DE2311738A1

DE2311738A1 - Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE2311738A1
Application number: DE2311738A
Authority: DE
Inventors: Eugene Elton Flanigan; Roger Wayne Merriman
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1972-03-20
Filing date: 1973-03-06
Publication date: 1973-09-27
Also published as: JPS4919208A; DE2311738C2; US3771916A; JPS5750929B2; GB1361956A; CA963670A

Description

W/Vh-2929 6.3.73

General Motors Corporation, Detroit, Mich., V.St.A.

Gasturbinentriebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk mit einem Treibgaserzeuger aus einer Verdichterturbine, einem Verdichter und einer Brennkammer sowie einer von den Abgasen der Verdichterturbine angetriebenen Arbeitsturbine zum wahlweisen Antrieb einer Ausgangswelle oder zur Lieferung von Druckluft für Hilfszwecke.

Die Ausgangswelle kann beispielsweise zum Antrieb eines aus Zugmaschine und Anhänger bestehenden Lastzuges bestehen, wobei die Druckluft für Hilfszwecke zum Entladen von Schüttgut verwendet wird.

309839/0418

Es ist bekannt, Druckluft von dem Verdichter i eines Gasturbinentriebwerks abzuleiten, gleichgültig, ob dieses zum Antrieb eines Düsenflugzeugs, eines Turbopropflugzeugs oder einer sonstigen Maschine verwendet wird. Von üblichen Gasturbinentriebwerken kann jedoch keine wesentliche Menge von Druckluft entnommen werden, ohne die Energiebilanz des Triebwerks ernsthaft zu stören. Ein Einwellen-Gasturbinentriebwerk ist so ausgelegt, dass die maximale Nutzleistung bei maximal zulässigen Einlasstemperaturen an der Turbine erreicht wird und es ist hierbei nicht möglich, einen grösseren Teil der vom Verdichter verdichteten Luft für andere Zwecke abzuleiten. Dieses Ableiten von Luft des Verdichters würde die Turbine und den Verdichter ausser Tritt bringen, so dass durch die zusätzliche Belastung des Verdichters bedingt eine unzureichende Lieferung von Treibgasen zur Turbine einträte. Bei Zweiwellentriebwerken, also Triebwerken mit einer den Verdichter antreibenden Verdichterturbine, ist die Auslage so getroffen, dass die vom Verdichter verdichtete und in der Brennkammer erhitzte Luft von der Verdichterturbine aufgenommen wird, wobei das System unter verhältnismässig grosser Umleitung von Luft aus dem Treibgaserzeugerkreis ausgeglichen ist. ;

Es gibt Anwendungsfälle, in denen es erwünscht isti

dass ein Gasturbinentriebwerk sowohl eine Ausgangswelle antreiben kann als auch beachtliche Mengen von Druckluft zu liefern

30963Ö/CU18 "³"

lmstande sein soll. Dies kann beispielsweise bei von Gasturbinentriebwerken angetriebenen Fahrzeugen zum Transport von
Schüttgut der Fall sein, bei denen das Entladen mittels Druck- I luft erfolgt. Derartige Fahrzeuge können Land- oder Wasserfahr- j zeuge sein. j

Zum Entladen von Schüttgut hat man bisher die Abgase: einer Hubkolbenmaschine verwendet oder Druckluft von einem j Hilfsverdichter, der unabhängig von der Antriebsanlage des \ Fahrzeugs arbeitet oder durch einen Verdichter, der von einer j von den Abgasen einer Hubkolbenmaschine angetriebenen Gasturbine angetrieben ist. Die letzterwähnte Bauart ist beispielsweise
in der US-PS 3 495 766 beschrieben. In der GB-PS 736 318 und
der US-PS 2 769 500 finden sich Vorschläge, verdichtete Luft i bei mit Gasturbinen ausgerüsteten Kraftfahrzeugen abzuleiten. ;

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Ver- ; dichter eines Gasturbinentriebwerks zum Antrieb eiges Fahrzeugs
zugleich zur Lieferung von Druckluft für Hilfszwecke, beispiels-

weise zum Entladen von Schüttgut, zu verwenden. j

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, j dass bei Ableiten von Druckluft für Hilfszwecke die Arbeitsturbine von der über die Ausgangswelle angetriebene Last abgekuppelt und mit der Verdichterturbine leistungsübertragend
verblinden wird.

-4-

309839/0418

Anjsich ist e-s durch die US-PS 3 237 404 bekannt, bei einem Gasturbinentriebwerk die Arbeitsturbine mit der Verdichterturbine zu kuppeln. Dort erfolgt diese Kupplung der beiden Turbinen jedoch zum Zwecke einer Verbesserung des Wirkungsgrades bei Teillastbetrieb. Ferner dient dort die Verbindung der beiden Kupplungen dazu, ein Durchgehen der Arbeitsturbine bei Abkuppeln der Last zu verhindern und ferner, um eine dynamische Bremsung eines mit dem Gasturbinentriebwerk ausgerüsteten Fahrzeugs zu ermöglichen.

