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Umsteuerbare Gasturbinenanlage Die Erfindung betrifft eine umsteuerbare
Ga@sturbinenanlage mit offenem, h.alboffenem oder geschlossenem Kreislauf des Ar#beitsmittels,
insbesondere für den Antrieb, von Fährzeugen. Die maschinelle Zusammensetzung der
Gesiamtanlage umfaßt,die bekannten B@auelemente, wie Verdichter-und Entspannungskrei-s#elrad#masdhinen,
Wärme au .stawscher und Brennkammern; die bauliche Awslegung,der Anlage kann in,
Ein- oder Mehrwellenanordnung erfolgen. Der Erfindung lag die Aufgaabe vor nach
Schaffung einer Gasturbinenantriebsanlage, welche nicht nur für den normalen Voirwärtsb@etrieib-
geeignet ist, sondern auch im M-anävrierbetrieb rüciliwärts laufen kann. Dieses
Erfordernis ist in erster Linie bei Kraftmaschinen gegeben, welche zum Antrieb von
Wasser- und Landfalh.rzeuge,n dienen; aber auch bei gewissen anderen Anwendungsfällen
besteht die Forderung nach einer soilchen Umsteuerungsmäglichkeit. Es ist bekannt,
daß man bei Dampf- oder Gaisturbinenanlagen für diesen. Zweck bisher entweder teure
und schwere Wendlegetriebe oder besondere Rückwärtstunbinen vorsehen mußte. Es i,st
auch iWeannt, bei Brennkraftturbinen die Regelung und Umsteuerung mittels drehbarer
Leitschaufeln vorzunehmen. Eine derartige Einrichtung ist jedoch nur verwendbar
bei Turbinen, deren Laufräder rein radial stehende Scharafeln aufweisen.
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Ferner wurde bereits vorgeschlagen, Gasturbinen zum Zweck des Umsteuer.n@s
mit einem verstellbaren Leitapparat zu versehen, der a"us zwei getrennten, mittels
eines Kalibe@ns in .axi,aler Richtung verschiebbaren Leitschaufeleins!ätze n besteht.
Voraus,s:et17ung für den Betrieb einer derartigenTurbine ist auch hier die Verwendung
rein radial stehender Laufschaufeln.
Diese bekannten UmsteuerungsvoTriohtungen
erfordern aber z. B. bei Schiffsiantriebs@anlagen einen =erheblichen zusätzlichen
Bauaufwand und erhöhen das Gewicht der Gesamtanlage nicht un,enhelblnch. Andererseits
wird durch den Einbau drehbarer Leitschaufeln oder verschieibibarer Leitapp:arate
,die Anlage wesentlich komplizierter und damit auch teurer in der Herstellung.
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Bei der Erfindung wird .dageagen von der Beobachtung rausgegangen,
.daß z. B. @radiial ,durchströmte K:reiseliverdichter mit :gutem Wirkungsgrad dann
auch,als Turbine betrieben werden können, wenn sie in der umgekehrten Strömungsrichtung
vorm Treibmittel durchströmt werden. Eine ähnliche Erscheinung konnte, -auch bei
Strömungsverosudhen mit axial beaufschlagten Gebläsen festgestellt werden, bei denen
nach Änderung der Anströmungsrichtung ein Wechsel im Drehsinn dies Läufers erfolgte.
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Erfindungsgemäß wird. nun vorgeschlagen, bei einer umsteuerbaren Ga-stu.ribinenanlage
zum Zweck der Änderung der Bewegungsri htung des angetriebenen Fahrzeuges die Durchsträmurngsrichtung
dies Maschinensatzes in ,der Weise zu ändern, .daß der Eintrittsstutzen des Treibmittels
zum Austrittsstutzen wird, und umgekehrt. Dieser Anträ-ebsmaschinensatz kann beispielsweise
aus mindestens je einem Radialverdichter und mindestens je einer Radialtunbine beistehen,
wobei letztere mechanische Arbeit über ein Übersetzungsgetriebe nach -außen abgibt.
