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Gasturbinenanlage, insbesondere Gasturbinen-
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triebwerk für ein Kraftfahrzeug Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage,
insbesondere ein Gasturbinentriebwerk für ein Kraftfahrzeug, mit einem Gaserzeuger
und einer Nutzturbine.
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Bei C-sturbinenanlagen, insbesondere Gasturbinentriebwerken für ein
Kraftfahrzeug hat sich besonders diejene Bauart als zweckmäßig herausgestellt, die
einen Gaserzeuger mit einem LuftverdichteL und einer Gaserzeugerturbine auf gemeinsamer
Welle und eine dieser Turbine strömungsmäßig nachgeschaltete Nutzturbine (NutzleistuncJsturbine)
auf eigener Welle aufweist.
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Diese Grundeinheit ist zusätzlich mit Einrichtungen auszustatten,
die cs ermuglichen, insbesondere folgende Forderungen zu befriedigen: Gutes Teillastverhalten
hinsichtlictl des Brcnnstoffverbrauchs, schnelle Leistungsaufnahme und -abnahme
je nach den Erfordernissen des Fahrbetriebes, günstiges Bremsverhalten und
gerinyer
Leerlauf-Brennstoffbedarf; ferner soll die Drehzahl des Gaserzeugers in keinem Betriebszustand,
auch nicht beim Bremsen, wesentlich über die normale Vollastdrehzahl hinausgehen.
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Zur Erfüllung der Forderungen nach einem günstigen Teillastverbrauch
und guter Beschleunigungsfähigkeit wäre eine Lösung am günstigsten, bei der der
Gaserzeuger bei gleichbleibendem Druckverhältnis allein den Luftdurchsatz ändert.
Bei abnehmender Leistung sollten ferner die Temperatur vor der Turbine und die Strömungsmaschinenwirkungsgrade
konstant gehalten werden. Der Kreisprozeß des Gaserzeugers würde dann bei annähernd
gleichen Zustandsgrößen ablaufen.
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Aus Kontinuitätsgründen ist bei Strömungsmaschinen mit konstantgehaltener
Geometrie diese Lösung nicht ausführbar. Man kommt dieser Lösung aber näher, wenn
Verdichter und/oder Turbine mit Verstelleitapparat ausgeführt werden. Bei solchen
Bauarten könnte der Durchsatz zurückgenonimen werden, ohne daß sich bei konstanter
Drehzahl das Druckverhältnis in dem Maß vermindert, wie es bei Verdichtern und Turbinen
ohne Verstelleitapparate der Fall ist.
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Eine für den spezifischen Verbrauch - insbesondere bei Kraftfahrzeuggasturbinentriebwerken
mit Wärmetauscher - günstige
Lösung erhält man aber auch dann, wenn
man bei einem Gaserzeuger ohne Verstelleitapparat bzw. Verstelleitbeschaufelunq
bei Lastverminderung mit abnehmender Drehzahl durch geeignete Maß" nahmen die Turbineneintrittstemperatur
etwa konstant hält oder mit fallender Last der Drehzahl so zuordnet, daß sie - bei
den jeweils vorhandenen Strömungsmaschinenwirkunysgraden - verbrauchsoptimal ist.
Dies kann dadurch geschehen, daß man dem Gaserzeuger bei abnehmender Drehzahl zusätzliche
Wellenleistung entnimmt.
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Gleichzeitig mussen Vorkehrungen getroffen werden, damit die Pumpgrenze
des Verdichters nicht erreicht wird Es istçmöglich, diese Zusammenhänge dadurch
zu realisieren, daß man zwischen dem Gaserzeuger und der Nutzturbine eine mechanische
Verbindung über Getriebe schafft, die wahlweise über eine schleifende Kupplung eingeschaltet
werden kann. Die schleifende Kupplung hat den Vorteil, daß das übertragene Moment
dosiert werden kann und das Verhältnis der Gaserzeugerdrehzahl zur Nutzturbinendrehzahl
sich ändern kann. Mit solchen Einrichtungen läßt sich auch der Gaserzeuger zum Bremsen
des Kraftfahrzeugs heranziehen, indem wahlweise auch Leistung von der Abtriebsseite
auf den Gaserzeuger übertragen wird, wo sie im Verdichter aufgenommen werden kann,
falls die Brennstoffzufuhr gedrosselt wird. Die Anordnung dieser Kupplung hat aber
für diesen Fall den Nachteil, daß beim Betrieb mit stark von 1 abweichendem Drehzahlverhältnis
ein nicht unerheblicher Leistungsverlust auftritt.
