Regeleinrichtung an mit Gleichdruckverbrennung arbeitenden Gasturbinen-Anlagen mit einer Kompressorantriebsturbine und einer Turbine für die Nutzleistung, insbesondere für Schiffsantrieb. Um bei mit Gleichdruckverbrennung ar beitenden Gasturbinenanlagen die geforderte Arbeitsleistung bei einer gewünschten Dreh zahl ohne übermässige Verluste zu erhalten, muss man bekanntlich zwei Gasturbinen ver wenden,
von denen die eine den Kompressor (im nachfolgenden kurz gompressorturbine genannt) und die andere die zum Antrieb vor gesehene Arbeitsmaschine antreibt (im nach folgenden kurz Nutzleistungsturbine ge nannt).
Es ist ferner bekannt, hierbei durch einen Leistungsregler die Gesamtleistung durch Veränderung der Brennstoffzufuhr und durch einen zweiten Regler,die Verteilung der Lei stung zwischen gompressorturbine und Nutzleistungsturbine zu regeln, indem bei.
Belastungsänderung die Beaufschlagung einer Turbine verändert wird oder .auch un ter Umständen die zuströmenden Treibmittel- mengen zu beiden Turbinen verändert wer- den.. Da wegen des in den heutigen Gastur binen zur Verarbeitung kommenden .geringen Gefälles und der verhältnismässig grossen Treibgasmenge in erster Linie Reaktions turbinen in Frage kommen,
so wird der Fach mann zwischen der reinen Drosselregelung und der stufenweisen Überbrückung eine Wahl zu treffen suchen.
Beide Arten haben aber im vorliegenden Fall schwerwiegende Nachteile.
1. Bei der reinen Drosselregelung muss die Turbine für das grösste Gasvolumen <B>(100%</B> Belastung) bemessen werden. Teil belastungen werden dadurch erreicht, dass -der Anfangsdruck so abgedrosselt wird, dass das Eintrittsvolumen demjenigen für Vollast ent spricht. Durch die Drosselung wird das Wärmegefälle und die durchgehende Gas menge kleiner.
Eine Drosselung ist jedoch immer mit einem grossen Wärmegefällever- lust verbunden und ein guter Wirkungsgrad ist nur bei Vollast möglich. Darum. werden jetzt fast alle Reaktions.dampfturbinen mit einer Aktionsregulierstufo versehen. Bei Gas turbinen ist das Wärmegefälle zu klein, um eine Aktionsregulierstufe ohne bedeutende Wirkungsgradverschlechterung anwenden zu können.
?. Die stufenweise Überbrückung wird jetzt bei reinen Reaktionsturbinen (Ljung- strömturbinen) allgemein im Dampfturbinen- bau verwendet. Dabei wird .die Turbine für eine Teillast entworfen; grössere Gasmengen werden dadurch erreicht, dass man eine oder mehrere der ersten Stufen überbrückt. Da durch wird die Schluckfähigkeit so erhöht. dass die Gasmenge, die für 100 % Belastung nötig ist, in den nichtüberbrückten Stufen arbeiten kann.
Die überbrückten Stufen müssen allerdings leer mitlaufen und wirken durch die Ventilationsverluste stark brem send.
Bei Turbinen, hei denen das Wärme gefälle sehr klein ist, wie bei Cxasturbinen, -erden die Gasvolumina sehr gross. Die Quer- s -,ehnitte für den Gasstrom werden auch sehr gross. Bei Gasturbinen ist eine Regelung durch Überbrückung einer oder mehrerer Stufen mit grossen baulichen Schwierigkei ten verbunden, weil die Überbrückungsleitun gen und die Ein- und Austritte der Mer- brückungsleitungen ausserordentlich viel Platz brauchen.
In baulicher Hinsicht ist somit eine stufenweise Überbrückung bei Gaetur- binen kaum möglich.
Gemäss der Erfindung wird nun aber die Leistungsverteilung zwischen @ompressor- furbine und Nutzleistungsturbine durch min destens in .der ersteren angeordnete drehbare Leitschaufeln geregelt.
Die Vorteile dieser Regeleinrichtung gerade für diesen Sonderfall einer solchen Gasturbinenanlage für Fahrzeugantrieb, z. B. Schiffsantrieb oder ähnliche Anforderungen stellende Anlagen, liegen darin, dass die Tur bine, wie bei Drosselregelung, für das grösste bei höchster Luftansaugtemperatur gebrauchte Gasvolumen gebaut wird.
Bei Be lastungen kleiner als 100% wirken auch die drehbaren Leitschaufeln genau wie die Dros- selregelung, nur wird das Drosselungswärme- gefälle in den Leitschaufeln ausgenützt und erzeugt dort eine hohe Eintritt.sge@chwindig- keit für .die Laufschaufeln. Diese hohe Ein- trittsgeschwindigkeit wird hier mit einem verhältnismässig guten Wirkungsgrad aus genützt.