Die Aushildung der Antri,eibsturhine als eine radial beaufschlagte Krei-selradmaschine
und ihre Kopplung mit einem ebenfailfs in raidi-aler Richtung :durchströmten Krei:sielradverdichter
steht zwar in, völligem Gegensatz zu den bisher allgemein überwiegenden Gepflogenheiten
bei der Ausl=egung einer derartigen Krafterzeugun@gsanlage. Bei einer Anordnung,der
-Antrieibsgruppt nach dier Erfindung wird: jedoch eine Änderung der Bewegungsrichtung
des angetriebenen, Fahrzeuges. ih: einfacher Weise dadurch möglich,-daß dieArbeitsfunktionen
der beiden Strömungsmaschinen gegenseitig vertauscht werdien. Die Ver idichtereinhait
arbeitet also bei Rückwärts-fahrt als Turbine und die Radiialturbine bei Rüdkwärtsfahrt
als Radialverdichter für das Treiibmittel: Eine derartig umsteuerbare Gastunbinenanilage
hat dien großen Vorteil, daß an der Maschinen,amlage eelbs.t keinerlei Veränderungen
vorgenommen werden müssen, sondern lediglich Schaltorgane auszuwechseln sind. Dadurch
ist es ohne weiteres möglich, bereits in Betrieb befindliche Anlagen ohne weiteres
umsteuerbar ausz uibilden.
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In Weiterausbildung .des eigentlichen Lös:ungsged:ankens, nämlich
zum Zweck :der Änderung der Umdreihum!gsrichtung der Antriebewielle, .den jeweili:gen
An:treibsmaschinen@siatz in der u mgekehmten Richtung anströmen zu lassen, i=st
es darüber hinaus möglich, die umsteuerblare Maschinengruppe als axi-ail diurchsträmte
Turbine auszubilden oder mehrere Axialturbinen parallel oder hintereinander zu schalten.
Wesentlich isst indessen hierbei, daß eine solche axiale Strömung=smaschine nur
wenige E.ntspannungsetufen aufweist und @daß der für die Einzelstufe indem Bereich
von 0,3 bis i,o liegt. Die Leit- und Laufschaufelgitter der umsteuerbaren Axialturb::ine
werden vorzugsweise .aus -unprofilierten Blechen hergestellt, wobei die einzelnen
Schaufeln in ihren für die Strömung maßgebenden Werten. in beiden Anströmumgsridhtungen
im wesentlichen übereinstimmen.
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Das Treiibgas für die- Antriebis@gruppe der erfirndungsgemäßen umsteuerbaren
Gasturbinenanlage kann schließlich in bekannter Weise mittels eines eigenen -Wellensatzes,
bestehend: aus reinen Ströim@ungsmaschinen, und einer nachgeschalteten Gleichdmuidkb.renn!kamimer
erzeugt werden. Es ist aber auch möglich, an Stelle der hierfür benötigten Verdrehter-
und andere ebenfalls bekannte Tr.eib@gatserzeugu:ngseinridhtun"gen zu verwenden,
wie z. B. Druckvergaser, pulsierend arbeitende Brennkammern oder nach dem Pescaraverfahren
avbe@itende Freiko:lbenmaschinen. Der Wechsel in der Arnströmumg der Turbine und
demzufolge im Drehsinn der Antrieibswelle :des betreffenden Fahrzeuges wird endlich
dadurch herbeigeführt, .daß in dien Zu- und Abströmungsleitungen .des umsteuerbaren
Strömungsmaschinensatzes gemeinsam betäitigte Steuermittel, wie z. B. Ventile, Schieber,
Klappen, angeordnet sind.