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Da an der Kupplung die Momente an der Antriebsseite und der Abtriebsseite
einander gleich sind, beträgt die Verlustleistung n2 NV = N1 (1 ~ WO wo Nv die Verlustleistung,
N1 die vom Gaserzeuger abgegebene Leistung, n1 die Drehzahl auf der Gaserzeugerseite
der Kupplung und n2 die Drehzahl auf der Abtriebsseite der Kupplung ist. Aus dieser
Beziehung erkennt man, daß bei stark schleifendem Abtrieb ein erheblicher Anteil
der Antriebsleistung verlorengeht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Vedbesserung des
Teillastbetriebs und zur Erfüllung anderer genannter Forderungen zu schaffen, wobei
diesem Nachteil der Verlustleistung an der Kupplung begegnet werden soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Verbindung der
Nutzturbine und des Gaserzeugerabtriebs über einen Drehmomentwandler, dessen Drehmomentaufnahme
regelbar eingerichtet ist. An die Stelle der Kupplung wird also ein Energiewandler
gesetzt.
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Dieser bietet bei großen Drehzahlunterschieden zwischen der Eingangswelle
und der Ausgangswelle einen erheblichen Vorteil, da der Wirkungsgrad der Leistungsübertragung
günstiger wird. Man kann ferner im normalen Betriebsfall hohe prozentuale Drehzahlunterschiede
zulassen. Das Mauptmerkmal des Drehmomentwandlers gegenüber der Kupplung besteht
darin, daß das bei der Wandlung notwendigerweise auftretende Differenzmoment zwischen
Antrieb
und Abtrieb an einem feststehenden oder an einem dritten
rotierenden Bauteil abgefangen werden muß. Außerdem sind die Möglich keiten zur
baulichen Gestaltung bei einer Drehmomentwandlung ,, vielfältiger als bei einer
schleifenden Kupplung. Beispielsweise kann am Gaserzeuger ein elektrischer Generator
vorgesehen werden, von dem aus die Energie über elektrische Leitungen an einen Elektromotor
übertragen wird, der die Leistung an den Fahrzeugabtrieb abführt. Durch Änderung
des Feldes am Elektrogenerator kann in gewünschter Weise die Übertragungsleistung
gesteigert werden, womit die Temperaturerhöhung erzielt wird, die;man zur Verbesserung
des Kreisprozesses benötigt. Statt dieser Elektroeinrichtungen kann auch ein hydrodynamischer
oder hydrostatischer Drehmomentwander mit einer Einrichtung zur Änderung der Drehmomentübetragung
vorgesehen werden. - Die genannte elektrische Energieübertragung kann mit der Stromversorgung
des Gasturbinentriebwerks kombiniert werden, und zwar in der Weise, daß der Elektrogenerator
zusätzlich die erforderliche Energie zum Laden einer Batterie oder zusätzlicher
Aggregate übernimmt.
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Vorteilhafterweise sind hier weder Fernwellen noch Getriebe notwendig,
um die Leistung vom Gaserzeuger zur Antriebsseite zu übertragen.
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Der Drehmomentwandler kann für die Ubertragung relativ kleiner Leistungsanteile
des- Caserzeugers dimensioniert werden. Um die
gewünschte Temperaturerhöhung
an der Gaserzeugerturbine zu bekommen, wird im allgemeinen nur eine Leistung übertragen
werden müssen, die hochstens etwa 40 % der Leistung beträgt, die als Nutzleistunq
umgesetzt wird Beim Bremsen sollte andererseits eine sehr hohe Leistung, die der
Volleistung des Gasturbinentriebwerks entspricht, übertragen werden. Dazu ist es
nicht notwendig, den hochwertigen Drehmomentwandler einzusetzen, dafür würde eine
dosierfähige Kupplung durchaus ausreichen.
