SE520272C2 - Motorbromssystem för en gasturbin samt förfarande för motorbromsning av en gasturbin - Google Patents

Description

520 272 2 grund av termisk utmattning samt till förhöjd bränsleförbrukning eftersom värmeväxlaren skall värmas upp igen då motorvarvtalet åter ökas.

Gasturbiner är med sin höga effekt i förhållande till sin vikt mycket lämpliga för framdrivning av fordon, detta gäller i synnerhet för gasturbiner med två axlar varav den ena förbinder en fri kraftturbin, via en fordonstransmission, med en drivaxel hos fordonet. Ett problem vid fordonsapplikationer är, i enlighet med ovanstående, att åstadkomma en motorbromsfunktion. Detta gäller i synnerhet vid tyngre fordon såsom lastfordon. l US 4,167,851 beskrivs ett motorbromssystem för en tvåaxlig gasturbin anordnad i ett fordon. Gasturbinen innefattar en första axel, generatoraxel, vilken sammanbinder ett i en turbin anordnat turbinhjul som driver ett i en kompressor anordnat kompressorhjul. Mellan kompressorn och turbinen är anordnat en förbrânningskammare till vilken ett brânsletillförselsystem är kopplat. Nedströms turbinen är vidare anordnat en fri kraftturbin vilken är, via en transmission och en drivaxel, förbunden med fordonets drivhjul. Mellan drivaxeln och en tredje axel är anordnat en remtransmission. Den tredje axeln ârl sin tur, via en elektromagnetiskt . styrd koppling, förbunden med en andra kompressor vilken är avsedd att leverera komprimerad luft till en trycktank. Genom att trycktanken är ansluten, via en ventil, till nämnda turbins inlopp kan extra luft tillföras turbinen då fordonet aocelereras. Vid motorbromsning av fordonet reduceras, alternativt avbryts, brånsletillförseln till brännkammaren samtidigt som nämnda ventil stängs och den elektromagnetiska kopplingen låses för att erhålla en fast förbindelse mellan fordonets hjul och nämnda andra kompressor varvid tryckuppbyggnad itrycktanken påbörjas. Den energi som åtgår för att driva den andra kompressorn motsvaras av det erhållna fordonsbromsarbetet. En nackdel med detta förfarande är att gasturbinen endast bromsas av motorns inre friktion vilket medför att varvtalet sjunker långsamt. En annan nackdel är att kraftig nedkylning av motorns inre delar åstadkommes då luftflödet genom dessa förblir stort utan att bränsle förbränns i förbränningskammaren.

Redogörelse för uppfinningen Ett syfte med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett motorbromssystem för en gasturbinmotor vilket snabbt minskar motorns varvtal och är brånsleeffektivt 520 272 3 genom att de värmeförluster som uppkommer som resultat av nedkylning av motorns varma delar minskas.

Detta syfte uppnås med den i patentkravet 1 beskrivna uppfinningen. l de efterföljande patentkraven beskrivs föredragna utföringsformer av uppfinningen.

Således avser uppfinningen ett motorbromssystem för en gasturbin vilken innefattar en första kompressor med ett kompressorinlopp och ett kompressorutlopp, en förbränningskammare med ett gasinlopp och ett gasutlopp och ett bränslesystem för tillförsel av bränsle till förbränningskammaren. Gasturbinen innefattar vidare en turbin anordnad att via en axel driva nämnda kompressor där kompressorutloppet âr förbundet med gasinloppet och gasutloppet är förbundet med ett turbininlopp hos nämnda turbin. Genom att en avtappningsventil är anordnad nedströms nämnda kompressorutlopp och uppströms nämnda turbininlopp möjliggörs reglering av gasflödet genom turbinen till en önskad relativt làg nivà i samband med motorbromsning. Detta i sin tur medför att drivkraften för den första kompressorn avsevärt minskas varvid gasturbinen bromsas.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är avtappningsventilen anordnad nedströms kompressorutloppet och uppströms förbränningskammarens gasinlopp.