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In der Zeichnung @sin@d zwei S.ch:altschemas als Aus,füihrurngsbeis
piele einer umsteuerbaren Gasturbinenanlage nach der Erfindung dargestellt, und
zwar zeigt Fig. i eine Zweiwellenanlaige, deren Antriebsgruppe aus je einem Radialverdichter
und je einer Radi:altunb,i.n,e -besteht, Fig.2 eine Zweiwellenanlege, deren Antriebsgruppe
lediglich eine axi=al beaufschlagte. Turbineneinheit umfaßt.
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Bei der Zweiiwellenanlage nach Fig. i wird die zur Durchfü=hrung .des
Gasturbirnem:prozesses not-Nvendige Luftmenge in einem Niederdruckverdichter i angesaugt,
welcher direkt mit der Niederdruckturbi @e a gekuppelt ist. Der Niederdruckverdidhter
i kann in üblicher Weise ein meh=rstufiger Axia,lverdichter sein. Nach erfolgter
Vorverdichtung strömt die Luft einem Zwischenkühler 3 zu, in dem sie zum Zweck der
Verringerung der in der nachfolgenden Endverdichtungsstwfe aufzuwendenden Verdichtungsarbeit
rückgekühlt wird. Nach Passieren eines Umschaltorgans 4 wird die vorverdichtete
Luftmenge in dem .radial von innen nach außen durchströmten Verdichter 5 auf dien
Endidruck des Gasturbinenprozesses komprimiert. Dias Umschaltorgan .4. gilbt
dabei iin seiner kräftig aus=gezogenen Stellung den Strömungsweg des Aifbeitsmittels
z. B. für Vorwärtsfahrt des angetriebenen Nutzfahrzeuges an. Anschließend an den
Hochdruckverdichter 5 wird die Verbrennungsluft über ein weiteres 6, welches wieder
in der entsprechenden Lage für Vorwärtsfahrt angedeutet iiis.t, dem von .den Abgasen
Bier Niederdruckturbine bea:ufschlagten Wärmeaustausch .er 7 und von dort der 3xennkammer
8 zugeleitet. In letzterer wird oder flüssiger Brennstoff
verbrannt
und die Temperatur des Treibgases auf die geforderte Höhe gebracht. Die heißen Turbinentre:i,bgase
strömen sodann über das Schaltorgan 6 der Hochdruckturbine g z11, welche mechanische
Arbeit über ein Untersetzungsgetriebe io z. B. an den Antriebspropeller i i eines
Schiffes abgibt. Diese Hochdruckturbine 9 ist in gleicher Weise wie der dirdkt ,mit
ihr gekuppelteHo@ohdruckverdiehter 5 eine radial beaufschlagte Kreiselradmasch.ine,
d. h., die Laufrad!beschaufeIung wird von außen nach innen durchströmt. Nachdem
die Treibgase einen Teil ihrer Energie in der die Propellerwel.le antrenbenden Turbine
9 abgegeben haben, werden sie über das Schaltorgan 4 und die Leitung 12 der Nied@erdruclcturb@ine
a zugeführt. Bevor sie jedoch
in dieser auf Atm:olsphärend@ruck völlig entspannt
wer:den, kann ihre Temperatur und -damit ihr Wärmegefälle in an sich bekannter Weise
nochmals in einer Nasch brennkammer 13 heraufgesetzt werden. Die aus der Niederdrucktur@bine
a entlassenen Abgase geben schließlich den Rest ihrer Wärmeenergie in dem Wärmeaustauscher
7 an die vom Hochdiruckverdic,hter 5 kommende V erbrennungshift ab und strömen da
bei 1.1 ins Freie.