Durch die vorliegende Erfindung wird in vorteilhafter Weise eine dem Antrieb dienende Antriebsanlage geschaffen, die zugleich Druckluft zu liefern imstande ist, wobei für letzteren Zweck in vorteilhafter Weise die Arbeitsturbine Leistung auf den Verdichter überträgt, so dass dieser die abzuleitende, für die Hilfszwecke benötigte Druckluft zu liei^u imstande ist, wobei im wesentlichen keine grundsätzliche Änderung des Gasturbinentriebwerks für seine Zwecke als Antriebsmaschine des Fahrzeugs erforderlich ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele von Gasturbinentriebwerken nach der Erfindung dargestellt. Es zeigen

-5-309839/0418

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks nach der Erfindung und

Fig. 2 eine Teildarstellung einer abgewandelten Ausführungsform.

Das Gasturbinentriebwerk nach Fig. 1 weist einen Verdichter 2 auf, der atmosphärische Luft ansaugt und über eine Leitung 3 zu dem einen Zug eines Wärmetauschers 4 fördert, in dem die Luft durch Wärmetausch mit den Abgasen des Triebwerks erwärmt wird. Die erwärmte verdichtete Luft fliesst dann durch eine Leitung 5 zu einer Brennkammer 6, in welcher Brennstoff in der verdichteten Luft verbrannt wird. Die dort gebildeten Treibgase werden einer VerdfcÄterturbine 7 zugeleitet, die über eine Welle 8 den Verdichter 2 antreibt. Der Verdichter, die Brennkammer und die Verdichterturbine stellen den Treibgaserzeuger des Gasturbinentriebwerks dar. Die Abgase der Verdichterturbine 7 werden über eine Leitung 9 einer Arbeitsturbine 10 zugeleitet, die eine Ausgangswelle 11 antreibt. Die Ausgangswelle 11 ist über eine Kupplung 12 und ein Getriebe 14 mit einer Last 15 verbunden, beispielsweise den Antriebsrädern eines Fahrzeuges. Die Kupplung kann selbstverständlich ein Teil des Getriebes 14 sein,und das Getriebe selbst kann als handgeschaltetes oder selbsttätig schaltendes Getriebe ausge-

-6-

309839/0418

bildet sein. Die Abgase der Arbeitsturbine 10 fliessen über die Leitung 16 durch den anderen Zug des Wärmetauschers 4 und werden über eine Auslassleitung 18 ins Freie ausgestossen.

Der Wärmetauscher 4 kann in Footfall kommen, ist aber in derartigen Triebwerken erwünscht. Die Verdichterturbine 9 treibt ausserdem eine Welle 19 und die Arbeitsturbine 10 eine Welle 20 an, welche zur Leistungsübertragung über eine schematisch angedeutete Kupplung 22 miteinander verbindbar sind. Wie bekannt, arbeitet die Arbeitsturbine normalerweise mit etwas geringerer Drehzahl als die Verdichtertir Mne, so dass die praktische Ausführung der Kupplung 22 die Einschaltung vom Getrieben erfordert, wie dies in den erwähnten Patenten beschrieben ist.

Das Gasturbinentriebwerk wird durch eine Brennstoff regeleinrichtung 24 gesteuert, die über einen Stellhebel 26 willkürlich beeinflussbar ist, beispielsweise über ein fuss- oder handbetätigtes Stellglied. Von einer nicht dargestellten Brennstoffpumpe wird Brennstoff unter Druck der Brennstoffregeleinrichtung 24 zugeleitet, die die gewünschte Brennstoffmenge zur Brennkammer zumisst, um die gewünschte Leistung unter Vermeiden von Überdrehzahlen, Übertemperaturen u.dgl. zu erzielen, wie dies allgemein üblich ist. Die Zufuhr des Brennstoffs zur Brennkammer 6 erfolgt über eine Brennstoffleitung 27. Die

-7-309839/0418

Brennstoffregeleinrichtung 24 erhält einen Impuls für die Drehzahl der Verdichterturbine über eine Welle 28, die von der Welle 8 angetrieben ist, und einen Impuls über die Einlasstemperatur an der Verdichterturbine 7, der von einem Thermoelement 30 erfast wird. Notfalls können auch weitere Impulse zur Brennstoffregelung herangezogen werden; dies ist jecoch im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ohne Interesse.