Werden die Laufschaufeln hei 100 Belastung für axialen Eintritt vorgesehen, so treten bei kleineren Belastungen grössere Ein trittsgeschwindigkeiten auf und das Gas kommt unter einer gewissen Stosswirkung in den Laufschaufeln an. Die Stosskomponente tritt; als Bauchstoss auf und wird. wie Ver suche zeigen, gut ausgenützt.
Die vorgeschlagene Rege:.einrichtung ist also der Pros-selregeleinrichtiuig bezüglich der Wirtschaftlichkeit weit überlegen.
Aus baulichen Gründen ist sie auch der l.lberbrückungsregeleinrzehtung, deren An wendung bei Gasturbinen, wie schon oben er wähnt, kaum möglich erscheint, überlegen.
Die Zeichnung stellt eine mit Gleich druckverbrennung arbeitende Sehiffgastur- hinenanlage mit einer heispielsweisen Regel einrichtung gemäss der Erfindung dar. 1 ist ein Luftkompressor von axialer Bauart, \? eine Verhrennungskammer, in die von erste rein her die Kompressionsluft und mit der Ein spritzdüse 3 der Brennstoff eingeführt wer den.
Nach der Verbrennung expandieren die heissen Gase in einer Kompres-sorturbine 4 und einer Nutzleistungsturbine 5 und strö men durch die Abgasleitungen fi und 7 zur Atmosphäre.
Die Grasmengen sollen zwischen Kompressorturbine 4 und Nutzleistungstur- bine 5 so verteilt werden, dass' die Regelein richtung 12 nicht eine höhere Gastemperatur einstellen muss, um genügend Iaeistung für die Kompression zu erhalten, als dies für das Schaufelmaterial noch gerade zulässig ist.
Die mittlere Gastemperatur wirkt über eine Thermostateinrichtung 8 auf einen Ö1 druckregler 9, .der einen Druckölservomotor 10 einstellt. Der Servomotor 10 dreht die Leitschaufeln 11 der Kompressorturbine, und zwar so, dass eine zu hohe Gastemperatur die Leitschaufeln öffnet und eine, zu niedrige Gastemperatur sie schliesst.
Die Leitschaufeln 11 und die Turbine 4 werden für die grösste Gasmenge gebaut, die bei höchster Luft- ansaugtemperatur gebraucht wird. Bei nie- drigerer Lufttemperatur wird die Kompres- sionsleistung kleiner und die nötige Gas menge der Kompressorturbine ebenso.
Da die Leistung der Kompressorturbine zunächst un verändert ist, würde bei niedriger Ansaug temperatur die Turbinenleistung ,die Kom- pres:sorlei@stung übersteigen.
Es wird sich also am Thermostat 8 wegen der gelieferten grö sseren Luftmenge eine niedrigere Gastempera tur einstellen. Die Temperaturerniedrigung wirkt, wie schon oben erwähnt, in dem Sinne über Regler J und Servomotor 10 auf die Leitschaufeln 1f1, @dass diese etwas geschlos sen werden, also weniger Treibgase zulassen und damit das Gefälle in den Leitschaufeln 11. erhöhen. Die Eintrittsgeschwindigkeit in der ersten Laufschaufelreihe wird grösser.
In der Turbine, die für axiale Einströmung in die Laufschaufeln mit maximaler Leitschau- felstellung gebaut ,sei, tritt bei kleineren Gasmengen und Lestschaufelstellungen ein sogenanüter Bauchstoss in der ersten Lauf schaufelreihe ein. Weil der Bauchstoss mit verhältnismässig kleinem Verlust verbunden ist, nützt diese Mengenregelung mit dreh baren Leitschaufeln das vorhandene Wärme gefälle bedeutend besser aus, als eine Drossel regelung und ist in baulicher Hinsicht bei Gasturbinen der Überbückungsregelung über legen.
Es kann zweckmässig sein, auch die Nutz leistungsturbine mit einer Regeleinrichtung auszuführen. In der Zeichnung ist diese als eine einfache, durch einen Kraftkolben be wegte Dross -alklappe 1.3, .dargestellt, es kann aber ebensobgut auch hier eine Vorrichtung mit drehbaren Leitschaufeln in Betracht kommen.
Die Leistung der Turbine 4 kann durch Gasmengen- oder Wärmegefälleregelung ein gestellt werden. Will man mit konstantem Wärmegefälle fahren, muss Druck und Tem peratur vor der Turbine konstant gehalten werden. Dies würde annähernd konstante Kompressordreh.,zahl voraussetzen.
Bei Teil- last würde bei einer solchen Anordnung der 'Wirkungsgrad sehr schlecht sein, weil die er- forderliGhe Kompressionsleistung fast ebenso gross wie bei Vollast sein müsste. Wird der Leistungsbedarf an der Propellerwelle ge ändert, so wird sowohl die NutzIeistungs- turbine als auch die Kompressorturbine mit voller Beaufschlagung ohne Drosselung ar beiten,
was besonders beim Antrieb von Strö- mungsmaschinen mit variablen Drehzahlen vorteilhaft ist, da sich dann die Parsons'sche Zahl unabhängig von der Belastung fast konstant hält.