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Um somit sowohl den Betrieb bei Teillast mit den hohen Wirkungsgradanforderungen
als auch den Bremsfall mit geringem Bauaufwand erfüllen zu können, wird eine Kombination
des Drehmomentwandlers und einer Kupplung, insbesondere mechanischem Kupplung, vorgeschlagen,
d.- h. der Drehmomentwandler greift bei Teillastbetrieb ein, während die Kupplung
nur beim Bremsen zugeschalte-t wird. Es lassen sich auf diese Weise die Funktionen
auch besser trennen. Im Leerlauf, der bei ruhendem Kraftfahrzeug einen kleinen absoluten
Brennstoffverbrauch aufweisen soll, wäre eine kleine Drehzahl mit niedriger Turbineneintrittstemperatur
anzustreben. Mit Rücksicht auf das Beschleunigungsverhalten darf man die Drehzahl
aber nicht stark absenken. Man wird vorteilhafterweise aber die Übertragung der
Energie auf die Abtriebsseite voll abschalten. Um beim Teillastbetrieb der Gasturbine
durch die zusätzliche Belastung des Gaserzeugers einen Vorteil im spezifischen Verbrauch
zu erhalten, muß die übertragung der
Leistung vom Gaserzeuger auf
die Nutzturbine mit gutem Wirkungsgrad erfolgen. Dazu sollte man den Drehmomentwandler
in der Nähe seines Auslegungspunktes fahren und die Bereiche kleiner Belastung vermeiden
Dies kann durch eine entsprechende Steuerung erreicht werden Entscheidend verbessern
kann man den Drehmomentwandlerbetrieb durch einen Drehmomentwandler mit Leistungsverzweigung.
. Bei diesem wird nur ein Teil der Leistung über den Drehmomentwandler übertragen,
der andere Anteil über ein Differentialgetriebe.
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Um bei Lastaufnahme das Gasturbinentriebwerk möglichst schnell beschleunigen
zu können, ist es vorteilhaft, während der Fahrt vorübergehend Leistung vom Abtrieb
her über den Drehmomentwandler auf den Gaserzeuger zu übertragen, d. h. den Wandler
dementsprechend zu schalten; dies kann beim hydrodynamischen Wandler durch Verstellschaufeln
geschehen. Es wird dabei kurzzeitig am Abtrieb eine Leistungsminderung auftreten,
die, weil sie geringfügig ist, zugelassen werden kann. Besonders zu empfehlen ist
dieses Vorgehen, wenn unmittelbar aus dem Bremsen heraus wieder beschleunigt werden
soll. Hier wird der Gaserzeuger unmittelbar auf hoher Drehzahl gehalten werden können.
Eine schnelle Brennstoffzufuhr muß allerdings die Einrichtung zur Aufrechterhaltung
der Drehzahl unterstützen.
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Beim Einsatz beispielsweise des genannten Elektrowandlers kann aber
auch Energie z. B. in einer Batterie gespeichert werden, die dann zur Beschleunigung
des Gaserzeugers herangezogen wird.
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Auch andere Formen der Energiespeicherung sind grundsätzlich anwendbar.
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Weitere Vorteile bietet ein Drehmomentwandler mit verstellbaren Leitschaufeln
in der Anwendung beim Bremsbetrieb, da hier die Leistungsaufnahme bzw. Leistungsübertragung
unabhängig von der Antriebsdrehzahl stufenlos verändert werden kann. dadurch kann
man in Verbindung mit einem automatisch schaltenden Fahrzeuggetriebe folgende Bedingungen
einhalten: 1. Dfe Drehzahl des Gaserzeugers, der hier als Bremse wirkt, kann in
zulässigen Grenzen gehalten werden. Dazu gehören entsprechende Reglereinrichtungen.
Ein starres Durchkuppeln von der Fahrzeugseite zum Gaserzeuger entfällt in diesem
Fall.