Härigenom reduceras nedkylning av förbränningskammaren samt skapas förutsättning för att bibehålla en eftersträvad tomgàngstemperatur hos turbinen.

Enligt en andra föredragen utföringsform av uppfinningen där gasturbinen innefattar en värmeväxlare anordnad mellan kompressorutloppet och förbränningskammarens gasinlopp är avtappningsventilen anordnad uppströms värmeväxlaren. Härigenom kan hela eller del av gasflödet från kompressorutloppet ledas förbi värmeväxlaren i samband med motorbromsning varvid nedkylning av värmeväxlaren reduceras. Detta medför vidare att värmeväxlarens livslängd förlängs dá den utsätts för mindre termisk utmattning samt till att gasturbinens totalverkningsgrad ökar då stora temperatursvängningar hos värmeväxlaren kan undvikas/minskas.

Enligt en ytterligare föredragen utföringsform av uppfinningen där gasturbinen innefattar en andra kompressor ansluten i serie med nämnda första kompressor är avtappningsventilen anordnad nedströms den första kompressorns utlopp och uppströms den andra kompressorns inlopp. Härigenom kan hela eller del av gasflödet från den första kompressorn ledas förbi den andra kompressor i samband 520 272 4 med motorbromsning. Detta medför i sin tur att det arbete som àtgàr vid tryckuppbyggnaden iden första kompressorn resulterar i uppbromsning av gasturbinen.

Enligt en ytterligare föredragen utföringsform av uppfinningen innefattar gasturbinen en kraftturbin med ett kraftturbininlopp förbundet med ett turbinutlopp hos nämnda turbin. Genom att expandera gasen i två steg, först i turbinen och därefter i kraftturbinen, minskas tryckfallet över respektive turbin. Vidare skapas förutsättning för optimering av kraftturbinen med avseende pà önskad momentkarakteristik, exempelvis vid framdrivning av fordon.

Enligt en ytterligare föredragen utföringsform av uppfinningen är en från kraftturbinen utgående axel förbunden med en drivaxel hos fordonet. Härigenom möjliggörs att nämnda turbin kan optimeras för drivning av nämnda kompressor(er) och att kraftturbinen kan optimeras för framdrivning av fordonet.

Enligt en ytterligare föredragen utförlngsform av uppfinningen är en transmission anordnad mellan fordonets drivaxel och nämnda axel varvid nämnda drivaxel är inrättad att sammankopplas med generatoraxel vid motorbromsning. Genom att medelst avtappningsventilen leda om hela eller del av det gasflöde som komprimerats iden första respektive andra kompressorn förbi nämnda turbin och kraftturbin så bidrar dessa varken till drivning av kompressorerna eller till framdrivning av fordonet. Drivningen av kompressorerna sker, vid motorbromsning, genom att fordonets rörelseenergi omvandlas och överförs via nämnda transmission till axeln för drivning av kompressorerna.

Ett ytterligare syfte med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett förfarande för motorbromsning av en gasturbinmotor vilket snabbt minskar motorns varvtal och är bränsleeffektivt genom att de värmeförluster som uppkommer som resultat av nedkylning av motorns varma delar minskas. Genom att åtminstone en del av den av kompressorn komprimerade luften leds förbi nämnda turbin samtidigt som bränsletillförseln till förbränningskammaren reduceras till ett mindre flöde än det normala tomgångsflödet, så kallat pilotflöde, så kan nedkylning av motorns varma delar miskas.

Detta syfte uppnås med den i patentkravet 9 beskrivna uppfinningen. I de efterföljande patentkraven beskrivs föredragna utföringsformer av uppfinningen. 520 272 Figurbeskrivning Uppfinningen kommer i det följande att beskrivas i anslutning till föredragna utföringsexempel samt de bifogade figurerna, där figur 1 schematiskt visar ett motorbromssystem för en gasturbin enligt föreliggande uppfinning, figur 2 schematiskt visar en alternativ utföringsform av ett motorbromssystem för en gasturbin enligt föreliggande uppfinning och figur 3 visar en sidovy, i tvärsnitt, av en avtappningsventil avsedd att användas vid ett motorbromssystem för en gasturbin.

