a single compressor and a single turbine as a turbocharger for the diesel engine can lead to a high compression of the air and thus to an increased performance of the diesel engine.
  • the gas turbine may, for example, have a multi-stage compressor of which only a part, in particular a compressor stage, is used as a turbocharger for the diesel engine.
  • the compound engine
  • Check valves for example, to control the supply of fresh air, to control the gas supply to the combustion chamber, to control the gas supply to the turbines.
  • the check valves are open allowing operation of each compressor and each turbine, in continuous load operation, the valves allow only the operation of those compressors and those turbines which serve as turbochargers for the diesel engine.
  • the compound engine includes a first output shaft, a first clutch, a first transmission, a second transmission, and a main output shaft, wherein the first output shaft of the gas turbine via the first transmission, the first clutch and the second transmission with the main output shaft connected is.
  • the compound engine further includes a second output shaft and a second clutch, wherein the second
  • Output shaft of the diesel engine is connected via the second clutch to the second transmission and the second transmission is connected to the main output shaft.
  • the output shafts of gas turbine and diesel engine run at different speeds and the mechanical power of each shaft can be brought via the respective transmission to a common main output shaft. If only the gas turbine or the diesel engine is in operation, the output shaft of the inactive component can be separated from the transmission by means of a clutch. This is also advantageous for reasons of safety, because at any time the components can be separated from the gearbox by the corresponding couplings.
  • the compound engine further includes a third clutch, wherein a turbine used for the turbocharger can be separated from the first transmission by the third clutch.
  • the gas turbine is connected in series in the sense of a classic multi-shaft engine, wherein the gas turbine high and low pressure turbines and high and low pressure compressor, with low pressure compressor and turbine or high pressure compressor and turbine running on separate shafts.
  • a power turbine can be connected downstream on a separate shaft.
  • the separate waves can be carried out individually or combined in a hollow shaft.
  • the turbines and compressors may be implemented in separate components or integrated in a common housing.
  • the smaller dimensions of the high pressure section compared to the low pressure section of the gas turbine enable operation with lower air mass flow rates for the turbocharger in diesel operation. Since the flow conditions in both modes are similar, the part of the gas turbine running in the high pressure region can be used as a turbocharger for the diesel operation, while the part of the
  • Gas turbine operating at low pressure is not used for the turbocharger.
  • the power turbine can optionally run in turbocharger operation and use residual energy of the exhaust air.
  • the transmission is not disconnected from the power turbine by a clutch.
  • the high pressure part can be designed for a common operating point. This working point can be replaced by a
  • Diffuser adjustment can be adapted to the respective operating mode.
  • the compound engine
  • Generators on which replace the clutches and mechanical transmission at least partially are provided, but instead electrical transmissions that generate electrical work via generators.
  • the useful power to the output shafts can therefore not only be used mechanically but also electrically.
  • the generators convert the mechanical power of the respective output shafts into electrical power and this can be done with the help of power electronics, such as a
  • Power regulator used as an electric drive or in a
  • the compound engine is used in a means of transportation. Similarly, the compound engine in one
  • a means of transport is provided with a compound engine, wherein the means of transport may be an airplane, a helicopter, a vertical launcher or a watercraft, or another means of transport in which the difference between base load and peak demand is required is correspondingly high.
  • a method of driving a means of transport comprising the steps of, for example: driving a transport means with a gas turbine while simultaneously operating the diesel engine is switched over to the drive of the vehicle
  • Means of transport with a diesel engine When driving the means of transport with a diesel engine, a part of the gas turbine can be used as a turbocharger for the diesel engine.
  • a method of driving a means of transport comprising the steps of, for example, driving a transport means with a diesel engine, wherein a part of the gas engine can be used as a turbocharger gas turbine. Subsequently, the drive of the means of transport can be done with a gas turbine, at the same time the
  • Diesel engine can be operated.
  • FIG. 1 schematically shows a compound engine 100 having a gas turbine 101 and a diesel engine 16, wherein a part of the gas turbine 101 can serve as a turbocharger 102 for the diesel engine 16.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram for a parallel arrangement of compressors 11, 12 and turbines 17, 18.
  • FIG. 3 shows a circuit diagram for a serial arrangement of compressors 301, 302 and turbines 303, 304 with a power turbine 305.
  • FIG. 4 shows a circuit diagram for a serial arrangement of compressors 301, 302 and turbines 303, 304 without the power turbine 305.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment with electrical gear 501, 502. Via a power regulator 503, the generated electrical energy can also be fed into a consumer network via a corresponding line 504.
  • FIG. 6 shows a block diagram of a method for driving a
  • Means of transport and switching from one drive to another drive a means of transport Means of transport and switching from one drive to another drive a means of transport.
  • FIG. 7 shows a block diagram of a method for driving a
  • Means of transport and switching from one drive to another drive a means of transport Means of transport and switching from one drive to another drive a means of transport.
  • FIG. 8 shows an aircraft 800 with compound engines 100.
  • FIG. 9 shows a helicopter 900 with a compound engine 100. Detailed description of embodiments
  • FIG. 1 schematically shows a compound engine 100 having a gas turbine 101 and a diesel engine 16, wherein a part of the gas turbine 101 can serve as a turbocharger 102 for the diesel engine 16.
  • the combustor 14 may be a common combustor for the compressors 11, 12 and the turbines 17, 18, or multiple combustors may be used.
