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Gasturbinentri ebwerk Die Erfindung betritt ein Gasturbinentriebwerk,
insbesondere rur Kraftfahrzeuge, mit einem Verdichter und einer Turbine.
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Es ist bislang nicht gelungen, mit vertretbarem Eostenaufwand ein
Gasturbinentriebwerk zu schaffen, welches sich für den Antrieb leichter Fahrzeuge
wie kleiner Kraftfahrzeuge oder Lastwägen, leichter Motorboote oder für einfache
industrielle Verwendungszwecke eignet, welches also für einen Einbau bei beengten
Platzverhältnissen kompakt gebaut ist und bei befriedigenden Fahrleistungen wirtschaftlich
arbeitet.
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Einer der Gründe dafür, daß ein solches Gasturbinentriebwerk bis heute
nicht zur Verfügung steht, mag darin liegen, daß die Welle des Verdichters, um dessen
Antrieb von der
Turbine aus zu erreichen, entweder starr oder auf
eine aus verschiedenen Gründen ungünstige Weise mit der Welle des einzigen Läufers
der Turbine verbunden wurde. Um die angestrebte Einfachheit des Aufbaus zu erreichen
und die Kosten möglichst niedrig zu halten ist es als notwendig angesehen worden,
eine Turbine mit nur einem einzigen Läufer zu verwenden.
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Die Beschleunigung von Verdichter und Turbine und somit die Beschleunigung
des Fahrzeuges, welches mit dem Triebwerk bestückt ist, reicht unter keinen Umständen
aus, wenn die Drehzahl des Verdichters in einem festen Verhältnis zur Drehzahl der
Turbine steht. Andererseits ist jedoch eine komplizierte Steuer- und Ubersetzungseinrichtung,
welche für eine Änderung des Drehzahlverhältnisses im Betrieb eingesetzt werden
könnte, in der Praxis ebenfalls nicht verwendbar, da diese die Bedienung erschweren,
den Wirkungsgrad und die Leistung mindern und insbesondere die Kosten erheblich
steigern würde.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gasturbinentriebwerk der eingangs
bezeichneten Gattung zu schaffen, welches kostengünstig in Kompaktbauweise herstellbar
ist und bei wirtschaftlichem Treibstoffverbrauch annehmbare Fahrleistungen ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Welle des
Verdichters und die Welle der Turbine als separate Bauteile ausgeführt und für einen
den jeweiligen Betriebsbedingungen
angepaßten Antrieb des Verdichters
von der Turbine aus über ein stufenloses Regelgetriebe verbunden sind0 Hierdurch
erreicht das Gasturbinentriebwerk der rfindungsgemäßen Art nicht nur günstige Betriebswerte
und ist wirtschaftlich im Treibstoffverbrauch, sondern es wird darüberhinaus durch
die Ausbildung der Wellen von Verdichter und Turbine als separate Bauteile eine
weitestgehende konstruktive Freizügigkeit erreicht, die es gestattet, die Bauteile
des Gasturbinentriebwerks gemäß den im jeweiligen Einzelfall vorliegenden Platzverhältnissen
auf optimale Weise anzuordnen. So können die Wellen von Verdichter und Turbine horizontal
oder vertikal, koaxial, parallel und im Winkel, etwa in V-Form angeordnet werden.
Die Getriebebauteile und gegebenenfalls ein Wärmetauscher können in vorteilhafter
Weise zwischen den Läufern von Verdichter und Turbine angeordnet wert den.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung,
insbesondere in Verbindung mit den zusätzlichen Änsprüchen.
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Es zeigt Fig. 1 schematisch vereinfacht eine einfache Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Gasturbinentriebwerks, Fig. 2 eine Weiterbildung der Ausführungsform
gemäß Fig. 1 mit konzentrischen Wellen von Turbine und Verdichter, Fig. 3 und 4
weitere Ausführungsformen für höhere Leistungen,
Fig. 5 bis 8 schematisch
vereinfacht verschiedene Anordnungsmöglichkeiten für die Bauteile eines erfindungsge
mäßen Gasturbinentriebwerks in Abhängigkeit von dem zur Verfügung stehenden Bauraum,
und Fig. 9 eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit weiteren Einzelheiten.