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2. Durch das Einstellen einer hohen Gaserzeugerdrehzahl wird es möglich,
die höchstmögliche Bremswirkung des Gaserzeugers in einem Fahrgeschwindigkeitsgebiet
ohne wesentliche Einbußen vo-ll einzusetzen. Bei einer starren Kupplung wäre es
unmöglich, eine zulässige Gaserzeugerdrehzahl in engen Grenzen einzuhalten.
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Die Bremsleistung würde ferner in einem Fahrgeschwindigkeitsbereich
eines
Ganges mit abnehmender Drehzahl stark abfallen.
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- Vorteilhafterweise ist der Drehmomentwandler zur Entnahme der Bremsleistung
auf der Abtriebsseite mit einer Einrichtung zur Umkehr des Kraftflusses ausgestattet.
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Aus den vorgenannten Aufgabenstellungen ergibt sich, daß eine Leistungsübertragung
erstens bei Vorwärts fahrt vom Gaserzeuger an den Abtrieb besonders im Teillastbereich
und zweitens beim Bremsen vom Abtrieb an den Gaserzeuger notwendig ist.
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Im erstgenannten Fall ist ein guter Wirkungsgrad notwendig, der im
zweitgenannten Fall nicht verlangt wird. Es ist trotz dieser Einschränkung öfter
nicht möglich, die Forderungen mit einem einzigen Drehmomentwandler zu erfüllen.
Aus diesem Grund empfiehlt sich bei hohen Ansprüchen die Trennung der Funktionen.
Diese erhält man durch die Verwendung von zwei Drehmomentwandlern. Der erste Drehmomentwandler
wird bei Vorwärts fahrt eingeschaltet und ist für eine relativ kleine Leistungsübertragung
ausgelegt, und der zweite Drehmomentwandler ist für hohe Leistungsaufnahme in der
Größenordnung der Maximalleistung des Gasturbinentriebwerks dimensioniert.
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In der Zcichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt,
und zwar zeigt
Fig. 1 die Gasturbinenanlage mit elektrischer Energieübertragung
vom Gaserzeuger auf die Abtriebsseite, Fig. 2 die Gasturbinenanlage mit hydrodynamischem
Drehmomentwandler, Fig. 3 eine kombinierte Energieübertragungseinrichtung aus einem
hydrodynamischen Drehmomentwandler und einer mechanischen Kupplung, Fig. 4 eine
Energieübertragungseinrichtung in Form eines leitschaufelverstellbaren, hydrodynamischen
Drehmomentwandlers, Fig. 5 die Gasturbinenanlage mit elektrischer Energieübertragung
und mechanischer Kupplung, Fig. 6a und 6b eine Gegenüberstellung von Leistungsabläufen
und Beschleunigungsabläufen und Fig. 7 eine Kombination von zwei Drehmomentwandlern,
für Teillast- und Bremsbetrieb.
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In Fig. 1 ist ein Gasturbinentriebwerk mit einem Gaserzeuger, der
einen Luftverdichter 1 und eine Gasturbine 2 auf einer gemeinsamen Welle 3 aufweist,
dargestellt. Die vom Luftverdichter 1 geförderte Luft wird in einem Wärmetauscher
7 aufgeheizt und in eine Brennkammer 4 geleitet, wo ein Teil dieser Luft als Verbrennungsluft
zur Verbrennung des Brennstoffs dient. Das Gemisch aus den Verbrennungsgasen und
der andere Teil der Luft (Kühlluft) durchströmen dann als Treibmittel die Gasturbine
2. Anschließend durchströmt dieses Treibmittel einen Turbineneintrittstleitapparat
8, der verstellbar ausgebildet sein kann, und darauf eine auf einer eigenen Welle
sitzende Nutzturbine 5 des GasturbinentriebwerksJvon wo aus das Treibmittel durch
eine Leitung 6 und dann ins Freie strömt.