  • Figure 2 shows a circuit diagram for a compound engine 100 for a parallel
  • air is passed via the fresh air supply 10 in the compressor 11, 12, where it is compressed. From there she can over one
  • Line assembly 22 enter the combustion chamber 14, where the gas is heated. By means of a line arrangement 23, the heated gas passes from the combustion chamber
  • the shafts 13, 15 are coupled to a first transmission 1, wherein the shaft 15 can be decoupled in the turbocharger operation by a clutch 5 from the transmission 1.
  • the diesel engine 16 may be connected by a line assembly 25 to one of the turbines 18, which uses the energy of the exhaust gas in turbocharger operation to drive via shaft 15 a compressor 12, the over
  • Line assembly 24 the diesel engine 16 can perform pre-compressed air. About the valves 7, 8, 9, the air circuit with respect to the unused portion of the gas turbine can be closed.
  • the diesel engine 16 runs on a crankshaft 20, which is coupled to a transmission 2 and which can be decoupled from the transmission 2 via a clutch 4.
  • the transmission 2 in turn is connected to a main output shaft 21, which can drive a propeller 30, for example.
  • Figure 3 shows a circuit diagram for a compound engine 100 for a serial
  • this arrangement comprises a low pressure compressor 301, a high pressure compressor 302, a high pressure turbine 303, a low pressure turbine 304 and a power turbine 305 on.
  • Low pressure compressor 301 and low pressure turbine 304 are on one shaft, high pressure compressor 302 and high pressure turbine 303 are on another shaft and power turbine 305 is on another shaft.
  • the separate waves are represented by a shaft 311. This can be realized for example by a hollow shaft.
  • Air is passed through a fresh air supply 10 in the low pressure compressor 301, where it is pre-compressed. Via the line arrangement 306, the precompressed air passes into the high-pressure compressor 302, which further compresses the air.
  • the compressed air Via line 22, the compressed air enters the combustion chamber 14, where it is heated, and via line 23 it enters the high-pressure turbine 303, further via a line arrangement 307 in the Low-pressure turbine 304 and a further line arrangement 308 in the power turbine 305, where in each case by removal of energy from the heated gas, a torque is generated.
  • An exhaust duct 309 leads the exhaust gas from the high-pressure turbine out of the system, and an exhaust duct 19 carries the exhaust gas from the power turbine out of the system.
  • the low-pressure turbine can also be a
  • Exhaust guide 309 closed. Via a coupling 3, the shaft 311 is connected to the transmission 2.
  • the diesel engine 16 is connected via the crankshaft 20 via the clutch 4 to the transmission 2, which in turn is connected to the main output shaft 21.
  • Compressor 302 and turbine 303 of the gas turbine operating at high pressure may serve as parts of the turbocharger 102.
  • the diesel engine 16 may be connected by a line 25 to one of the turbines 303, which uses the energy of the exhaust gas to drive via the shaft 311 a compressor 302, which can supply via the line 24 to the diesel engine 16 pre-compressed air.
  • the fresh air for the compressor 302 comes in this case from a fresh air supply 310, since in the turbocharger operation, the fresh air supply 10 is closed via a corresponding valve.
  • FIG. 4 shows the arrangement of FIG. 3 without a power turbine.
  • the exhaust air is led out of the system via the exhaust duct 19 on the low-pressure turbine 304 instead of on the power turbine 305.
  • FIG. 5 shows the arrangement of FIG. 4 without mechanical transmission 2 and instead with generators 501, 502, which are generated by the generators electrical energy can serve as a drive of the main output shaft 21 or can be fed via a line 504 in a consumer network.
  • a power regulator 503 can be used to combine the electrical energy from the generators, which can run at different speed, voltage and frequency, to a common voltage and frequency. For reconversion into mechanical energy, a separate electric motor can be provided.
  • FIG. 6 shows a block diagram of a method for driving a means of transport and switching from one drive to another drive of a means of transport.
  • a transport means is driven by a gas turbine, wherein the diesel engine can run with it.
  • a switchover from the gas turbine to the diesel engine occurs.
  • the transport of the means of transport with the diesel engine is performed, wherein a part of the gas turbine can be used as a turbocharger for the diesel engine or is used.
  • FIG. 7 shows a block diagram of a method for driving a
  • Transport means wherein in step 603 the driving of the means of transport takes place with a diesel engine, wherein a part of the gas turbine can be used as a turbocharger for the diesel engine.
  • step 701 switching from the diesel engine to the gas turbine occurs.
  • step 601 then the driving of the means of transport with a gas turbine, wherein the diesel engine can run with it.
  • FIG. 8 shows an aircraft 800 with a plurality of compound engines 100.
  • FIG. 9 shows a helicopter 900 with a compound engine 100, wherein the
  • Composite engine 100 can be housed completely or partially directly on the rotor, under or in the helicopter.

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Abstract

Verbundtriebwerk für ein Transportmittel, das eine Gasturbine (101) und einen Dieselmotor (16) aufweist, wobei ein Teil der Gasturbine als Turbolader für den Dieselmotor verwendet werden kann.

Description

Dieselmotoren/Gasturbinen - Verbundtriebwerk für ein Transportmittel
Bezug auf zugehörige Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen
Patentanmeldung Nr. 10 2010 046 850.9, eingereicht am 29. September 2010, deren Inhalte hierin durch Referenz inkorporiert werden. Die Erfindung betrifft ein Triebwerk in einem Transportmittel. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verbundtriebwerk, das einen Dieselmotor und eine Gasturbine aufweist, die Verwendung eines solchen Verbundtriebwerks in einem
Transportmittel, Transportmittel mit einem solchen Verbundtriebwerk und Verfahren zum Antreiben eines Transportmittels mit einem solchen Verbundtriebwerk.
