DE1140962B

DE1140962B - Drive system with a gas turbine and one of these downstream hydrodynamic gears, for traction vehicles, especially rail traction vehicles or systems with similar operating conditions

Info

Publication number: DE1140962B
Application number: DEV14926A
Authority: DE
Inventors: Fritz Kugel
Original assignee: JM Voith GmbH
Current assignee: JM Voith GmbH
Priority date: 1956-09-27
Filing date: 1958-08-23
Publication date: 1962-12-13

Description

Antriebsanlage mit einer Gasturbine und einem dieser nachgeschalteten hydrodynamischen Getriebe, für Triebfahrzeuge, insbesondere Schienentriebfahrzeuge oder Anlagen mit ähnlichen Betriebsverhältnissen Zusatz zum Patent 1074 069 Die Erfindung betrifft eine Antriebsanlage mit einer Gasturbine und einem dieser nachgeschalteten hydrodynamischen Getriebe, das einen Strömungswandler für den unteren und mindestens einen Kupplungsgang für den oberen Geschwindigkeitsbereich aufweist, für Triebfahrzeuge, insbesondere Schienentriebfahrzeuge oder Anlagen mit ähnlichen Betriebsverhältnissen. Jeder der Kupplungsgänge kann hierbei unter anderem mechanische Schaltkupplungen aufweisen, wobei diese im Fall eines Planetenrad-Schaltgetriebes auch als Schaltbremsen ausgebildet sein können.Power plant with a gas turbine and a downstream of this hydrodynamic transmission for traction vehicles, in particular railway locomotives or plants with similar operating conditions, additional patent 1074069 The invention relates to a drive unit with a gas turbine and a downstream of this hydrodynamic transmission having a hydrokinetic torque converter for the bottom and at least has a clutch gear for the upper speed range, for traction vehicles, in particular rail traction vehicles or systems with similar operating conditions. Each of the clutch gears can have, among other things, mechanical shift clutches, which in the case of a planetary gear shift transmission can also be designed as shift brakes.

Nach dem Hauptpatent wird für Antriebsanlagen der vorgenannten Art eine solche Auslegung des Strömungswandlerganges - d. h. des Strömungswandlers und seiner Eingangsübersetzung - vorgesehen, daß das Getriebe im Strömungswandlergang von der Gasturbine nur solche Drehmomente abverlangt, die jeweils kleiner sind als die dem Gasturbinenarbeitsbereich mit thermischer überbeanspruchung entsprechenden Drehmomente. Durch diese Ausbildung wird sichergestellt, daß die in dem Arbeitsbereich großer Drehmomente und kleiner Drehzahlen auftretende thermische überbeanspruchung der Beschaufelung der Gasturbine zwangläufig ausgeschlossen ist, und zwar sowohl bei Vollals auch bei Teillastbetrieb der Gasturbine.According to the main patent, such a design of the flow converter passage - d. H. of the flow converter and its input ratio - it is provided that the transmission in the flow converter gear requires only those torques from the gas turbine which are each smaller than the torques corresponding to the gas turbine working range with thermal overload. This design ensures that the thermal overloading of the blading of the gas turbine occurring in the working range of high torques and low speeds is inevitably excluded, both when the gas turbine is operating at full load and at part load.

Nach der Erfindung wird der Gegenstand des Hauptpatentes in besonderer Weise weitergebildet. Dies geschieht bei der Antriebsanlage nach dem Hauptpatent dadurch, daß für den unteren Geschwindigkeitsbereich des Getriebes in an sich bekannter Weise ein rein mechanischer Kraftweg und ein hierzu parallel geschalteter, den Strömungswandler enthaltender hydraulischer Kraftweg vorgesehen werden, wobei die Verbindung dieser beiden Kraftwege mit einer der beiden Getriebe-Hauptwellen - nämlich entweder mit der Eingangswelle oder aber mit der Ausgangswelle des Getriebes - als leistungsteilendes bzw. leistungssummierendes Planetengetriebe ausgebildet ist. Die Verbindung der jeweils anderen Kraftwegenden mit der zugehörigen Getnebe-Hauptwelle kann dagegen ohne ein Planetengetriebe erfolgen, in den meisten Fällen etwa über einen Freilauf oder durch direktes Kuppeln dieser Kraftwegenden mit der entsprechenden Getriebe-Hauptwelle.According to the invention, the subject of the main patent is developed in a special way. This is done in the drive system according to the main patent in that a purely mechanical power path and a hydraulic power path connected in parallel and containing the flow converter are provided for the lower speed range of the transmission in a manner known per se, the connection of these two force paths with one of the two Transmission main shafts - namely either with the input shaft or with the output shaft of the transmission - is designed as a power-dividing or power-summing planetary gear. The connection of the other power path ends with the associated Getnebe main shaft, however, can be done without a planetary gear, in most cases for example via a freewheel or by directly coupling these power path ends with the corresponding gear main shaft.