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Von einem freien Wellenende 10 des Gaserzeugers wird ein Wechselstromgenerator
11 angetrieben, dessen Erregung und somit Leistungsabgabe steuerbar ist. Über eine
Kabelverbindung 13 wird der erzeugte Strom über einen Frequenzwandler 14 einem Wechselstrommotor
12 zugeführt, der direkt über ein Getriebe 9 Leistung auf eine Abtriebswelle 15
übergibt. Beim Teillastbetrieb des Gasturbinentriebwerks kann somit durch die Fremderregung
das Ausmaß der zu übertragenden Leistung beispielsweise in Abhängigkeit von der
Gaserzeugerdrehzahl gesteuert werden, wobei sich die Drehzahl der Abtriebswelle
15 in einem größeren Ausmaß ändern kann. Umgekehrt kann beim Bremsen des Kraftfahrzeugs
der
Motor 12 als Generator arbeiten und Leistung an den Generator
11 übertragen.
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Eine im Wesen ähnliche Energieübertragung zeigt Fig. 2. Diese Übertragung
erfolgt mit Hilfe eines hydrodynamischen Drehmomentwandlers 29. Der Gaserzeuger
treibt über eine Welle 20 ein Zahnradpaar 21 an. Über eine Hohlwelle 16 wird andererseits
von der'Nutzturbine 5 ein weiteres Zahnradpaar 17/18 angetrieben, das mit dem Turbinenrad
23 dieses Drehmomentwandlers 29 verbunden ist. Der Gaserzeuger treibt über das Zahnradpaar
21 den Pumpenteil 22 des Drehmomentwandlers 29 an; das Restdrehmoment wird über
die feststehende Leitbeschaufelung 25 übertragen. Durch Veränderung der Füllung
des Drehmomentwandlers 29 kann die zu übertragende Leistung eingestellt werden,
die dann über die Turbinenseite des Drehmomentwandlers und eine Welle 27 dem Antrieb
zugeführt wird. Der vor dem Turbinenrad liegende Leitschaufelkranz 28 soll mit drehbaren
Leitschaufeln ausgestattet sein.
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Eine ähnliche Ausführung des Drehmomentwandlers zeigt Fig. 3.
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Hier könnten durch eine zusätzliche mechanische Kupplung 30 die Pumpe
31 und die Turbine 32 miteinander gekuppelt werden.
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Diese Einrichtung ist vor allem für einen Bremsbetrieb bestimmt.
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Der hydrodynamische Drehmomentwandler gemäß Fig. 4 weist verstellbare
Leitschaufeln 33/34 auf, die es ermöglichen, die Beaufschlagung der Turbinenseite
35a, b des Drehmomentwandlers1 zu beeinflussen. Das zugehörige Pumpenrad 36 wird
vom Gaserzeuger her über die Gaserzeugerwelle 37 angetrieben, während die Nutzturbine
über eine Welle 38 zusätzlich die von der Turbinenbeschaufelung übertragene Leistung
mit aufnimmt und an eine Abtriebswelle 39 führt. Mit dieser Leitschaufelregelung
ist es möglich, ohne Änderung der Füllung die vom Gaserzeuger an den Abtrieb übertragene
Leistung im gewünschten Ausmaß einzustellen.
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Im Sinn der zuerst genannten Aufgabenstellung muß bei sinkender Gaserzeugerdrehzahl
ein größerer Anteil der Leistung übertragen werden, tas durch ein entsprechendes
Steuergerät in Abhängigkeit von der Gaserzeugerdrehzahl gesteuert werden kann. Beim
Bremsen muß andererseits durch eine Regeleinrichtung dafür gesorgt werden, daß ebenfalls
durch Leitschaufelverstellung im gewünschten Maß die Bremswirkung verstärkt wird
und andererseits eine maximale Drehzahl der Gaserzeugerwelle 37 in großen Grenzen
veränderlicher Drehzahl der Abtriebswelle 39 nicht überschritten wird.
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Eine ähnliche Wirkung wie mit dem zuerst beschriebenen hydrodynamischen
Drehmomentwandler kann man mit dem elektrischen nrehmomentwandler gemäß Fig. 5 erzielen.
Vom Gaserzeuger wird
über die Welle 20 auch hier ein Zahnradpaar
21 angetrieben.