Hintergrund der Erfindung
Sowohl Dieselantriebe als auch Gasturbinenantriebe finden im derzeitigen Stand der Technik Verwendung.
Die Dieseltechnologie ist als Antrieb bei Kraftfahrzeugen, bei Luftfahrzeugen und bei Schiffen weit verbreitet. Sie zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus, die Motoren weisen aber üblicherweise ein vergleichsweise hohes Gewicht auf. Insbesondere bei Luftfahrzeugen können sich aus der hohen Masse ein höherer Energieverbrauch und vermehrte Kosten ergeben.
Um die Leistung der Dieselmotoren zu steigern, kann zusätzlich ein Turbolader verwendet werden. Dieser besteht aus einer Abgasturbine, die die Energie der Abluft des Motors nutzt um einen Vorverdichter anzutreiben, der im Motor den
Gemischdurchsatz pro Arbeitstakt und damit die Leistung des Motors erhöht.
Turbolader sind insbesondere bei Kraftfahrzeugen bekannt und verbreitet. Die Gasturbinentechnologie ist insbesondere bei Propellermaschinen im Einsatz, aber es werden beispielsweise auch Wellenleistungsturbinen in Turboprop- Flugzeugen, Hubschraubern und schweren Fahrzeugen, wie z.B. Panzern, verwendet. Ein Verfahren, eine solche Gasturbine zu betreiben, ist in WO 2009/040112 A2 beschrieben. Gasturbinen bestehen üblicherweise aus einem Verdichter, einer Brennkammer, wie sie beispielsweise in DE 103 43 049 B3 beschrieben wird, und einer Turbine. Der Wirkungsgrad der Gasturbine hängt vom Betriebspunkt bzw. vom Lastpunkt ab. Zusammenfassung der Erfindung
Es kann als Aufgabe der Erfindung gesehen werden, einen verbrauchseffizienteren Antrieb für ein Transportmittel bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche, wobei beispielhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen verkörpert sind. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist das Verbundtriebwerk einen Dieselmotor und eine Gasturbine auf, wobei Dieselmotor und Gasturbine derart miteinander verbunden sind und zusammenwirken, dass ein Teil der Gasturbine als Turbolader für den Dieselmotor verwendet werden kann. Dies hat den Vorteil, dass das Verbundtrieb werk sowohl Spitzenlastanforderungen, beispielsweise beim Start eines Flugzeugs, als auch Dauerlastanforderungen, beispielsweise im Reiseflug eines Flugzeugs, erfüllen kann. Durch die gemeinsame Nutzung von Systemkomponenten durch Gastriebwerk und Dieselmotor, insbesondere von einem oder mehreren Verdichtern und einer oder mehrerer Turbinen, können Gewicht und damit auch Material, Energie und Kosten eingespart werden. Insbesondere ist der Antrieb verbrauchseffizient. Statt des in Anspruch 1 benannten Dieselmotors kann auch ein anderer Kolbenmotor verwendet werden, also beispielsweise auch ein Otto- oder ein Gasmotor. Es können einzelne oder mehrere Gasturbinen mit einzelnen oder mehreren Dieselmotoren kombiniert werden und es können einzelne oder mehrere Verdichter und einzelne oder mehrere Turbinen als Teil des Turboladers für den Dieselmotor verwendet werden. Dies kann vorteilhaft sein, damit es möglich ist, im System redundante Antriebskomponenten bereitzustellen.
Gasturbinen weisen ein deutlich besseres Leistungsgewicht als Dieselmotoren auf. Daher werden sie insbesondere bei Spitzenlastanforderungen eingesetzt. Im
Grundlastbetrieb, beispielsweise im Reiseflugverkehr eines Passagierflugzeugs, ist eine Gasturbine jedoch weniger effizient als ein Dieselmotor.
Während daher für kurzzeitige Spitzenlasten die Gasturbinentechnologie besser geeignet ist, sind für den Grundlastbetrieb im Reiseverkehr die effizienten, aber schweren Dieselmotoren besser geeignet.