Bei einem derartig ausgebildeten Getriebe wird somit zumindest im niedrigsten Gang die Gasturbinenleistung zu einem Teil über den Strömungswandler und zum anderen Teil über den mechanischen Kraftweg übertragen. Trotz dieses verzweigten Leistungsflusses bleiben die Vorteile des Wandlerbetriebes im wesentlichen, erhalten. Andererseits wird dabei auf Grund des sehr hohen Wirkungsgrades, des mechanischen Kraftweges der Gesamtwirkungsgrad des Getriebes verbessert. Gerade letzteres ist für Gasturbinenantriebe wichtig, da die Gasturbinen selbst einen verhältnismäßig niedrigen Wirkungsgrad besitzen und dies einer der Hauptgründe war, daß sie bislang nur in begrenztem Ausmaße eingesetzt wurden.With such a designed transmission is thus at least in lowest gear, the gas turbine output is partly via the flow converter and on the other hand transmitted via the mechanical force path. Despite this branched out With the power flow, the advantages of converter operation are essentially retained. On the other hand, due to the very high degree of efficiency, the mechanical Power path improves the overall efficiency of the transmission. Especially the latter is important for gas turbine drives, since the gas turbines themselves are relatively have low efficiency and this has been one of the main reasons that they have so far were only used to a limited extent.

Des weiteren tritt bei der AusfÜhrungsvariante mit einem Leistungsteiler-Planetengetriebe eine sogenannte Drehzahldrückung im Anfahrbereich auf, d. h., die Antriebsmaschine wird dann so stark belastet, daß sie im Gebiet kleiner Drehzahlen zu laufen gezwungen, wird. Diese Eigenschaft ist bei Antrieben mit einer Gasturbine gerade erwünscht, da letztere wegen ihres elastischen Betriebsverhaltens (Reihenschlußcharakteristik der Drehmomentlinie!) eine erhebliche Drehzahldrückung erlaubt und dann auch große Antriebsmomente liefert (s. das Diagramm nach Fig. 2). Im Gegensatz dazu ist z. B. bei den weit unelastischeren Dieselmotoren eine solche Drehzahldrückung meist unzulässig. Die erwähnte Auslegung des Strömungswandlers gewährleistet dabei außerdem nur ein solches Ausmaß der Drehzahldrückung, daß eine thermische Überbeanspruchung der Gasturbinenbeschaufelung mit Sicherheit vermieden wird. Die vorstehend beschriebene Getriebebauart mit Leistungsteilung und einem Strömungswandler in einem der beiden Kraftwege ist an sich im Prinzip schon bekannt, jedoch noch nicht im Zusammenhang mit den übrigen Erfindungsmerkmalen. Da die durch die Erfindung angestrebte Wirkung nur durch die Kombination der Merkmale des Oberbegriffs mit den an sich bekannten kennzeichnenden Merkmalen des Patentansprachs erzielt wird, soll dieser Anspruch nur im Zusammenhang mit Anspruch 1 des Hauptpatentes Schutz genießen.Furthermore, in the variant with a power divider planetary gear, a so-called speed reduction occurs in the start-up range, d. In other words, the drive machine is then so heavily loaded that it is forced to run in the region of low speeds. This property is particularly desirable for drives with a gas turbine, since the latter, due to its elastic operating behavior (series connection characteristic of the torque line!), Allows a considerable reduction in speed and then also delivers large drive torques (see the diagram according to FIG. 2). In contrast, z. B. in the far more inelastic diesel engines, such a speed reduction is usually inadmissible. The above-mentioned design of the flow converter also ensures only such an extent of the speed reduction that thermal overloading of the gas turbine blading is reliably avoided. The above-described transmission design with power division and a flow converter in one of the two power paths is already known in principle, but not yet in connection with the other features of the invention. Since the effect sought by the invention is only achieved by combining the features of the preamble with the characterizing features of the patent claim known per se, this claim should only enjoy protection in connection with claim 1 of the main patent.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei stellt dar Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Gasturbinenantrieb, der einen unteren Gang mit Strömungswandler und mit einem Leistungsteiler-Planetengetriebe sowie einen oberen rein mechanischen Gang aufweist, und Fig. 2 und J zwei Kurvenschaubilder, die den Verlauf der wichtigsten Betriebswerte des Antriebes nach Fig. 1 wiedergeben.The invention is explained in more detail with reference to the drawing. 1 shows a gas turbine drive according to the invention, which has a lower gear with a flow converter and a power divider planetary gear as well as an upper purely mechanical gear, and FIGS. 2 and J are two graphs showing the course of the most important operating values of the drive according to FIG. 1 play .