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Ein erfindungsgemäßes Gasturbinentriebwerk gemäß Fig. 1 weist einen
Verdichter 10, eine Turbine 11, eine Verbrennungskammer 12 und einen Wärmetauscher
13 auf. Die Welle 14 des Verdichters 10 ist ein gegenüber der Welle 15 der Turbine
11 separates Bauteil, jedoch sind die beiden Wellen erfindungsgemäß derart miteinander
verbunden, daß die für die jeweiligen Lastverhältnisse erforderliche Antriebsenergie
für den Verdichter 10 und die Abtriebswelle der Turbine 11 entnommen werden kann.
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Die Turbinenwelle 15 ist durch zwei miteinander kämmende Getrieberäder
16 mit einem Planetengetriebe 18 verbunden.
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Das Planetengetriebe 18 weist abgestufte Planetenräder 17 auf. Der
Abtrieb des Planetengetriebes 18 erfolgt von dem Planetenradträger aus über ein
umsteuerbares Untersetzungs-Wechselgetriebe 19, welches eine Rückwärtsfahrt des
Fahrzeuges und eine Vorwärtsfahrt in verschiedenen Untersetzungsverhältnissen gestattet.
Das innere Sonnenrad 20 des Planetengetriebes 18 ist über eine Welle 21 mit einem
stufenlosen Regelgetriebe 22 verbunden, welches mittels eines Getrieberades 23 mit
der Welle 14 des Verdichters 10 in Verbindung
steht. Auf diese
Weise kann der Verdichter 10 auch dann in Betrieb gehalten werden, wenn das Fahrzeug
stillsteht, und es bereitet keine -Schwierigkeiten, beim Anfahren des Fahrzeuges
den Verdichter 10 schnell zu beschleunigen.
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Zum Abbremsen ist zwischen der Welle 21 und dem Verdichter 10 eine
Freilaufkupplung 25 vorgesehen. Wenn das stufenlose Regelgetriebe als Riemengetriebe
oder in ähnlicher Bauart ausgeführt ist, so kann es sich als vorteilhaft erweisen,
eine Schlupfkupplung in Reihe geschaltet mit dem Regelgetriebe 22 vorzusehen.
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Während bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 die beiden Wellen 14
und 15 miteinander fluchten, liegen die Wellen 14 und 15 bei der Ausführungsform
gemäß Fig. 2, in der, ebenso wie irL den übrigen Figuren, funktionell gleiche Bauteile
mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, konzentrisch, so daß eine noch kompaktere
Bauweise möglich ist. Die Kraft- bzw.
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Drehmomentübertragung zwischen der Turbine 11 und der Abtriebswelle
erfolgt über ein einfaches Planetengetriebe 23.
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In diesem Falle jedoch ist das umsteuerbare Übersetzungsgetriebe 19
mit dem äußeren Zentralrad 24 des Planetengetriebes 23 verbunden. Im Bereich des
stufenlosen Regelgetriebes 23 ist eine Kupplung 25 zwischen der Turbine 11 und dem
Verdichter 10 angeordnet.
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Wenn höhere Leistung und1oder bessere Beschleunigung erzielt werden
soll, so empfiehlt es sich, die Turbine mit zwei Turbinenläufern auszustatten, die
auf getrennten Wellen angeordnet
sind, deren Wellen jedoch durch
das Planetengetriebe 18 mit abgestuften Planetenrädern in einem Getriebesystem mit
stufenlos veränderbarem Ubersetzungsverhältnis verbunden sind.