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Für :den Um,steuerungsvorgang des Antriebsmaschinensatzes, @velch:er
bei der Anlage nach Fig. i aus den beiden Radialmaschinen 5 und 9 besteht, ist lediglich
ein Umlegen der Schaltorganed. und 6 in die gestrichelte Lage erforderlich. Dies
hat zur Folge, daß die vom Nie derdruckverdichter i kommende und im Zwischenkühler
3 rückgekühlte vorv erdichtete Luftmenge nunmehr der StrÖmungsmaschine 9 zuströmt,
welche jetzt aiber in der umgekehrten Strömungsrichtung angeströmt w i,.rd und dabei
ihre frühere Arbeitsfunktion als Turbine ändert. Die Beschaufelung wird demzufolge
in radialer Richtung von innen nach außen beaufschlagt, so, daß die Verbrennungsluft
infolge der Zentrifuga.lwi@rkung weiterverdichtet wird. Der V.e,rdichtungsvo@rgang
verläuft dabei in gleicher ZV,ei!s,e wie bei Vorwärtsfahrt in dem Hochdruckverdichter
5. Nach Durchströmen der Radialmaschineg gelangt diee endverdichtete Luft über das
Schaltorgan 6 (gestrichelte Lage) zum- Wärmeaustausoher 7 und danach zur Brennkammer
ä, in welcher wiederum in bekannter Weise die Wärmeübertragung stattfindet. Das
heiße Treibgas wird sodann wieder über das Schaltorgan 6 der Radialmaschine 5 zugeführt,
welche infolge der Änderung der Anströmun:gsrichtung in gleicher Weise wie die Radialma:sohine
9 ihre ursprüngliche Arbeitsfunktion vertauscht hat und jetzt als treibende Turbine
arbeitet. Nach 1-Irfolgter Umsteuerung der beiden Schaltorgane d. und 6 wird auf
die beiden Strömungsmaschinen 5 und 9 wegen der geänderten Anström,ungsrichtung
zunächst eine Bremswirkung ausgeübt, welche @im Hinblick auf einen raschen Wechsel
des Drehsinns der Propellerwelle nur erwünscht ist; allmählich geht dann der Betrieb
in die entgegengesetzte Umdrehungsrichtung über. Der weitere Verlauf des Gastutbinenprozes,ses
ist der gleiche wie bei Vorwärtsfahrt. Die Abgase der bei Rüc'kwärtsfahrt als Turbine
arbeitenden Strömungsunaschine 5 werden über das Schaltorgan d. und die Leitung
12 gegebenenfalls einer Nachibren@nihammer 13 zugeführt, .entspannen sich völlig
@in .der Nie-derdruckturbine a und geben den Rest ihrer fühlbaren Wärme im Wärmeuustauscher
an die hochverdichtete Verbrennungsluft ab. Um den Umsteuerungsvorgan!g des Antrie!bsimaschinens;atzes
5, 9 zu erleichtern, tritt in zweckmäßiger Weise hierbei kurzzeitig die Anlu.ßmaschine
15 in Funktion.
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Die beiden Schaltorgane .4 und 6 sind während des Betriebes zur Hälfte
mit verdichteter warmer Luft und zur Hälfte mit heißem Treibgas in Berührung. Die
daraus resultierende thermische Beanspruchung ist daher durchaus erträglich. Das
Druckniveau, welches sich in diesen Schaltorganen 4 und 6 einstellt, ist für alle
vier Anschlußseiten praktisch gleich groß. Aus diesem Grunde brauchen auch .an de
Güte der Abdichtung und an die Festigkeit der beweglichen Steuerteile, z. B. Regelklappe,
keine allzu hohen Anforderungen gestellt zu werden. Der baulich"- Mehraufwand der
umsteuerbaren Gasturbinenanl,age nach der Erfindung gegenüber einer -einfachen,
nur für Vorwärtsfahrt geeigneten Kraftanlage besteht somit lediglich darin, daß
die beiden Schaltorgane q. und 6 notwendig und sowohl der Radialverdichter 5 als
auch ein Teil der Strömungsleitungen aus warmfestem Wertstoff hergestellt werden.