Bei dem Antrieb nach Fig. 1 treibt die Gasturbine 201 über die Getriebe-Eingangswelle 212 und das Sonnenrad 202 die gleichachsig angeordneten und miteinander fest verbundenen Planetenräder 203 und 204, den Planetenträger 205 und ein zweites Sonnenrad 206 an. Ferner ist der Planeteinträger 205 über die Hohlwelle 207 mit dem Pumpenrad 208 des dauernd gefüllten Strömungswandlers W starr gekuppelt. Dessen Turbinenrad 209 steht über den Freilauf 210 mit der Getriebe-Abtriebswelle 211 in Triebverbindung, auf der außerdem das Sonnenrad 206 festgekeilt ist. Der Planetenträger 205 läßt sich mittels einer Bremse 214 festbremsen.In the drive according to FIG. 1 , the gas turbine 201 drives the planetary gears 203 and 204, the planet carrier 205 and a second sun gear 206 , which are arranged on the same axis and are firmly connected to one another, via the transmission input shaft 212 and the sun gear 202. Furthermore, the planetary carrier 205 is rigidly coupled to the pump impeller 208 of the permanently filled flow converter W via the hollow shaft 207. Its turbine wheel 209 is in drive connection via the freewheel 210 with the transmission output shaft 211, on which the sun wheel 206 is also wedged. The planet carrier 205 can be braked by means of a brake 214.

Im untersten Gangbereich ist die Bremse 214 ausgeschaltet, also wirkungslos. Das Planetengetriebe wirkt dann als Leistungsteilergetriebe, indem ein Teil der ihm zugeführten Leistung über den Planetenträger 205, die Hohlwelle 207, das Pumpenrad 208, das Turbinenrad 209 und den Freilauf 210 hydraulisch auf die Ausgangswelle 211 übertragen wird. Der andere Leistungsanteil gelangt über das Sonnenrad 206 rein mechanisch zur Welle 211. Dies ergibt eine erhebliche Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades des Getriebes, da nur der vom Wandler W übertragene Leistungsanteil dem mäßigen Wandlerwirkungsgrad unterworfen ist. Der restliche Leistungsanteil wird dagegen mit dem bei mechanischer Übertragung erzielbaren guten Wirkungsgrad weitergeleitet.In the lowest gear range, the brake 214 is switched off, that is to say ineffective. The planetary gear then acts as a power divider gear, in that part of the power supplied to it is transmitted hydraulically to the output shaft 211 via the planetary carrier 205, the hollow shaft 207, the pump wheel 208, the turbine wheel 209 and the freewheel 210. The other power component reaches the shaft 211 purely mechanically via the sun gear 206. This results in a considerable improvement in the overall efficiency of the transmission, since only the power component transmitted by the converter W is subject to the moderate converter efficiency. In contrast, the rest of the power is passed on with the high degree of efficiency that can be achieved with mechanical transmission.