Die Turbine kann zur Leistungssteigerung des Antriebs zusätzlich zu dem
Dieselmotor hinzugeschaltet werden. Dabei kann das Abgas des Dieselmotors von einer oder mehreren Nutzturbinen weiter verwendet werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform weist die Gasturbine des
Verbundtriebwerks mindestens zwei separate Verdichter und zwei Turbinen auf. Dabei sind Verdichter und Turbinen auf separaten Wellen parallel geschaltet und mindestens ein Verdichter und eine Turbine kann als Teil des Turboladers für den Dieselmotor dienen. Im Turbolader-System sind üblicherweise die
Luftmassenströme durch das System, und insbesondere durch Verdichter und Turbine, wesentlich geringer als bei einer Gasturbine. Eine Gasturbine kann beispielsweise einen Luftmassenstrom von 7 kg/s aufweisen, der Dieselmotor im Turbolader-Betrieb einen Luftmassenstrom von 1 kg/s benötigen. Um geringere Luftmassenströme bereit zu stellen, können entsprechende Drosselventile verwendet werden. Auch die Drehzahlen unterscheiden sich, je nachdem, in welchem Betrieb Verdichter und Turbine laufen. Im Turbolader-Betrieb wird ca. ein Drittel der maximalen Drehzahl benötigt. Im Gasturbinenmodus kann die Drehzahl
beispielsweise 14000 RPM betragen, im Turbolader-Betrieb 4700 RPM.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform weist die Gasturbine eine gemeinsame Brennkammer für die Turbinen auf. Eine gemeinsame Nutzung erspart dem System wiederum Gewicht, Material und Kosten. Es ist jedoch auch möglich, beispielsweise um redundante Systeme zu erzeugen, dass mehrere Brennkammern eingebaut werden. Dabei ist es möglich, dass jeweils ein Verdichter und eine Turbine über eine Brennkammer verbunden sind, oder auch, dass einige Verdichter und Turbinen separate Brennkammern besitzen und andere Verdichter und Turbinen sich eine gemeinsame Brennkammer teilen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird im Spitzenlastbetrieb das Verbundtrieb werk über die Gasturbine betrieben. Das hat den Vorteil, dass der Luftmassendurchsatz des Gastriebwerks im Spitzenlastbetrieb hoch ist und der Antrieb damit gewichtseffizient betrieben werden kann. Der Dieselmotor kann in diesem Betrieb abgeschaltet sein, als Saugmotor ohne Turbolader mitlaufen oder mit Zapfluft aus der Niederdruckturbine aufgeladen werden. Im Spitzenlastbetrieb kann also die Gasturbine alleine betrieben werden. Alternativ können Gasturbine und Dieselmotor gleichzeitig verwendet werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird im Dauerlastbetrieb das
Verbundtriebwerk lediglich über den Dieselmotor betrieben, wobei mindestens ein Verdichter und mindestens eine Turbine als Teil des Turboladers für den
Dieselmotor verwendet werden können. Im Dauerlastbetrieb kann also der
Dieselmotor alleine oder der Dieselmotor mit einem Teil der Gasturbine als
Turbolader betrieben werden. Damit ist das Verbundtriebwerk über den Dieselmotor oder die Gasturbine betreibbar. Durch die Vorverdichtung durch den Turbolader reduziert sich die Verdichtung durch den Kolben des Motors und der damit benötigte Hub, die Masse und der Bauraum des Dieselmotors.
Wird das Verbundtriebwerk über den Dieselmotor alleine betrieben, unterscheiden sich die Luft- und Abgasmasseströme im Vergleich zu einem kombinierten Antrieb über Dieselmotor und Gasturbine sowie im Vergleich zu einem reinen Antrieb über die Gasturbine. Dieser Unterschied in den Luft- und Abgasmasseströme bei den verschiedenen Betriebsarten wird verursacht durch die unterschiedliche
Stöchiometrie im Verbrennungsvorgang von Dieselmotor und Gasturbine, d.h. durch das unterschiedliche Verhältnis von Luft zu Kraftstoff beim Dieselmotor bzw. bei der Gasturbine.
Insbesondere im Fall geringer Luftmassenströme bei Betrieb des Verbundtrieb werks über den Dieselmotor kann es vorteilhaft sein, die Abgase des Dieselmotors nicht durch alle Komponenten der Gasturbine zu führen, da ein geringer Luftmassenstrom, der mehrere Verdichter und Turbinen durchläuft, d.h. dass für den Dieselmotor mehrere Gasturbinen als Turbolader genutzt werden, eine lediglich geringe
Verdichtung erzielen mag, womit sich im Dieselmotorbetrieb mit Turbolader eine lediglich geringe Leistungssteigerung zeigt. Dies bedeutet, dass die Verwendung eines einzelnen Verdichters und einer einzelnen Turbine als Turbolader für den Dieselmotor zu einer hohen Verdichtung der Luft und damit zu einer erhöhten Leistungssteigerung des Dieselmotors führen kann.
Die Gasturbine kann beispielsweise einen mehrstufigen Verdichter aufweisen, von dem lediglich ein Teil, insbesondere eine Verdichterstufe, als Turbolader für den Dieselmotor genutzt wird. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform weist das Verbundtriebwerk
Sperrventile auf, die beispielsweise zur Regelung der Frischluftzufuhr, zur Regelung der Gaszufuhr in die Brennkammer, zur Regelung der Gaszufuhr zu den Turbinen. Im Spitzenlastbetrieb sind die Sperrventile geöffnet und ermöglichen das Betreiben jeden Verdichters und jeder Turbine, im Dauerlastbetrieb ermöglichen die Ventile nur das Betreiben derjenigen Verdichter und derjenigen Turbinen, die als Turbolader für den Dieselmotor dienen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform weist das Verbundtriebwerk eine erste Abtriebswelle, eine erste Kupplung, ein erstes Getriebe, ein zweites Getriebe und eine Hauptabtriebswelle auf, wobei die erste Abtriebswelle der Gasturbine über das erste Getriebe, über die erste Kupplung und über das zweite Getriebe mit der Hauptabtriebswelle verbunden ist.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform weist das Verbundtriebwerk weiterhin eine zweite Abtriebswelle und eine zweite Kupplung auf, wobei die zweite
Abtriebswelle des Dieselmotors über die zweite Kupplung mit dem zweiten Getriebe verbunden ist und das zweite Getriebe mit der Hauptabtriebswelle verbunden ist. Die Abtriebswellen von Gasturbine und Dieselmotor laufen mit unterschiedlichen Drehzahlen und die mechanische Leistung jeder Welle kann über die jeweiligen Getriebe auf eine gemeinsame Hauptabtriebswelle gebracht werden. Ist nur die Gasturbine oder der Dieselmotor in Betrieb, kann die Abtriebswelle der inaktiven Komponente mittels einer Kupplung vom Getriebe getrennt werden. Dies ist außerdem aus Gründen der Sicherheit vorteilhaft, weil durch die entsprechenden Kupplungen jederzeit die Komponenten vom Getriebe getrennt werden können.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform weist das Verbundtriebwerk weiterhin eine dritte Kupplung auf, wobei eine für den Turbolader verwendete Turbine durch die dritte Kupplung vom ersten Getriebe getrennt werden kann.