Detaljerad beskrivning av en föredragen utföringsform l figur 1 visas schematiskt ett motorbromssystem för en tvàaxlig gasturbin 1.

Gasturbinen 1 innefattar en första kompressor 2 med ett kompressorinlopp 3 och ett kompressorutlopp 4 samt en andra kompressor 5 med ett andra kompressorinlopp 6 och ett andra kompressorutlopp 7. Kompressorinloppet 3 är via ett ej visat luftfilter öppet mot atmosfären. Mellan den första kompressorns 2 kompressorutlopp 4 och den andra kompressorns 5 kompressorinlopp 6 är anordnat en mellankylare 9 vars funktion år att kyla den av den första kompressorn 2 komprimerade luften innan ytterligare tryckhöjning sker iden andra kompressorn 5. Mellankylaren 9 är kopplat till ett ej visat separat kylsystem.

Var kompressor 2, 5 innefattar vidare ett kompressorhjul vilka är vridfast förbundna med varandra, via en axel 10a, 10b, och med ett i en turbin 11 anordnat turbinhjul.

Nedströms den andra kompressorns 5 kompressorutlopp 7 är anordnat en avtappningsventil 12 vilken är inrättad att beroende av driftförhållande styra den komprimerade luften till ett avgasutlopp 13 i samband med motorbromsning eller till en vârmeväxlare 14 för återvinning av avgasvärme i samband med drift. Genom att avtappningsventilen 12 är anordnad nedströms nämnda andra kompressorutlopp 7 520 272 6 och uppströms nämnda turbins 11 turbininlopp 15 möjliggörs reglering av gasflödet genom turbinen 11 till en önskad relativt låg nivå i samband med motorbromsning.

Detta i sin tur medför att drivkraften till kompressorerna 2, 5 från turbinen 11 avsevärt minskas varvid gasturbinen 1 bromsas.

Den komprimerade luften leds därefter till en förbränningskammare 16, via dennes gasinlopp 17, till vilken medelst ett ej visat bränslesystem bränsle 18 tillföres och däri förbränns med hjälp av den varma komprimerade luften. De varma förbränningsgaserna leds, via förbränningskammarens 16 gasutlopp 19, till nämnda turbin 11 där en första begränsad expansion av förbränningsgaserna sker för drivning av nämnda kompressorer 2, 5. Den slutliga expansionen, ner till nära atmosfärstryck, sker i en kraftturbin 20 anordnad nedströms nämnda turbin 11.

Genom att slutligen leda förbränningsgaserna från kraftturbinen 20 genom nämnda värmeväxlare 14 kan energi återvinnas, innan gaserna leds till avgasutloppet 13, vilket bidrar till ökad totalverkningsgrad för gasturbinen 1.

En från kraftturbinen 20 utgående axel 21 är härvid via en transmission 22 förbunden med en drivaxel 23 hos det fordon vilket gasturbinen 1 är anordnat att framdriva.

Drivaxeln 23 är i sin tur kopplad till en differential 24 vilken fördelar drivmomentet till fordonets drivhjul 25, 26.

Genom att en transmission 27 är anordnad mellan fordonets drivaxel 23, via kraftturbinens utgående axel 21, och nämnda axeln 10a, 10b kan i samband med motorbromsning fordonets rörelseenergi användas för drivning av kompressorerna 2, vilket ger effektiv uppbromsning av såväl gasturbinen 1 som fordonet.

