DE1601624A1

DE1601624A1 - Gasturbinensystem zum Starten von Triebwerken

Info

Publication number: DE1601624A1
Application number: DE1967P0043327
Authority: DE
Inventors: Oldfield Thomas Alfred
Original assignee: Plessey Co Ltd
Current assignee: Plessey Co Ltd
Priority date: 1966-11-02
Filing date: 1967-11-02
Publication date: 1971-01-14
Also published as: DE1601624B2; DE1601624C3; GB1201767A; US3481145A

Description

TBE PlESSEi COMPANY IiIMITEP

56 Yicarage Iiane

Ilford, Essex / Großbritannien Unser Zeichen; P 1945

Grasturbinensystem zum Starten von Triebwerken

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinensysteme zum Starten von Triebwerken und es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes System zu schaffen, welches es ermöglicht, daß die Gasturbine nicht nur zum Starten des Triebwerkes verwendet wird, sondern auch dazu, während des normalen Betriebes des Triebwerkes oder dann, wenn das Triebwerk abgestellt ist, Hilfseinrichtungen, beispielsweise einen elektrischen Generator oder andere HiIfseinrichtungen mit konstanter oder geregelter Drehzahl anzutreiben·

Jfri/Sr.

Die Erfindung bildet eine Weiterentwicklung eines Gasturbinensystems , welches von "Ine Plessey Company Limited" unter der Bezeichnung "Solent Gas-TurMne Starter" geführt wird, bei welchem die Starterausgangswelle über ein Untersetzungsgetriebe durch ein Gasturbinenrad angetrieben wird, das als eine sogenannte Nutzlastturbine durch Brenngase aus einer Brennkammer betätigt wird, die vorher durch die Schaufeln des Turbinenrades eines sogenannten Gaserzeugerteiles hindurchgegangen sind, wobei das zuletzt erwähnte !Turbinenrad leoaxial <zu dem zuerst erwähnten ist und einen Kompressor antreibt, der luft der Brennkammer zuführt, von der die Brenngase der Reihe nach zuerst durch die Schaufeln der Gaserzeugerturbine und dann durch die Schaufeln der Nutzlastturbine hindurchgehen, wobei der Gaserzeugerteil mit einem Brennstoffregler versehen ist, der dessen Drehzahl im wesentlichen konstant hält.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform des "Solent Gas-Turbine Starter",der in der deutschen Patentanmeldung , Hr. 994 017 beschrieben ist, ist das Getriebe durch einen Itistungskompressor ersetzt, dessen Ausgang eine Starterluftturbine speist.

In btidtn Fällen iet, wenn da· 1riebwerk gestartet worint und dann selbständig läuft, dit Ausgangsleistung

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der

der Nutzlastturbine zum Starten nicht langer erforderlich, jedoch war deren Verwendung bis jetzt zum Antreiben der Hilfseinrichtungen schwierig, weil wegen des kurzen Startvorganges die Turbine, um ein unnötiges Gewicht zu vermeiden, für Kurzzeitbetrieb bei voller Belastung bemessen ist, so daß die Belastung der Nutzlastturbine bei der Verwendung zum Antreiben von Hilfseinrichtungen beträchtlich vermindert werden muß gegenüber der Belastung während des Startvorganges, während andererseits der bei dem"Solent Gas-Turbine Starter" vorgesehene Brennstoffregler durch die Drehzahl des Gaserzeugerteiles und nicht durch die der Nutzlastturbine geregelt wird, so daß die für die Hilfseinrichtungen notwendige Drehzahlregelung ein komplizierteres Regelsystem erfordern würde.

Gemäß der Erfindung wird zwischen der Nutzlastturbine und dem Gaserzeugerteil eine Eöilaufkupplung derart angebracht, daß sie die Nutzlastturbine mit dem Graserzeugerteil kuppelt, wenn die Drehzahl der Nutzlastturbine über einem bestimmten Verhältnis zur Drehzahl des Gaserzeugerteiles liegt, die jedoch die Nutzlastturbine von * dem Gaserzeugerteil trennt, wenn das Verhältnis der Drehzahl der Nutzlastturbine zu der des Gaserzeugerteile s unter diesem bestimmten Verhältnis liegt.