Wenn ein Teil der Gasturbine als Turbolader für den Dieselmotor verwendet wird, wird dieser Teil durch entsprechende Kupplungen und Ventile aus dem Betrieb der Gasturbine ausgekoppelt. Dadurch ist auch ein gleichzeitiger Betrieb des
Dieselmotors mit Turbolader und dem Rest der Gasturbine möglich.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist die Gasturbine seriell im Sinne eines klassischen Mehrwellentriebwerks geschaltet, wobei die Gasturbine Hoch- und Niederdruckturbinen sowie Hoch- und Niederdruckverdichter aufweist, wobei Niederdruckverdichter und -turbine bzw. Hochdruckverdichter und -turbine auf separaten Wellen laufen. Dies hat den Vorteil, dass Nieder- und Hochdruckturbinen mit unterschiedlichen Drehzahlen laufen können. Wahlweise kann auf einer weiteren separaten Welle eine Arbeitsturbine nachgeschaltet sein. Die separaten Wellen können einzeln ausgeführt oder in einer Hohlwelle zusammengefasst sein. Die Turbinen und Verdichter können in separaten Bauteilen ausgeführt oder in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sein. Die kleineren Abmessungen des Hochdruckteils im Vergleich zum Niederdruckteil der Gasturbine ermöglichen den Betrieb mit niedrigeren Luftmassenströmen für den Turbolader im Dieselbetrieb. Da die Strömungsverhältnisse in beiden Betriebsarten ähnlich sind, kann der Teil der Gasturbine, der im Hochdruckbereich läuft, als Turbolader für den Dieselbetrieb verwendet werden, während der Teil der
Gasturbine, der im Niederdruck arbeitet, nicht für den Turbolader verwendet wird. Die Arbeitsturbine kann im Turbolader-Betrieb wahlweise mitlaufen und Restenergie der Abgasluft nutzen. In diesem Fall wird das Getriebe nicht durch eine Kupplung von der Arbeitsturbine getrennt. Der Hochdruckteil kann für einen gemeinsamen Arbeitspunkt ausgelegt werden. Dieser Arbeitspunkt kann durch eine
Leitradverstellung an die jeweilige Betriebsart angepasst werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform weist das Verbundtriebwerk
Generatoren auf, welche die Kupplungen und mechanischen Getriebe zumindest teilweise ersetzen. Beispielsweise sind keine Kupplungen und mechanische Getriebe vorgesehen, sondern stattdessen elektrische Getriebe, die über Generatoren elektrische Arbeit erzeugen. Die Nutzleistung an den Abtriebswellen kann also nicht nur mechanisch, sondern auch elektrisch genutzt werden. Die Generatoren wandeln die mechanische Leistung der jeweiligen Abtriebswellen in elektrische Leistung um und diese kann mit Hilfe von Leistungselektronik, beispielsweise einem
Leistungsregler, als elektrischer Antrieb verwendet werden oder auch in ein
Verbrauchernetz eingespeist werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird das Verbundtriebwerk in einem Transportmittel verwendet. Genauso kann das Verbundtriebwerk in einem
stationären System verwendet werden, falls zum Beispiel dieses System Grundlastals auch Spitzenlastanforderungen benötigt und Gewichtseinsparung eine Rolle spielt. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Transportmittel mit einem Verbundtriebwerk bereitgestellt, wobei es sich bei dem Transportmittel um ein Flugzeug, einen Helikopter, einen Senkrechtstarter oder ein Wasserfahrzeug handeln kann oder auch um ein anderes Transportmittel, bei dem der Unterschied zwischen Grundlast- und Spitzenlastbedarf entsprechend hoch ist.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Antreiben eines Transportmittels bereitgestellt, welches beispielhaft die folgenden Schritte aufweist: Vom Antreiben eines Transportmittels mit einer Gasturbine, wobei gleichzeitig der Dieselmotor betrieben werden kann, wird umgeschaltet auf den Antrieb des
Transportmittels mit einem Dieselmotor. Beim Antrieb des Transportmittel mit einem Dieselmotor kann ein Teil der Gasturbine als Turbolader für den Dieselmotor genutzt werden. Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Antreiben eines Transportmittels bereitgestellt, welches beispielhaft die folgenden Schritte aufweist: Vom Antreiben eines Transportmittels mit einem Dieselmotor, wobei ein Teil des Gastriebwerks als Turbolader genutzt werden kann, wird umgeschaltet auf den Antrieb des Transportmittels mit einer Gasturbine. Anschließend kann der Antrieb des Transportmittels mit einer Gasturbine erfolgen, wobei gleichzeitig der
Dieselmotor betrieben werden kann.
Kurze Beschreibung der Figuren Beispielhafte Ausführungsformen werden im Folgenden mit Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben. Figur 1 zeigt schematisch ein Verbundtriebwerk 100, das eine Gasturbine 101 und einen Dieselmotor 16 aufweist, wobei ein Teil der Gasturbine 101 als Turbolader 102 für den Dieselmotor 16 dienen kann. Figur 2 zeigt ein Schaltbild für eine parallele Anordnung von Verdichtern 11, 12 und Turbinen 17, 18.