Transmissionen 27 innefattar ett första kugghjul 28 vridfast anordnat på kraftturbinens utgående axel 21 och i ingrepp med ett andra kugghjul 29 vridfast anordnat på en första mellanaxel 30. Nämnda första mellanaxel 30 är selektivt sammankopplingsbar medelst en manövrerbar koppling 31, företrädesvis en friktionskoppling, med en andra mellanaxel 32 på vilken är anordnat ett tredje kugghjul 33 vilket är i ingrepp med ett på axel 10b vridfast anordnat fjärde kugghjul 34.

Under hänvisning till figur 2 beskrivs ett alternativt utförande av ett motorbromssystem för en gasturbin 1 där avtappningsventilen 12, till skillnad från ovan beskrivna, är anordnad nedströms nämnda första kompressors 2 kompressorutlopp 4 och uppströms nämnda andra kompressors 5 kompressorinlopp 520 272 7 6. Härigenom kan hela eller del av gasflödet från den första kompressorn 2 ledas förbi den andra kompressor 5 i samband med motorbromsning. Detta medför i sin tur att det arbete som åtgår vid tryckuppbyggnaden iden första kompressorn 2 resulterar i uppbromsning av gasturbinen 1.

I figur 3 visas en sidovy, i tvärsnitt, av en avtappningsventil 12 avsedd att användas vid ett motorbromssystem för en gasturbin 1. Avtappningsventilen 12 innefattar ett ventilinlopp 35, avsett att anslutas till ett kompressorutlopp 4, 7, ett första ventilutlopp 36 avsett att anslutas till nämnda avgasutlopp 13 och ett andra ventilutlopp 37 avsett att anslutas till nämnda värmeväxlare 14 eller, beroende på utförande, till nämnda andra kompressors 5 kompressorinlopp 6. Avtappningsventilen 12 innefattar vidare en talriksventil 38 vars fram och återgående rörelse styrs av en pneumatisk tryckdosa 39. Tryckdosan 39 innefattar en kolv 40, avtätad med ett membran 41, vilken tillsammans med ett trycklock 42 bildar ett slutet utrymme 43 till vilket en tryckledning 44 är kopplad. Tryckledningen 44 år i sin tur, via en ej visad magnetventil, förbunden med kompressorutloppet 7. Genom att kolven 40 är inrättad att röra sig under motverkan av en spiralfjäder 45 kan, genom val av fjäderkarakteristik, önskat arbetstryck bibehällas i motorn 1 även under - motorbromsning.

Uppfinningen skall inte anses vara begränsad till de ovan beskrivna utföringsformerna, utan en rad modifieringar av denna är möjliga utan att för den skull lämna patentskyddets ram. Exempelvis kan både antalet kompressorsteg som turbinsteg varieras både uppåt och nedåt. Vidare kan istället för ovan beskrivna pneumatiskt styrda avtappningsventil en elektriskt eller hydrauliskt styrd avtappningsventil användas. lnom ramen för patentskyddet ligger även att gasturbinen kan vara av enaxlig typ, dvs den med kompressorn förbundna turbinen är inrättad att även utgöra drivturbin för framdrivning av ett fordon.

Claims (13)

10 20 25 30 35 > - . - . . 520 272 8 Patentkrav

1. Motorbromssystem för en gasturbin (1) vilken innefattar en första kompressor (2) med ett kompressorinlopp (3) och ett kompressorutlopp (4), en förbränningskammare (16) med ett gasinlopp (17) och ett gasutlopp (19), ett bränslesystem för tillförsel av bränsle (18) till förbränningskammaren (16), en turbin (11) anordnad att via en axel (10a, 10b) driva nämnda kompressor (2) där kompressorutloppet (4) är förbundet med gasinloppet (17) och gasutloppet (19) är förbundet med ett turbininlopp (15) hos nämnda turbin (11), och varvid en avtappningsventil (12) är anordnad uppströms nämnda turbininlopp (15) för ledning av en del av en av kompressorn komprimerad gas förbi turbinen under motorbromsning kännetecknat av att avtappningsventilen (12) är inrättad på sådant sätt att dess öppningsarea för reglering av mängden gas som avses ledas förbi turbinen (11) styrs beroende av trycket i gasen fràn kompressorn (2).