Bei dieser Anordnung ist die Arbeltsweise des Systems 009833/0478

während des Startvorganges des Triebwerkes genau gleich zu der des oben beschriebenen "Solent Gas-Turbine Starter¹¹ oder seiner abgewandelten Ausführungsform, wohingegen dann, wenn das Triebwerk selbständig läuft, es von der Nutzlast- oder Starterturbine beispielsweise durch eine Starterfreilaufkupplung entkuppelt wird, so daß nun die Hilfseinrichtungen die einzige Last der Nutzlastturbine bilden, wodurch sich die Drehzahl der Nutzlastturbine erhöhen wird und wenn sie gleich der Drehzahl der Graserzeugereinrichtung ist, wird die Nutzlastturbine mit der Gfaserzeugereinrichtung durch die Freilaufkupplung wieder zusammengekuppelt werden.

In diesem EaIl wird die Nutzlastturbine ihr überschüssiges Drehmoment über das Lastdrehmoment an den Gaserzeugerteil abgeben, woduroh sich die Drehzahl des Gaserzeugerteiles erhöhen wird und wodurch wiederum der Brennstoffregler die Brennstoffmenge, die der Brennkammer zugeführt wird, vermindert. Auf diese Weise wirddie Spitzenbelastung des Systems automatisch von dem Kurzzeitwert, der für den Startvorgang notwendig ist, auf eine niedrigere Spitzenbelastung während einer langen Zeit vermindert, der sich gleichzeitig sum Antrieb der Hilfseinrichtungen eignet, und zwar wegen der festen Kupplung der beiden Turbinenräder, wobei der Brennstoffregler, der die Drehzahl

des 009883/0478

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des Gaserzeugerteiles regelt, nun auch die Drehzahl des Antriebeusganges für die Hiliflteinriehtungen regelt. . Wenn auch wie oben erwähnt die Bre^stoffmenge vermindert wird, bleibt die zugeführte luftmen^e bei die-!· sem Betrieb im wesentlichen gleich gegenüber der, die während des Startvorganges zugeführt wird, da die Drehzahl des Gaserzeugerteiles umgeändert bleibt. Biese., relativ große Zufuhr von Iiuft pro Einheit der Verbrennungswärme trägt dazu weiterhin bei, daß die Betriebstemperatur des Gasturbinensystems für einen bestimmten Hilfsleistungswert vermindert wird« Bies steht im Gegensatz zu dem Verhalten eines Nutzlastturbinensystems, bei welchem der Gaserzeugerteil und die Nutzlastturbine mechanisch voneinander unabhängig bleiben und bei dem die Verminderung der Brennstoffzufuhr durch die verminderte Last der Nutzlastturbine, nachdem der Triebwerkstartvorgang abgeschlossen ist, das Drehmoment vermindert und damit die Drehzahl des Gaserzeugerteiles vermindert, wodurch die Menge an zugeführter luft verringert wird.

In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:

Pig. 1 einen etwas schematischin axialen Sohnitt einer Auiführungsform eftiee lurWneneyeteiue» bei dem die

Erfindung bei einem "Solent Gas-Turbine Starter" . verwendet wird, und

fig. 2 wie die Erfindung bei einem abgewandelten Gasturbinenstarter verwendet wird.