Im Ausführungsbeispiel werden die beiden Kupplungen 12 und 22 durch Drucköl betätigt und die hierzu dienende Druckölanlage ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Eine Ölpumpe 31 wird über eine Welle 32 von der Welle 19 von der Verdichterturbine 7 angetrieben und saugt Öl aus einem Sumpf an. Die Ölpumpe 31 fördert über eine Förderleitung 34 zu einer Steuereinrichtung 35 für die Kupplung 22, zu einem normalerweise geschlossenen Ventil 36 und zu einem normalerweise offenen Ventil 38. Das normalerweise offene Ventil 38 liegt vor einer Steuereinrichtung 39 für die Kupplung 12, die die Druckölzufuhr zu einem Druckzylinder 40 der Kupplung 12 bestimmt. Die Zufuhr von Drucköl zum Zylinder 40 veranlasst ein Einrücken '.

der Kupplung 12 und bewirkt damit die Leistungsübertragung an I

I die Last. Wie bereits erwähnt, kann die Kupplung 12 Teil des

309839/04

-8-

Getriebes 14 sein, wobei dann die Steuereinrichtung 39 in die Steueranlage des Getriebes eingegliedert ist. Selbsttätig schaltende Getriebe sehen ein Schalten in den Leerlauf vor, bei dem die Antriebsmaschine von der Last abgekuppelt ist. In abgewandelter Weise kann ein Ventil vorgesehen sein, das betätigt ein Ablassen des Drucköls aus der Kammer 40 der Kupplung 12 gestattet. Das Ventil 38 kann durch einen Magneten 42 geschlossen werden, das von einer elektrischen Kraftquelle, beispielsweise einer Batterie 43, erregt wird, wenn ein willkürlich betätigbarer Schalter 44 geschlossen wird. Der Strom fliesst dann über einen Leiter 46 zum Magneten 42. Bei geschlossenem Ventil 38 wird die Zufuhr von Drucköl zur Kupplung 12 unterbrochen, so dass diese Kupplung ausgerückt wird. Die Steuereinrichtung 39 kann für besondere Mass^ahinerj ^ηυκGebildet sein, jedoch kann die Kupplung 12 auch in einfacher Weise von Hand ausrückbar ausgebildet werden«

Die Steuereinrichtung 35 für die Kupplung 22 arbeitet im wesentlichen wie die entsprechende Steuereinrichtung in dem Gasturbinentriebwerk nach der US-PS 3 237 404, Um Drucköl einem Druckzylinder 47 der Kupplung 22 zuzuleiten, wenn diese einzurücken ist. Das normalerweise geschlossene Ventil 36 kann durch einen Magneten 48 geöffnet werden, wenn der Magnet über den Leiter 46 von der Batterie 43 erregt wird. Das über

-9-309839/0416

das geöffnete Ventil 36 zugeleitete Drucköl bewirkt dann das Einrücken der Kupplung 22 unabhängig von dem Einfluss der Steuereinrichtung 35. Wird die Kupplung 22 selbsttätig eingerückt, wenn die Arbeitsturbine IO Überdrehzahlen annimmt, so ist das Ventil 36 nicht erforderlich. Wird die Drosselklappe geöffnet und die Kupplung 12 ausgerückt, so wird die Kupplung J

22 eingerückt, wie dies in der US-PS 3 237 404 beschrieben ist.¹

Die Anlage zur Ableitung von Druckluft weist eine Zweigleitung 50 auf, die von der Leitung 3 zwischen dem Verdichter 2 und der Brennkammer 6 abzweigt und normalerweise durch ein Ventil 51 verschlossen ist. Die Zweigleitung 50 führt zu einer Druckluftleitung 52. Diese wird versorgt, wenn das Ventil 51 durch einen Magneten 54 geöffnet wird, der über den Leiter 46 bei geschlossenem Schalter 44 von der Batterie ; 43 erregt wird. Normalerweise sind steuerbare Ventile 53 im j Bereich der Verbraucher der Druckluft vorgesehen. j

Ein Schliessen des Schalters 44 unterbricht also j

die Übertragung der Leistung von der Arbeitsturbine 10 zum i

Getriebe und zu den angetriebenen Fahrzeugrädern, kuppelt die Arbeitsturbine 10 mit der Verdichterturbine 7 über die Kupplun 22 und öffnet das Ventil 51, um vom Verdichter 2 gelieferte Druckluft für Hilfszwecke abzuleiten. Es ist jedoch nicht notwendig, dass alle diese Schaltvorgänge von einer einzigen

-10-

309839/0418

Betätigungseinrichtung,wie dem Schalter 44, ausgelöst werden, Jedoch ist dies eine zweckmässige und einfache Art, zum Erfolg zu kommen. Erwünscht ist es, eine Verriegelung vorzusehen, die ein Öffnen des Ventils 51 verhindert, sofern die Kupplung 22 zwischen den beiden Turbinen nicht ausgerückt ist.