2. Motorbromssystem för en gasturbin enligt krav 1, kännetecknad av, att avtappningsventilen (12) innefattar en fjäderbelastad tallriksventil (38) för reglering av nämnda öppningsarea.

3. Motorbromssystem för en gasturbin (1) enligt patentkrav 1 eller 2 kännetecknat av att avtappningsventilen (12) är anordnad nedströms nämnda kompressorutlopp (4) och uppströms förbränningskammarens (16) gasinlopp (17).

4. Motorbromssystem för en gasturbin (1) enligt något av föregående patentkrav kännetecknat av att gasturbinen (1) innefattar en värmeväxlare (14) anordnad mellan kompressorutloppet (4) och förbränningskammarens (16) gasinlopp (17) varvid avtappningsventilen (12) är anordnad uppströms värmeväxlaren (14).

5. Motorbromssystem för en gasturbin (1) enligt något av föregående patentkrav kännetecknat av att gasturbinen innefattar en andra kompressor (5) med ett andra kompressorinlopp (6) och ett andra kompressorutlopp (7), vilket andra kompressorinlopp (6) är förbundet med nämnda första kompressors (2) kompressorutlopp (4) varvid 10 20 25 30 35 520 272 9 avtappningsventilen (12) är anordnad uppströms nämnda andra kompressors (5) kompressorinlopp (6).

6. Motorbromssystem för en gasturbin (1) enligt något av föregående patentkrav kännetecknat av att gasturbinen (1) innefattar en kraftturbin (20) med en utgående axel (21) och vars kraftturbininlopp är förbundet med ett turbinutlopp hos nämnda turbin (11).

7. Motorbromssystem för en gasturbin (1) enligt patentkrav 6 kännetecknat av att gasturbinen (1) är anordnad att framdriva ett fordon varvid den frán kraftturbinen (20) utgående axeln (21) är förbunden med en drivaxel (23) hos fordonet.

8. Motorbromssystem för en gasturbin (1) enligt patentkrav 7 kännetecknat av nämnda drivaxel (23) hos fordonet är anordnad att via en transmission (27) selektivt sammankopplas med nämnda axel (10a, 10b).

9. Motorbromssystem för en gasturbin (1) enligt patentkrav 8 kännetecknat av nämnda transmission (27) innefattar en koppling (31) för nämnda selektiva sammankoppling av drivaxeln (23) och axeln (10a, 10b).

10. Förfarande för motorbromsning av en gasturbin (1) innefattande åtminstone en turbin (11), en kompressor (2, 5) inrättad att drivas av nämnda turbin (11) via en axel (10a, 10b) och en mellan dessa anordnad förbränningskammare (16) kännetecknat av att bränsletillförseln (18) till förbränningskammaren (16) reduceras, att åtminstone en del av den av kompressorn (2, 5) komprimerade luften leds förbi nämnda turbin (11), och att mängden gas som leds förbi turbinen (11) styrs beroende av trycket i gasen från kompressorn (2).

11. Förfarande för motorbromsning av en gasturbin (1) enligt krav 10, kännetecknat av, att öppningsarean hos en avtappningsventil (12) inrättad för nämnda avledning av gasen förbi turbinen (11) styrs direkt av nämnda tryck i gasen fràn kompressorn. 10 ~~ 520 272 10

12. Förfarande för motorbromsning av en gasturbin (1) enligt krav 11, kännetecknat av, att öppningsarean regleras av en i avtappningsventilen (12) anordnad tallriksventil (38) som är inrättad att förflyttas mot en fjäderkraft.

13. Förfarande för motorbromsning av en gasturbin (1) enligt något av patentkraven 10-12 kännetecknat av att gasturbinen (1) är av tvàaxlig typ och att en utgående axel (21) fràn gasturbinens (1) drivturbin (11, 20) kopplas ihop med nämnda axel (1 Oa, 10b) mellan kompressorn (2, 5) och turbinen (11).