Figur 3 zeigt ein Schaltbild für eine serielle Anordnung von Verdichtern 301, 302 und Turbinen 303, 304 mit einer Arbeitsturbine 305.
Figur 4 zeigt ein Schaltbild für eine serielle Anordnung von Verdichtern 301, 302 und Turbinen 303, 304 ohne der Arbeitsturbine 305.
Figur 5 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform mit elektrischem Getriebe 501, 502. Über einen Leistungsregler 503 kann die erzeugte elektrische Energie auch in ein Verbrauchernetz über eine entsprechende Leitung 504 eingespeist werden.
Figur 6 zeigt ein Blockschaltbild eines Verfahrens zum Antreiben eines
Transportmittels und das Umschalten von einem Antrieb zu einem anderen Antrieb eines Transportmittels.
Figur 7 zeigt ein Blockschaltbild eines Verfahrens zum Antreiben eines
Transportmittels und das Umschalten von einem Antrieb zu einem anderen Antrieb eines Transportmittels.
Figur 8 zeigt ein Flugzeug 800 mit Verbundtriebwerken 100.
Figur 9 zeigt einen Helikopter 900 mit einem Verbundtriebwerk 100. Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Die Darstellung in den Figuren ist schematisch und nicht maßstäblich. Für die gleichen oder ähnlichen Elemente werden die gleichen Bezugsziffern verwendet.
Figur 1 zeigt schematisch ein Verbundtriebwerk 100, das eine Gasturbine 101 und einen Dieselmotor 16 aufweist, wobei ein Teil der Gasturbine 101 als Turbolader 102 für den Dieselmotor 16 dienen kann. Die Brennkammer 14 kann eine gemeinsame Brennkammer für die Verdichter 11, 12 und die Turbinen 17, 18 sein, oder es können mehrere Brennkammern verwendet werden.
Figur 2 zeigt ein Schaltbild für ein Verbundtriebwerk 100 für eine parallele
Anordnung von Verdichtern 11, 12 und Turbinen 17, 18 und einen Dieselmotor 16 sowie mechanische Getriebe 1, 2. Der Verdichter 11 und die Turbine 17 sitzen dabei auf einer Welle 13, der Verdichter 12 und die Turbine 18 sitzen auf einer weiteren Welle 15 und der Dieselmotor sitzt ebenso auf einer eigenen Welle 20.
Beim dargestellten Konzept wird Luft über die Frischluftzufuhr 10 in die Verdichter 11, 12 geleitet, wo diese verdichtet wird. Von dort aus kann sie über eine
Leitungsanordnung 22 in die Brennkammer 14 gelangen, wo das Gas erhitzt wird. Mittels einer Leitungsanordnung 23 gelangt das erhitzte Gas von der Brennkammer
14 in die Turbinen 17, 18, durch welche ein Drehmoment für die jeweilige Welle 13,
15 erzeugt wird. Über eine Abgasführung 19 gelangt das Abgas aus dem System. Es ist möglich, dass die jeweiligen Leitungsanordnungen und die Abgasführung von den Komponenten beider Wellen gemeinsam genutzt werden und es ist ebenso möglich, dass die jeweiligen Leitungen und Führungen für jede Welle separat ausgeführt sind. Die Wellen 13, 15 sind an ein erstes Getriebe 1 gekoppelt, wobei die Welle 15 im Turbolader-Betrieb durch eine Kupplung 5 vom Getriebe 1 losgekoppelt werden kann. Der Dieselmotor 16 kann durch eine Leitungsanordnung 25 an eine der Turbinen 18 angeschlossen werden, die im Turbolader-Betrieb die Energie des Abgases nutzt um über Welle 15 einen Verdichter 12 anzutreiben, der über
Leitungsanordnung 24 dem Dieselmotor 16 vorverdichtete Luft zuführen kann. Über die Ventile 7, 8, 9 kann der Luftkreislauf gegenüber dem nicht genutzten Teil der Gasturbine geschlossen werden. Der Dieselmotor 16 läuft auf einer Kurbelwelle 20, die an ein Getriebe 2 gekoppelt ist und die über eine Kupplung 4 vom Getriebe 2 losgekoppelt werden kann. Das Getriebe 2 wiederum ist mit einer Hauptabtriebswelle 21 verbunden, die beispielsweise einen Propeller 30 antreiben kann.
Figur 3 zeigt ein Schaltbild für ein Verbundtriebwerk 100 für eine serielle
Anordnung von Verdichtern 301, 302 und Turbinen 303, 304, 305 und einen Dieselmotor 16 sowie ein mechanisches Getriebe 2. Dabei weist diese Anordnung einen Niederdruckverdichter 301, einen Hochdruckverdichter 302, eine Hochdruckturbine 303, eine Niederdruckturbine 304 und eine Arbeitsturbine 305 auf.
Niederdruckverdichter 301 und Niederdruckturbine 304 befinden sich auf einer Welle, Hochdruckverdichter 302 und Hochdruckturbine 303 befinden sich auf einer weiteren Welle, und die Arbeitsturbine 305 befindet sich auf einer weiteren Welle.