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Ein solches Triebwerk ist in Fig. 3 dargestellt. Der linke Teil der
Zeichnung stimmt im wesentlichen überein mit der Anordnung gemäß Fig. 1. Der erste
Turbinenläufer 11 treibt die Verdichterwelle 14 über ein Getrieberad 26 und das
stufenlose Regelgetriebe 22 und ist überdies mittels einer Welle 27 mit einem der
Sonnenräder 28 in dem Planetengetriebe 18 mit abgestuften Planetenrädern verbunden;
das zweite Sonnenrad 29 des Planetengetriebes 18 ist mit dem anderen Turbinenläufer
11a verbunden. Der Turbinenläufer 11a treibt sowohl die Abtriebswelle als auch den
Verdichter 10 an, um dessen Beschleunigungsverhalten zu verbessern und die Arbeitsdruckhöhe
der Gasturbinenanlage zu steigern, wodurch sich die Wirtschaftlichkeit erhöht.
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Sinne abgewandelte Ausführungsform ist in Fig. 4 dargestellt.
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Dort ist der erste Turbinenläuf er 11 über seine Welle 15 mit einem
der Planetenradträger des Planetengetriebes 18 mit abgestuften Planetenrädern verbunden,
während die Welle 30 des zweiten Turbinenläufers 11a mit einem der Sonnenräder,
nämlich dem Sonnenrad 31, des Planetengetriebes 18 verbunden ist. Das zweite Sonnenrad
32 des Planetengetriebes 18 ist über das stufenlose Regelgetriebe 22 mit der Verdichterwelle
14 verbundene Anstelle eine solchen Ausbildung
kam auch einer der
Turbinenläuf er 11 oder 11a, vorzugsweise der bei niedrigeren Temperaturen arbeitende,
mit einstellbaren Leitschaufeln versehen werden.
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Bei allen bisher beschriebenen Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen
Gasturbinentriebwerks gemäß den Fig. 1 bis 4 sind die Wellen von Turbine und Verdichter
horizontal angeordnet. Wie Fig. 5 verdeutlicht, können diese Wellen jedoch auch
vertikal angeordnet werden, wobei die Läufer dann vorzugsweise in etwa derselben
horizontalen Ebene angeordnet sind und das stufenlose Regelgetriebe 22 und die erste
Untersetzungsstufe, nämlich das Planetengetriebe 18, unterhalb der Läufer mit vertikalen
Drehachsen angeordnet sind; die Abtriebswelle des Planetengetriebes 18 ist dann
mittels eines Kegelradgetriebes 32 mit dem abschließenden umsteuerbaren Untersetzungsgetriebe
19 verbunden. Bei einer solchen Anordnung sind die Bauteile des Triebwerkes leicht
zugänglich und können auf einfache Weise montiert werden.
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Eine Abwandlung dieser Ausführungsform ist in Fig. 6 dargestellt,
wo die Wellen des Verdichters 10 und der Turbine 11 in einem Winkel zueinander V-förmig
angeordnet sind, ansonsten jedoch derselbe Aufbau wie bei der Ausführungsform gemäß
Fig. 5 gewählt ist.
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Ähnliche Anordnungen, die sich insbesondere für Fahrzeuge eignen,
die normalerweise mit V-Motoren bestückt sind, können selbst dann erzielt werden,
wenn einige oder sämtliche
Drehachsen von Turbine, Verdichter und
Getriebegliedern horizontal liegen. Gemäß Fig. 7 liegen die Wellen von Verdichter
und Turbine horizontal, ebenso wie die Drehachsen des Planetengetriebes 18 des Untersetzungsgetriebes
19 und des Regelgetriebes 22, welche unterhalb der Läufer angeordnet sind. Die Verbrennungskammer
12 ist unmittelbar über den Läufern angeordnet, während der Wärmetauscher in zwei
Teile 13a und 13b aufgeteilt ist, die nach Art von Flügeln seitlich neben den Läufern
angeordnet sind. Alle Bauteile sind licht zugänglich und können ohne Demontage des
Triebwerkes gewartet werden; sie liegen innerhalb einer Umrißform, die für den Einbau
des Triebwerkes in einen Motorraum üblicher Abmessungen sehr gut geeignet ist.