Nach Pig. 1 weist ein Gaserzeugerteil ein Turbinenrad 1 auf, welches auf einer gemeinsamen Welle 2 befestigt ist, auf der sich auch ein dynamisches Kompressorrad- 3 befindet, welches Luft, die durch einen Einlaß 4 eintritt, einer.ringförmigen Brennkammer 5 zuführt, die mit einer Brennstoffeinspritz- und -zündvorrichtung 6 versehen ist. Von dieser Kammer treten die heißen Brenngase in einen ringförmigen Durchlaß 7 ein, wobei sie zuerst auf die Schaufelh8 des Turbinenrades 1 des Gaserzeugerteiles auftreffen und dann auf die Schaufeln9 eines koaxial dazu angeordneten zweiten Turbinenrades 10, welches sich auf einer hohlen Welle 11 befindet, die von der Welle 2 unabhängig drehbar ist* Diese hohle Welle 11 treibt über ein Untersetzungsgetriebe 12 ein Ausgangs- zahnrad 13 an und dieses treibt über «ine Freilaufkupplung 14 eine Starterausgangswelle 15 en, die koaxial zu der gemeinsamen Well· 2 and der hohlen Welle 11 angeordnet 1st. Si· Zufuhr Ton Brennstoff iu d«r Brennstofft int pri ta vorrichtung 6 wird duroh «in· koablnierte Brenn-

009833/CU78 itoffpnro-

ν a-r

stoffpump- und -regeleinrichtung 16 bewirkt und gesteuert. Diese Einrichtung ist.auf der Seite des Systems angebracht, die von der Ausgangswelle 15 weggerichtet ist und ist zum Antrieb mit der Welle 2 des Gaserzeugerteiles verbunden; ein elektrischer Hilfsanlaßmotor 17» der so dargestellt ist, daß er an der Brennstoffpump - und -regeleinrichtung 16 befestigt ist, ist auch äntriebsmäßig mit der Welle 2 verbunden, damit er das Gaserzeugerteil auf seine Betriebsdrehzahl zu Beginn eines Iriebwerkstartvorganges bringen kann.

Das bisher beschriebene System ist im wesentlichen dem "Solent Gas-Turbine Starter" von Plessey, der oben beschrieben wurde, gleich. Gemäß der Erfindung ist das System ferner zum ständigen Antrieb von Triebwerkhilfseinrichtungen mit einer koxsbanten oder geregelten Drehzahl geeignet, wenn der Startvorgang beendet worden ist. Zu diesem Zweck ist das Ausgangszahnrad 13 weiterhin so angeordnet, daß es über ein Zahnrad 18 eine Hilfsausgangswelle 19 antreibt, die eine lösbare Kupplung 20 aufweist und die Verbindung zwischen der hohlen Welle 11, des Nutzlastturbinenrades 10 und dem Untersetzungsgetriebe 12 wird durch eine zweite Freilaufkupplung 21 hergestellt, die die hohle Welle 11 fest mit der Welle 2 des Gaserzeugerteiles koppelt, wenn die Drehzahl der hoh

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len Welle so groß wie die Drehzahl der Welle 2 wird.

Ein Nebenluftdurchlaß 22 ermöglicht, daß eine begrenzte Menge von Nebenluft von dem Kompressor des Gaserzeugerteiles abgeleitet wird, die während eines Startvorganges verwendet wird, bevor zusätzliche Luft von dem Kompressor des Haupttriebwerkes verfügbar wird.

In 3?ig. 2 sind die gleichen Teile mit den gleichen Be- zugszeiohen versehen, wodurch es nicht notwendig ist, den !Teil des Systems noch einmal zu beschreiben, der dem von Pig. 1 gleich ist. Der Hauptunterschied besteht darin, daß der mechanische Antrieb der Starterausgangswelle H durch das Nutzlastturbinenrad 10 durch einen pneumatischen Antrieb ersetzt ist, der vor allem aus einem Leistungskompressor besteht, bei dem ein Rotor 23 fest auf einer Welle Ha des Nutzlastturblnenrades befestigt ist, Dieser Leistungskompressor saugt Luft durch einen Einlaß 24 an und gibt komprimierte Luft über eine Schnecke 25, ein Einwegventil 26 und eine Rohrverzweigung 27 an eine der beiden Startturbinen 28 bzw. 29 ab, die mit zwei !Triebwerken eines Flugzeuges verbunden sind, wobei die Auswahl duroh Absperrorgane 30 und 31 vorgenommen wird.