Die separaten Wellen werden durch eine Welle 311 dargestellt. Dies kann beispielsweise durch eine Hohlwelle realisiert sein. Luft wird über eine Frischluftzufuhr 10 in den Nieder druckver dichter 301 geleitet, wo diese vorverdichtet wird. Über die Leitungsanordnung 306 gelangt die vorverdichtete Luft in den Hochdruckverdichter 302, der die Luft weiter verdichtet. Über Leitung 22 gelangt die verdichtete Luft in die Brennkammer 14, wo sie erhitzt wird, und über Leitung 23 gelangt sie in die Hochdruckturbine 303, weiterhin über eine Leitungsanordnung 307 in die Niederdruckturbine 304 und über eine weitere Leitungsanordnung 308 in die Arbeitsturbine 305, wo jeweils durch Entnahme von Energie aus dem erhitzten Gas ein Drehmoment erzeugt wird. Eine Abgasführung 309 führt das Abgas von der Hochdruckturbine aus dem System, eine Abgasführung 19 führt das Abgas von der Arbeitsturbine aus dem System. Die Niederdruckturbine kann ebenfalls eine
Abgasführung aufweisen.
Wenn die Arbeitsturbine läuft, ist nur die Abgasführung 19 offen und die
Abgasführung 309 geschlossen. Über eine Kupplung 3 ist die Welle 311 mit dem Getriebe 2 verbunden. Der Dieselmotor 16 ist über die Kurbelwelle 20 über die Kupplung 4 mit dem Getriebe 2 verbunden, das wiederum mit der Hauptabtriebswelle 21 verbunden ist. Verdichter 302 und Turbine 303 der Gasturbine, die unter Hochdruck arbeiten, können als Teile des Turboladers 102 dienen. Der Dieselmotor 16 kann durch eine Leitung 25 an eine der Turbinen 303 angeschlossen werden, die die Energie des Abgases nutzt um über die Welle 311 einen Verdichter 302 anzutreiben, der über die Leitung 24 dem Dieselmotor 16 vorverdichtete Luft zuführen kann. Die Frischluft für den Verdichter 302 kommt in diesem Fall aus einer Frischluftzuführung 310, da im Turbolader-Betrieb die Frischluftzuführung 10 über ein entsprechendes Ventil geschlossen wird.
Figur 4 zeigt die Anordnung der Figur 3 ohne Arbeitsturbine. In diesem Fall wird die Abluft über die Abgasführung 19 an der Niederdruckturbine 304 aus dem System geführt statt an der Arbeitsturbine 305. Figur 5 zeigt die Anordnung der Figur 4 ohne mechanisches Getriebe 2 und stattdessen mit Generatoren 501, 502, wobei die durch die Generatoren erzeugte elektrische Energie als Antrieb der Hauptabtriebswelle 21 dienen kann oder über eine Leitung 504 in ein Verbrauchernetz eingespeist werden kann. Ein Leistungsregler 503 kann dazu dienen, die elektrische Energie aus den Generatoren, die bei unterschiedlicher Drehzahl, Spannung und Frequenz laufen können, zu einer gemeinsamen Spannung und Frequenz zusammenzuführen. Zur Rückwandlung in mechanische Energie kann ein separater Elektromotor vorgesehen sein.
Figur 6 zeigt ein Blockschaltbild eines Verfahrens zum Antreiben eines Transportmittels und das Umschalten von einem Antrieb zu einem anderen Antrieb eines Transportmittels. In Schritt 601 erfolgt das Antreiben eines Transportmittels mit einer Gasturbine, wobei der Dieselmotor mitlaufen kann. In Schritt 602 erfolgt ein Umschalten von der Gasturbine auf den Dieselmotor. In Schritt 603 erfolgt das Antreiben des Transportmittels mit dem Dieselmotor, wobei ein Teil der Gasturbine als Turbolader für den Dieselmotor verwendet werden kann bzw. verwendet wird.
Figur 7 zeigt ein Blockschaltbild eines Verfahrens zum Antreiben eines
Transportmittels, bei dem in Schritt 603 das Antreiben des Transportmittels mit einem Dieselmotor erfolgt, wobei ein Teil der Gasturbine als Turbolader für den Dieselmotor verwendet werden kann. In Schritt 701 erfolgt das Umschalten von dem Dieselmotor auf die Gasturbine. In Schritt 601 erfolgt dann das Antreiben des Transportmittels mit einer Gasturbine, wobei der Dieselmotor mitlaufen kann.
Figur 8 zeigt ein Flugzeug 800 mit mehreren Verbundtriebwerken 100. Figur 9 zeigt einen Helikopter 900 mit einem Verbundtrieb werk 100, wobei das
Verbundtriebwerk 100 ganz oder teilweise direkt am Rotor, unter oder im Helikopter untergebracht sein kann. Im Folgenden werden beispielhafte Rahmendaten wiedergegeben:
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Es sei angemerkt, dass der Begriff„umfassend" weitere Elemente oder
Verfahrens schritte nicht ausschließt, ebenso wie der Begriff„ein" und„eine" mehrere Elemente und Schritte nicht ausschließt. Die verwendeten Bezugszeichen dienen lediglich zur Erhöhung der Verständlichkeit und sollen keinesfalls als einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die Ansprüche wiedergegeben wird.

Claims

Patentansprüche
Verbundtriebwerk (100) für ein Transportmittel mit
einem Dieselmotor (16),
einer Gasturbine (101) mit mindestens einem Verdichter (11, 12) und mindestens einer Turbine (17, 18),
wobei Dieselmotor (16) und Gasturbine (101) derart verbunden sind, dass in einem Dauerlastbestrieb das Verbundtriebwerk lediglich über den Dieselmotor betrieben wird und der Dieselmotor wahlweise alleine oder mit einem Verdichter (12) und einer Turbine (18) der Gasturbine als Turbolader (102) für den Dieselmotor (16) betrieben wird,
wobei das Verbundtriebwerk über den Dieselmotor (16) oder die Gasturbine (101) betreibbar ist.