Außerdem muß natürlich die Auslegung der beiden Rad.ialmaschinen, 5 und 9 in besonderer
Weise aufeinander abgestimmt werden. Diese Aufgabe wird jedoch dadurch erleichtert,
als hier das besondere Betriebsv-erhalten der radial beaufsc:hla,gten Strömungsmaschinen
zu Hilfe kommt. Als Rad:iaiverdichter haben diese bekanntlich eine sehr flache Betriebskennlinie.
Dies bedeutet, daß das Durchliußvol-amen nicht unerheblich vom Auslegungswert abweichen
darf, ohne .daß sich dabei der Förderdruck und der Wirkungsgrad zu stark ändert.
Für radial durchströmte Turbinen gilt ähnliches. Daher kann auch der Forderung Rechnung
g'etrage'n werden, daß die gleiche Strömungsmaschine als Turbine ein durch Temperaturanstieg
ungefähr doppelt so großes Volumen verarbeitet wie als Verdichter. Es ist natürlich
selbstverständlich, daß man bei der AusIegung trotzdem erforderliche Kompromisse
zu Lasten des Wirkungsgrades bei dem seltener vorkommenden Rückwärtsbetrieb zugestehen
kann. An Stelle der dem Ausführungsbeispiel der Fg. i zugrunde gelegten Radialmasc:hinen
ist es indessen darüber hinaus auch noch möglich, axial durchiströmte Kreisel@maschine-n
in gleicher Weise und in der gleichen schaltungsmäßigenAnordnung einzusetzen. Im
Hinblick auf den Wirkungsgrad bei Rückwärtsfahrt sind allerdings Radialmaschinen
vorzuziehen.
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Die dem Schaltungs,schema der Fig. i zugrunde gelegte. Lösung ist
schließlich auch auf weitere Gasturbinensc!haltungen anwendbar. Wegen der Vielfalt
der hierfür gegebenen Möglichkeiten sei nur beispielsweise darauf hingewiesen, daß
durch Abtrennen des 2#Ti-ed,erd@rucscverd'ich-ter-satz.e,s 1, a es möglich ist,
die, Restanlage als einfache. Einwellenan
1age zu betreiben. Die
Verb-r-enniungsluft wird dann an der Ste'l'le 2i dem Gasturbinenprozeß und durchströmt
wie bei Fig. i die einzelnen Bauelemente 4 bis 9. Das Turbinenabgas wird über diie
Leitung 22 in - den Wärmeaustauscher 7 geleitet und von dort ins Freie entlassen.
Außerdem ist es möglich, an Stelle des Hochdruckmaschinensatzes 5, 9 auch die Niederdruckmaschinen
i, 2 in radialer Bauart auszuführen. Racli@al beaufs.chlagte Niederdruckverdichter
und -turbinen sind zwar bei größeren Leistungseinheiten baulich verhältnismäßig
groß, .dieser Nachteil wird indessen durch eine geringere
[email protected],
[email protected]
und eine verbesserte Leistungsaufteilung wieder aufgewogen. Endlich sei noch erwähnt,
daß eine Aufteilung der auf mehr a,ls zwei Wellensätze durchaus möglich ist.
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Die: Anlage nach der Fig.2 ist wiederum als Zwenwellenanlage ausgebildet
und stellt ein weiteres Ausfwhrjuugsbeilspiel einer umsteuerbaren Gaisturbinena;nlage,d;ar,
welche gemäß dem eigentlichen Lösungsgedanken nach der Erfindung betrieben wird.
Die Verbrennungsluft wird in bekannter Weise wiederum in einem Nie derdruckverdichter
3i, welcher gleichachsig von der Niederdruckturbine' 32 angetrieben wird, angesaugt.
Sie strömt ohne jegliche Rüdldkühlung sofort zur weiteren Wär@mea;u!fnaihm@e dem
Wä
[email protected] 33 zu, der von den Abgasen der Niederdrucktu@rbine 32 beaufschlagt
wird. Daran anschließend erfolgt die Hauptwürmezufuhr in .der Brennkammer 34, -in
der in üblicher Weise entweder flüssiger oder gasförmiger Brennstoff verbrannt wird.