Ähnlich wie bei dem vorher beschriebenen Ausführungsbei-

009883/0478 _, ,

spiel ist eine Hilfsausgangswelle 19 mit einer Kupplung 20 mit der Welle 11a des Nutzlastturbinenrades 10 überein Getriebe 18a verbunden und es befindet sich, eine Freilaufkupplung 21a zwischen den Wellen 2 und 11a der beiden Turbinen, damit die beiden Wellen eingekuppelt werden, wenn die Drehzahl des Nutzlastturbinenrades 10 größer wird als die Drehzahl des Turbinenrades 1 des Graserzeugerteiles. Wenn man es wünscht, kann man Nebenluft von dem Kompressor des Graserzeugerteiles abzapfen, und die last, die durch den leerlaufenden Kompressor« nachdem der Startvorgang beendet ist, gebildet wird, kann dadurch vermindert werden, daß ein einstellbares Drosselteil 32 betätigt wird, weiches die Zufuhr von Luft zu dem Leistungskompressor durch den Einlaß 24- auf einen bestimmten Wert begrenzt oder ihn vollständig absperrt, wodurch die dadurch eingesparte Leistung für andere Zwecke verwendet werden kann, beispielsweise zum Antrieb von hydraulischen Pumpen oder elektrischen Generatoren.

Dee Verzweigungsrohr 27 hat einen Nebeneinlaß, der duroh ein zwfitee Einwegventil % gesteuert wird, damit das Triebwerk mit Hilfe von komprisiierter luft einer getrennten Quelle gestartet werden kann, wenn eine solche verfügbar ist·

Veraohledene 009883/0470

Verschiedene Abwandlungen von dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind möglich. Wenn es insbesondere erwünscht ist, die Freilaufkupplung vor.den hohen Temperaturen zu schützen, die an den nebeneinander liegenden Enden der Wellen des Gaserzeugerteiles und der Nutzlastturbine auftreten, kann die Freilaufkupplung in eine Welle eingebaut sein, die außerhalb des Turbinen- und Generatorgehäuses angebracht ist. In diesem Falle wird das Ende dieser Welle, welches dauernd zum Antrieb mit dem Graserzeugerteil verbunden ist, zweckmäßigerweise dazu verwendet, beispielsweise eine Brennstoff nachlaufpumpe für die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer anzutreiben.

Pa tentansprtiehe

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Claims

Patentansprüche

.)jGasturbinensystem zum Starten von Triebwerken, mit einer Nutzlastturbine zum Antrieb der Starterausgangswelle von einem drehzahlgeregelten Gasgeneratorteil, welches eine Brennkammer speist, damit Brenn- gas sowohl an die Turbinenräder des Gaserzeugerteiles als auch der Nutzlastturbine abgegeben wird, gekennzeichnet durch eine Freilaufkupplung, die die Nutzlastturbine mit dem Gaserzeugerteil kuppelt, wenn die Drehzahl der Nutzlastturbine ein bestimmtes Verhältnis zu der Drehzahl des Gasgeneratorteiles übersteigt und die die Nutzlastturbine von dem Gaserzeugerteil trennt, wenn das Verhältnis der Drehzahl der Nutzlastturbine zu der Drehzahl des Gaserzeugerteiles unter diesem bestimmten Wert liegt.
2.) System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leistungsübertragung von der Nutzlastturbine zu der Starterausgangswelle durch einen dynamischen Luftkompressor erreicht wird, der von der Nutzlastturbine angetrieben wird und so angeordnet ist, daß er einen luftmotor speist, der mit der Starteraus-

gangswelle 009833/0478

gangsweile verbunden ist, wobei sich ein Drosselventil in dem Einlaß des Luftkompressors befindet, um die Druckluftverluste in dem Kompressor zu vermindern, während das System die Hilfseinrichtungen antreibt, wenn keine Startleistung erforderlich ist,

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