Außerdem ist ein weiterer Gangbereich erzielbar, indem durch Festziehen der Bremse 214 - die in ihrer Wirkung einer mechanischen Schaltkupplung entspricht - der Planetenträger 205 und damit auch das Pumpenrad 208 festgehremst und der Wandler W unwirksam gemacht werden. Die Kraftübertragung erfolgt dann rein mechanisch über das jetzt als bloßes übersetzungsgetriebe wirkende Planetengetriebe 202 bis 206 zur Ausgangswelle 211. Der Freilauf 210 ermöglicht es ferner, daß in diesem Betriebszustand das Turbinenrad 209 stehenbleiben kann; es sind dann sämtliche Beschaufelungen des Strömungswandlers in Ruhe, so daß im Wandler keinerlei Energieverluste auftreten. Falls eine noch weitergehende Gangstufung erwünscht ist, könnte z. B. der Ausgangswelle 211 noch ein übliches Zahnräderwechselgetriebe nachgeschaltet sein.In addition, a further gear range can be achieved by tightening the brake 214 - which corresponds in its effect to a mechanical clutch - the planet carrier 205 and thus also the pump impeller 208 and the converter W are rendered ineffective. The power transmission then takes place purely mechanically via the planetary gear 202 to 206, which now acts as a mere transmission gear, to the output shaft 211. The freewheel 210 also enables the turbine wheel 209 to stop in this operating state; all the blades of the flow converter are then at rest, so that no energy losses whatsoever occur in the converter. If an even further gear stepping is desired, z. B. the output shaft 211 can be followed by a conventional gear change transmission.

Statt des den beiden Kraftwegen vorgeschalteten Planetenrädergetriebes 202 bis 206 - das eine Leistungsteilung bewirkt - könnte auch ein den beiden KraftwegennachgeschaltetesPlanetenrädergetriebevorgesehen sein. In diesem Fall wirkt dann das Planetenrädergetriebe als Summengetriebe.Instead of the upstream to the two power paths planetary gear train 202 to 206 - which causes a power division - could also be a two KraftwegennachgeschaltetesPlanetenrädergetriebevorgesehen. In this case, the planetary gearing then acts as a summation gear.

Die Kurvenschaubilder nach Fig. 2 und 3 lassen den Verlauf der wichtigsten Betriebswerte des Antriebes nach Fig. 1 ersehen. Die Linie 230 (Fig. 2) gibt dabei das der vollen Brennstoffüllung entsprechende Gasturbinendrehmoment M in Abhängigkeit von der Gasturbinendrehzahl nTub an, und die schräg schraffierte Fläche7 231 zeigt den wegen thermischer Überlastung un ulässigen Arbeitsbereich der Gasturbine. Auf Grund der besonderen Auslegung des Strömungswandlers wird im untersten Gangbereich (mit hydraulisch-mechanischer Kraftübertragung) nur der waagetrecht schraffierte, zwischen den Betriebspunkten 0,233 und 234 liegende Arbeitsbereich der Gasturbine benutzt und somit der Überlastungsbereich 231 vermieden. Die im Wandlergang und voller Gasturbinen#-Brennstoffüllung erzielbare kleinste und größte Gasturbinendrehzahl ist mit n"' bzw. n,' bezeichnet. Die rein mechanische Kraftübertragung des zweiten Gangbereiches erfolgt zwischen den Betriebspunkten 235 und 236 mit den zugehörigen Turbinendrehzahlen n" bis n, Fig. 3 zeigt den Verlauf der Gasturbinendrehzahl nTulb in Abhängigkeit von der Abtriebsgeschwindigkeit V des Getriebes oder des Fahrzeuges. Der dort mit W' bezeichnete Geschwindigkeitsbereich entspricht dem hydrauhsch-mechanischen Gang, der Bereich K dem rein mechanischen zweiten Gang.The curve graphs of Fig. 2 and 3 allow the history of the most important operating values of the drive according to Fig. 1 seen. The line 230 (FIG. 2) indicates the gas turbine torque M corresponding to the full fuel filling as a function of the gas turbine speed nTub, and the obliquely hatched area 231 shows the operating range of the gas turbine which is impermissible due to thermal overload. Due to the special design of the flow converter, only the horizontally hatched working area of the gas turbine located between operating points 0.233 and 234 is used in the lowest gear area (with hydraulic-mechanical power transmission), thus avoiding the overload area 231 . The lowest and highest gas turbine speed achievable in the converter gear and full gas turbine # fuel filling is denoted by n "'and n,'. The purely mechanical power transmission of the second gear range takes place between the operating points 235 and 236 with the associated turbine speeds n" to n, Fig 3 shows the course of the gas turbine speed nTulb as a function of the output speed V of the transmission or of the vehicle. The speed range designated there by W 'corresponds to the hydraulic-mechanical gear, the range K to the purely mechanical second gear.