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Auf die mit dem Zahnradpaar 21 verbundene Abtriebswelle 40 ist ein
Anker 41 eines Wechselstromgenerators aufgesetzt, der in einem Stator 42 Wechselstrom
erzeugt. Dieser Wechselstrom wird in einem Frequenzumformer 43 umgeformt und einem
Stator 44 zugeführt, der einen Anker 45 antreibt, der seinerseits auf der Abtriebswelle
19 der Nutzturbine 5 befestigt ist. Mit Hilfe einer Fremderregung der Generatorseite
wird die Leistungsaufnahme verändert. Durch eine mechanische Kupplung können auch
hier die Antriebsseite und die Abtriebsseite miteinander direkt verbunden werden.
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In Fig. 6a ist die Beschleunigungsleistung Nb des Gaserzeugers über
der Zeit t für zwei Fälle dargestellt: a) Zum Beschleunigen steht nur die überschußleistung
des Gaserzeugers zur Verfügung. Diese steigt mit zunehmender Drehzahl stark an (linear),
ist aber bei Leerlaufdrehzahl (siehe Fig. 6b mit korrespondierendem Drehzahlverlauf)
noch sehr gering. Daher ist die Beschleunigung zuerst ebenfalls ungenügend.
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b) Aus einem Energiespeicher, z. B. aus der Bewegungsenergie des Fahrzeuges,
einer Batterie oder ähnlichen Einrichtungen, wird eine kurzzeitige Leistungserhöhung
bewirkt - siehe Linie b
in Fig. 6a - wodurch kurzzeitig die Energie
zur Beschleunigung des Rotors über den Drehmomentwandler zugeführt wird. Damit verkürzt
sich die Zeit bis zur vollen Leistungsabgabe der Gas turbine. Entsprechend ist der
Drehzahlanstieg - Linie b in Fig. 6b - steiler.
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In Fig. 7 sind zwei Drehmomentwandler 53 und 62 dargestellt, die wechselweise
eingeschaltet werden. Der Antrieb erfolgt vom Gaserzeuger über ein Zahnrad 50 auf
eine Hohlwelle 51, die in Fig. 7 auf der linken Seite ein Pumpenrad 52 des Drehmomentwandlers
53 trägt. Das zugehörige Turbinenrad 54 ist auf eine Welle 55 aufgesetzt, die mit
dem Abtrieb über eine Kupplung 56 verbunden ist. Der Drehmomentwandler 53 enthält
in einem Gehäuse 57 eine Leitbeschaufelung 58 und zwei Lager. Das eine Lager 59
stützt die Welle 55 und das andere Lager 60 die Hohlwelle 51. Für den Teillastbetrieb
ist der Drehmomentwandler 53 durch entsprechendes Füllen durch eine Bohrung 61 in
der Welle 55 eingeschaltet. Der Drehmomentwandler 53 ist nur für die Übertragung
eines Leistungsanteils des Gasturbinentriebwerks ausgelegt, die genügt, um das Teillastverhalten
zu verbessern.
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Der Drehmomentwandler 62 dient zur übertragung der Bremsleistung von
der Abtriebsseite auf den Gaserzeuger. Über die Kupplung 56 wird die Welle 55 angetrieben,
auf der das Pumpenrad 63 befestigt
ist. Das zugehörige Turbinenrad
64 sitzt auf der Hohlwelle 51. Im,Wandlergehäuse 65, das feststeht, sind Leitbeschaufelungen
66 und 67 eingesetzt, die teilweise oder voll verstellbar sein können, z. B. durch
Verstellteile 68. Es ist damit möglich, eine Anpassung an das sich ändernde Drehzahlverhältnis
zwischen der Abtriebswelle 55 und der Antriebswelle 51 vorzunehmen. Im Wandlergehäuse
65 sind Lager 69, 70 angeordnet, die gemeinsam mit den Lagern 59, 60 am Ausgleichswandler
53 die Wellen 51 und 55 je zweifach lagern. Der Drehmomentwandler 62 wird für die
Bremsleistung ausgelegt, die größer als die Ausgleichsleistung ist. Daher ist der
Bremswandler 62 auch größer als der Ausgleichswandler 53.