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In Fig. 8 ist eine weitere Abwandlung dargestellt. Hier liegen der
Verdichter 10 und die Turbine 11 achsgleich in einem Winkel zur vertikalen Längsmittelebene.
Die Getriebeglieder 18, 19 und 22 sind unterhalb der Läufer angeordnet, jedoch so,
daß ihre Drehachsen horizontal liegen. Der Wärmetauscher 13 liegt bezüglich der
vertikalen Langsmittelebene spiegelbildlich zu Verdichter und Turbine, während die
Verbrennungskammer 12 mittig zwischen die Läufer und den Wärmetauscher unmittelbar
über den Getriebegliedern eingesetzt ist.
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In Fig. 9 ist eine wiederum andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
GasturbinentrieTwerkeS veranschaulicht Die Wellen 14 bzw. 15 des Kompressors 10
bzwO der Turbine 11 fluchten miteinander in vertikaler Richtung Die Verbrennungskammer
12
ist direkt über den Läufern vorgesehen und der Wärmetauscher 13 umgibt ringförmig
die Verbrennungskammer 12.
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Die Ansaugung der Verbrennungsluft erfolgt über einen Ansaugschalldämpfer
33 mit Luftfilter, von dem aus die Luft zur Unterseite des Triebwerks geführt wird.
Vom Verdichter 10 aus wird die Luft durch nicht näher dargestellte Kanäle zu dem
als Vorheizer dienenden Wärmetauscher 13 und anschließend in die Verbrennungskammer
12 geführt, von der aus das Gas den Turbinenläufer erreicht, diesen antreibt, und
schließlich nach Durchströmen des Wärmetauschers 13 durch den Auslaß 34 entweicht.
Der Wärmetauscher 13 dient dabei als Abgasschalldämpfer. Die Turbinenwelle 15 ist
mittels eines einfachen Getriebezuges 35 mit dem stufenlosen Regelgetriebe 22 verbunden,
welches einerseits über einen einfachen GetIiebesug 36 die Welle 14 des Verdichters
10 antreibt und andererseits über die Abtriebswelle 37 in der üblichen Weise an
das Differentialgetriebe 38 in der Achse des Fahrzeuges angeschlossen ist. Die Drehachsen
sämtlicher Getriebeglieder liegen vertikal. Die Getriebeglieder sind seitlich neben
den Läufern von Turbine und Verdichter angeordnet.
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Auch bei dieser Ausführungsform sind alle Bauteile von oben her leicht
zugänglich und demontierbar. Das Triebwerk kann sowohl im Heck als auch im Bereich
der Vorderachse des Fahrzeuges angeordnet werden, um dementsprechend die Hinterachse
oder die Vorderachse anzutreiben, wobei auch ein Antrieb aller vier Räder möglich
ist. Wegen seiner geringen Bauhöhe eignet sich das Triebwerk auch sehr gut für einen
Einbau in der Fahrzeugmitte zwischen den Achsen, von wo aus eine oder beide
Achsen
angetrieben werden können; die Leistungsübertragung auf die Fahrzeugräder kann sowohl
von der Turbinenwelle 15 als auch von der Verdichterwelle 14 aus erfolgen.
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Der Wärmetauscher 13 kann mit ruhenden mechanischen Teilen oder als
Dreh-Wärmetauscher ausgebildet sein und axialen oder radialen Durchfluß der Gase
besitzen. Im letztgenannten Fall können die Durchströmkanäle genau radial verlaufen
oder gebogen ausgebildet sein, wodurch die Fließrichtung konstant bleibt und/oder
die angestrebte Wärmeaustauschfläche und weiterhin die angestrebte Drehbewegung
der in die Verbrennungskammer 12 einströmenden Luft erreicht wird.
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Die anhand der Zeichnung erläuterten Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen
Gasturbinentriebwerks sind lediglich einige Beispiele für im Rahmen der Erfindung
mögliche Anordnungen, von denen Abweichungen im Einzelfall ohne weiteres möglich
sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.