Fig. 1 zeigt ferner Einzelheiten der Schalteinrichtung des Getriebes, die ein selbsttätiges Umschalten vom unteren zum oberen Getriebegangbereich bewirkt. Diese Schalteinrichtung weist eine auf der Ausgangswelle 211 angeordnete Zahnräder-Meßpumpe 215, 216 auf, die über die Saugleitung 217 öl aus dem Getriebeölsumpf 218 ansaugt. An ihrer Druckleitung 219 ist ein Überdruckventil 220 vorgesehen, so daß ein Rücklauf des nicht benötigten Drucköls in den ölsumpf möglich ist und außerdem der jeweilige öldruck ein Maß für die Abtriebsgeschwindigkeit darstellt. Die Druckleitung 219 steht ferner mit dem einen Ende eines Zylinders 226 in Verbindung. Sobald die Abtriebsgeschwindigkeit V den Wert Vl' (s. Fig. 3) überschreitet, preßt der entsprechend hohe öldruck den federbelasteten Kolben 221 nach rechts in die punktiert angedeutete Stellung 221'. Das Drucköl gelangt hierauf über die Leitung 222 in den Bremszylinder 223 und preßt dessen Bremskolben 224nach unten; dadurch wird die, Bremse 214 angezogen und ein Umschalten vom unteren hydraulischmechanischen Gang auf den rein mechanischen zweiten Gang bewirkt. Die zum ölsumpf führende Leitung 225 dient zur Entlüftung der Leitung 222 und des Bremszylinders 223 beim Zurückschalten auf den untersten Gang.Fig. 1 also shows details of the switching device of the transmission, which causes an automatic shift from the lower to the upper gear range. This switching device has a gear measuring pump 215, 216 which is arranged on the output shaft 211 and which sucks in oil from the transmission oil sump 218 via the suction line 217. An overpressure valve 220 is provided on its pressure line 219 so that the unneeded pressure oil can flow back into the oil sump and the respective oil pressure is also a measure of the output speed. The pressure line 219 is also connected to one end of a cylinder 226 . As soon as the output speed V exceeds the value V1 '(see FIG. 3) , the correspondingly high oil pressure presses the spring-loaded piston 221 to the right into the position 221' indicated by dotted lines. The pressure oil then reaches the brake cylinder 223 via the line 222 and presses its brake piston 224 downwards; as a result, the brake 214 is applied and a switchover from the lower hydraulic-mechanical gear to the purely mechanical second gear is effected. The line 225 leading to the oil sump serves to vent the line 222 and the brake cylinder 223 when shifting down to the lowest gear.

Claims

PATENT CLAIM. Drive system with gas turbine and one of these downstream hydrodynamic gears, which contains a flow converter for the lower and at least one clutch gear for the upper speed range and such a design of the flow converter gear (converter including its input gear) that the gear in the flow converter gear of the gas turbine only such torques which are smaller than the torques corresponding to the gas turbine working range with thermal overload, for traction vehicles, in particular rail traction vehicles or systems with similar operating conditions, according to patent 1 074 069, characterized in that for the lower speed range of the transmission (202 to 212) known per se Way, a purely mechanical force path and a hydraulic force path connected in parallel to this, the flow converter (W) containing force path are provided, the connection of these two force paths with one of the two main transmission shafts (input shaft 212 or output shaft 211) is designed as a power-dividing or power-summing planetary gear (202 to 206) . Documents considered: German Patent No. 932 053.