Sind die beiden Turbinen 10 und 7 gekuppelt, so wird die Leistung der Arbeitsturbine durch Ausnutzung der Abgase der Verdichterturbine verfügbar, so dass der Verdichter trotz der Ableitung eines Teils der Druckluft ausreichend Luft zur Versorgung der Verdichterturbine 7 liefern kann. Es kann etwa ein Viertel der vom Verdichter verdichteten Luft abgeleitet werden.

Bei einer praktischen Ausführungsform der Erfindung ist bei einem Gasturbinentriebwerk mit 280 Wellen-PS und einem Luftgewicht von 1,8 kg/sec bei einer Einlasstemperatur von 925°C an der Turbine eine Ableitu η g von Druckluft von 1,75 kg/cm Druck in einer Menge von 0,45 kg/sec möglich. Hierbei läuft das Gasturbinentriebwerk mit etwa 90% der Höchstdrehzahl. Das Triebwerk kann auf eine gewünschte Drehzahl über die Brennstoffregeleinrichtung 24 eingestellt werden«,

Fig. 2 zeigt eine mögliche Abwandlung der erstbeschriebenen Bauform des Gasturbinentriebwerks. Wesentliche Teile des Triebwerks entsprechen den in Fig. 1 dargestellten Teilen. Unterschiedlich ist, dass die für Hilfszwecke abgelei-

-11-309839/0418

tete Luft durch den Wärmetauscher 4 erhitzt wird. Es kann erwünscht sein, ziemlich heisse Luft als Druckluft für die i Hilfszwecke zur Verfügung zu haben. In diesem Falle ist die j Leitung 3¹ vom Verdichter 2 durch den einen Zug des Wärmetauschers 4 hindurchgeführt und an die Brennkammer 6 angeschlossen. Hinter dem Wärmetauscher ist eine Zweigleitung 56 angeschlossen, die über ein normalerweise geschlossenes Ventil 58 zu der Druckluftleitung 60 für heisse Luft führt. Das Ventil 58 kann durch den Magneten 54 (gemäss Fig. 1) geöffnet werden, um die Ableitung der Druckluft für Hilfszwecke einzuschalten. Jedoch ist zu bemerken, dass die vom Verdichter gelieferte Luft bereits eine nicht unbeachtliche Erwärmung aufweist, so dass diese zusätzliche Aufheizung der Druckluft im Wärmetauscher 4 häufig nicht erforderlich oder sogar nicht erwünscht ist.

Bei beiden Bauarten kann die Steuerung vereinfacht werden, wenn die Steuereinrichtung 35 eine selbsttätige Kupplung der Arbeitsturbine 10 mit der Verdichterturbine 7 be- | wirkt, wenn die Arbeitsturbine Überdrehzahlen annimmt. In \

i diesem Falle wird das Abkuppeln der normalen Belastung von der '

Arbeitsturbine an dieser überdrehzahlen auslösen, wodurch das J

selbsttätige Einrücken der Kupplung 22 und damit die Verbin-

mit
dung/der Verdichterturbine 7 hergestellt wird.

-12-

309839/0418

Die erfindungsgemasse Ausgestaltung ergibt also eine vorteilhafte Arbeitsweise des Triebwerks zum Antrieb
eines Fahrzeugs oder einer anderen Last unter gleichzeitiger Möglichkeit der Lieferung von Druckluft für andere Zwecke.
Zu diesen kann das Entleeren von Tankwagen, die pulverförmige oder flüssige Ladung enthalten, gehören, beispielsweise
Zement, Flugasche, flüssigen Dünger, kleine Körner, Brennöl
und heisse Destillate, Kunststoff als Schüttgut usw. Die
abgeleitete Druckluft könnte auch zur Betätigung eines Luftmotors zum Antrieb für weitere Hilfsgeräte verwendet werden, beispielsweise eine Pumpe, einen Verdichter oder elektrische Generatoren.

309839/0418

Claims

-13-Patentansprüche :

1. Gasturbinentriebwerk mit einem Treibgaserzeuger aus einer Verdichterturbine, einem Verdichter und einer Brennkammer sowie einer von den Abgasen der Verdichterturbine angetriebenen Arbeitsturbine zum wahlweisen Antrieb einer Ausgangswelle oder zur Lieferung von Druckluft für Hilfszwecke, dadurch ge kennzeichnet, dass bei Ableiten von Druckluft für Hilfszwecke die Arbeitsturbine (10) von der über die Ausgangswelle (11) angetriebene Last (14,15) abgekuppelt und mit der Verdichterturbine (7) leistungsübertragend verbunden wird.

2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1 mit einem Wärmetauscher im Treibgaserzeuger, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme der Druckluft für Hilfszwecke stromabwärts des Wärmetauschers (4) erfolgt.

3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme von Druckluft für Hilfszwecke bei nicht miteinander gekuppelten Turbinen (7,10) durch eine Sperreinrichtung (44,46) verhindert ist.

309839/04 18