Verbundtriebwerk (100) nach Anspruch 1,
wobei die Gasturbine (101) zwei separate Verdichter (11, 12) und zwei
Turbinen (17, 18) aufweist.
Verbundtriebwerk (100) nach Anspruch 2, weiterhin aufweisend:
eine gemeinsame Brennkammer (13) für die zwei Turbinen (17, 18).
4. Verbundtriebwerk (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei in einem Spitzenlastbetrieb das Verbundtriebwerk (100) lediglich über
die Gasturbine (101) betrieben wird oder der Dieselmotor (16) als Saug- oder Ladermotor mitläuft. Verbundtriebwerk (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbundtriebwerk (100) ein Sperrventil (7, 8, 9) zur Regelung der
Frischluftzufuhr, zur Regelung der Gaszufuhr in die Brennkammer oder zur Regelung der Gaszufuhr zu einer der Turbinen (17, 18) aufweist;
wobei das Sperrventil (7, 8, 9) im Spitzenlastbetrieb geöffnet ist und im
Dauerlastbetrieb nur das Betreiben derjenigen Turbine (18) ermöglicht, die als Turbolader (102) für den Dieselmotor (16) dient.
Verbundtrieb werk (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend:
eine erste Abtriebswelle (26);
eine erste Kupplung (3);
ein erstes Getriebe (1);
ein zweites Getriebe (2);
eine Hauptabtriebswelle (21);
wobei die erste Abtriebswelle (26) der Gasturbine (101) über das erste Getriebe
(1), über die erste Kupplung (3) und über das zweite Getriebe (2) mit der Hauptabtriebswelle (21) verbunden ist.
Verbundtriebwerk (100) nach Anspruch 6, weiterhin aufweisend:
eine zweite Abtriebswelle (20);
eine zweite Kupplung (4);
wobei der Dieselmotor (16) über die zweite Abtriebswelle (20) und über die zweite
Kupplung (4) mit dem zweiten Getriebe (2) verbunden ist; wobei das zweite Getriebe (2) mit der Hauptabtriebswelle (21) verbunden ist.
8. Verbundtrieb werk (100) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, weiterhin
aufweisend:
eine dritte Kupplung (5);
wobei eine für den Turbolader (102) verwendete Turbine (18) durch die dritte
Kupplung (5) vom ersten Getriebe (1) getrennt werden kann.
9. Verbundtrieb werk (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
weiterhin
aufweisend:
eine Hochdruckturbine (303);
eine Niederdruckturbine (304);
einen Hochdruckverdichter (302);
einen Niederdruckverdichter (301);
wobei die Verdichter (301, 302) und Turbinen (303, 304) in der Gasturbine (101) seriell geschaltet sind;
wobei die Hochdruckturbine (303) und der Hochdruck- Verdichter (302) Teil des Turboladers (102) sind;
wobei die Niederdruckturbine (304) und der Niederdruckverdichter (301) kein Teil des Turboladers (102) sind.
10. Verbundtrieb werk (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 9, weiterhin aufweisend:
einen ersten Generator (501);
einen zweiten Generator (502); einen Leistungsregler (503);
wobei die erste Abtriebswelle (26) der Gasturbine (101) mit dem ersten Generator (501) über den Leistungsregler (503) mit einem
Verbrauchernetz verbunden ist und
wobei die zweite Abtriebswelle (20) des Dieselmotors (16) mit dem zweiten Generator (502) über den Leistungsregler (503) mit einem
Verbrauchernetz verbunden ist.
11. Verwendung eines Verbundtrieb werks (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in einem Transportmittel.
12. Transportmittel mit einem Verbundtrieb werk (100) nach einem der
Ansprüche 1 bis 10,
wobei es sich bei dem Transportmittel um ein Flugzeug (800), einen Helikopter (900), einen Senkrechtstarter oder ein Wasserfahrzeug handelt.
13. Verfahren zum Antreiben eines Transportmittels, aufweisend die folgenden Schritte: Antrieb des Transportmittels mit zumindest einer Gasturbine (101) mit mindestens einem Verdichter (11, 12) und mindestens einer Turbine (17, 18);
Umschalten vom Antrieb des Transportmittels mit der Gasturbine (101) auf einen
Antrieb des Transportmittels lediglich mit einem Dieselmotor (16);
Antrieb des Transportmittels mit dem Dieselmotor (16), wobei in einem
Dauerlastbetrieb das Transportmittel lediglich über den Dieselmotor betrieben wird und der Dieselmotor wahlweise alleine oder mit einem Verdichter (12) und einer Turbine (18) der Gasturbine (101) als Turbolader für den
Dieselmotor (102) genutzt wird.
14. Verfahren zum Antreiben eines Transportmittels, aufweisend die folgenden Schritte:
Antrieb des Transportmittels mit einem Dieselmotor (16), wobei in einem Dauerlastbetrieb das Transportmittel lediglich über den Dieselmotor betrieben wird und der Dieselmotor wahlweise alleine oder mit einem Verdichter (12) und einer Turbine (18) einer Gasturbine (101) als Turbolader
(102) für den Dieselmotor genutzt wird;
Umschalten vom Antrieb des Transportmittels mit dem Dieselmotor (16) auf einen
Antrieb des Transportmittels mit der Gasturbine (101);
Antrieb des Transportmittels mit zumindest der Gasturbine (101).
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