Über ein Schaltorgan 35, das in der kräftig ausgezogenen Stellung die Strömungsrichtung
für Vorwärtsbetrieb angibt, werden @die heißen Treibgase einer axial durdhströmten
Gasturbine 36 zugeführt, welche nur wenig-. Entspannungsstufen enthält. Nach Abgabe
.ihrer Energie .an die Besdhaufelung der Gasturbine 36, welche Über ein Untersetzungsgetriebe
37 beispielsweise wiederum den Propeller 38 eines Schiffes antreiben kann, verlassen
sie die Strörnungsmaschine wieder und werden über das Schaltorgan 39 und die Leitung
40 und gegebenenfalls über eine Nachtbrennkammer 41 der Ni@ederdruckturbine 32 zur
Restentspannung zugeleitet. Die Umsteuerung der Antrieb-,s:maschine@ 36 erfolgt
nun durch Umlegen der beiden. Schaltorgane 35 und 39 in die geistridhelte Lage.
Demzufolge strömen die aus der Brennkammer 34 kommenden heißen Treibgase Über die
Leitung 42 der Gasturbine 36 zu Bund beaufschlagen diese in der umgekehrten Anström:ung
srichtung. Sie werdier-i nasch Abgabe ihrer Energie über die Leitung 43 und das
Schaltorgan 39 wieder in die Leitung 40 entlassen. Der wesentliche Vorteil der Anilaige
nach Fig. 2 besteht nun darin, :daß gegebenenfalls nur eine einzige Antriebsturbine,
welche in diesem Falle als axiale Gasturbine ausgebildet ist, erforderlich wird.
Diese Gasturbine behält bei Umsteuerung auf Rückwärtsfahrt ihre eigentliche, als
Turbine bei. Wesentlich für die Durchführung der Erfindung ist indessen, daß der
Reaktionsgrad für 'die Einzelstufe über o,3 liegt. Der Wirkungsgrad der Antriebsturbine
bei der Anlage nach Fig. 2 wird zwar etwas stärker abfallen als etwa bei einer Anordnung
gemäß Fig. i (radiale Strömungsmaschinen); sie ist aber immer noch so groß, um das
Fahrzeug in der umgekehrten Bewegungsrichtung anzutreiben und fortzubewegen. Zur
Erleichterung des Umsteu'erungsvorganges tritt in gleicher Weise wie bei der Anlage
nach Fi!g. i in zweckmäßiger Weise die Anlaßmaschine 44 kurzzeitig in Funktion.
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Der Hauptvorteil der Arniage nach Fig. 2 liegt in erster Linie in
s'eine'r Einfachheit. Diese kommt am aiugenscheinlichsten zum Ausdruck, wenn an
Stelle des Niederdruckmasdhinensatzes eine andere an sich bekannte Treibgaserzeugungseinrichtung
zur Anwendung gelangt, z. B. ein Druckgaserzeuger, eine pulsierend axbeitende Brennkammer
oder ein nach dem Pescaraverfähren betriebener Freikolbenm'aschi.nensatz. Auch bei
der 'in Fig. 2 angegebenen Gasturb@inenschaltung sind genauso wie bei der Anlage
nach Fig. i noch weitere zweckmäßige Anordnungen Art durchführbar, ohne vom eigentlichen
Erfind'ungsgedanken abzuweichen.
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Es sei noch erwähnt, daß bei den Anlagen nach Fig. i und 2 während
des Umsteuervorganges Abbil@asieventi;le 16 bzw. 45 kurzzeitig geöffnet werden,
welche an geeigneten Stellen der betreffenden Anlage vorgesehen sind. Auf diese
Weise vermeidet man einen instabilen Betrieb der Verdichtereinhei'ten.