Die an die Propellerwelle abzugebende Leistung bestimmt also primär die Kompres- sordrehzahl und den Brennkammerdruck. Um die Kompressordrehzahl zu steigern, muss die Leistung der Kompressorturbine vorüber gehend die Kompressorleistung überwiegen.
Diese vorübergehende Leistungssteigerung kann dadurch erreicht werden, dass die Gas temperatureine kurze Zeit erhöht wird., was in Hinsacht auf die Schaufelfestigkeit .schon erlaubt ist, weil für die Kriechfestigkeitdie mittlere Dauertemperatur entscheidend ist und momentane Temperaturänderungen bei Belastungsänderungen kaum diese Festig- keitsgrenze beeinflussen.
In der Zeichnung ist 8 die früher erwähne Thermostateinrich- tung,,die über den,01.druckregler 12, die Lei tung 14 und den Servomotor 115 (ganz rechts in der Figur) die Brennstoffmenge in einem gewissen Verhältnis zur Luftmenge einstellt und dadurch die Gastemperatur konstant hält.
Der Einstelleistungsregler 16 der Nutz leistungsturbine regelt den 0ldruck in der Leitung 17 und wirkt dadurch auf einenVer- stellkolben 17a zwischen dem Thermostat und dem Oldruckregler 12. Mit dem Leistungs regler 16 kann also die Brennstoffmenge und damit die Gastemperatur vorübergehend erhöht oder heruntergesetzt werden.
Die Ver änderung der Gastemperatr führt eine Ände rung der Kompresso:rdrehzahl herbei, welche eine Druckänderung und damit eine Nutz leistungsänderung verursacht. Der Leistungs regler 16 wirkt durch die Regelvorrichtungen 17a, 12, 15 durch vorübergehende Änderun- gen der Gastemperatur auf die Kompressor- drehzahl und den Brennkammerdruck und regelt somit die Nutzleistung.
18 ist ein Überströmventil, 19 ein Grenz- drehzahlregler, 20, 211 Auslilinkvorrichtun- gen der üblichen Art. Die Nutzleistungstur- bine 5 treibt über ein Getriebe 22 den Pro peller 23 an. 24 ist ein Anfahrmotor für die Gruppe 1.. 4; die Ölpumpe 25 versorgt sämt liche Ölleitungen. 2,6 sind Drosselstellen der Ölleitungen.
Control device on gas turbine systems working with constant pressure combustion with a compressor drive turbine and a turbine for the useful output, in particular for ship propulsion. In order to obtain the required work performance at a desired speed without excessive losses in gas turbine systems working with constant pressure combustion, it is well known that two gas turbines have to be used,
One of which drives the compressor (hereinafter referred to as compressor turbine for short) and the other drives the machine that is intended to drive it (hereinafter referred to as useful power turbine for short).
It is also known to use a power regulator to regulate the total power by changing the fuel supply and a second regulator to regulate the distribution of the power between the compressor turbine and the useful power turbine by at.
Load change the loading of a turbine is changed or .also, under certain circumstances, the inflowing propellant quantities to both turbines are changed .. Because of the small gradient that is processed in today's gas turbines and the relatively large propellant gas quantity primarily reaction turbines come into question,
so the specialist will try to make a choice between pure throttle control and step-by-step lockup.
In the present case, however, both types have serious disadvantages.
1. With pure throttle control, the turbine must be dimensioned for the largest gas volume <B> (100% </B> load). Partial loads are achieved by - the initial pressure is throttled so that the inlet volume corresponds to that for full load. The throttling reduces the heat gradient and the amount of gas passing through.
However, throttling is always associated with a large heat gradient and good efficiency is only possible at full load. Therefore. Almost all reaction steam turbines are now provided with an action regulating stage. In the case of gas turbines, the heat gradient is too small to be able to use an action regulation stage without a significant decrease in efficiency.
?. The step-by-step bridging is now generally used in pure reaction turbines (Ljungstrom turbines) in steam turbine construction. The turbine is designed for a partial load; Larger amounts of gas are achieved by bridging one or more of the first stages. This increases the ability to swallow. that the amount of gas required for 100% load can work in the non-bridged stages.
However, the bridged steps have to run idle and have a strong braking effect due to the ventilation losses.
In turbines, where the heat gradient is very small, such as Cxa turbines, the gas volumes are very large. The cross centers for the gas flow are also very large. In gas turbines, regulation by bridging one or more stages is associated with great structural difficulties because the bridging lines and the inlets and outlets of the bridging lines require an extremely large amount of space.
From a structural point of view, a step-by-step bridging is hardly possible with Gaeturbinen.
According to the invention, however, the power distribution between the compressor turbine and the useful power turbine is now regulated by rotatable guide vanes arranged at least in the former.
The advantages of this control device especially for this special case of such a gas turbine system for vehicle propulsion, eg. B. ship propulsion or similar requirements are that the turbine, as with throttle control, is built for the largest volume of gas used at the highest air intake temperature.
At loads of less than 100%, the rotating guide vanes also work exactly like the throttle control, only the throttling heat gradient in the guide vanes is used and there generates a high speed of entry for the rotor blades. This high entry speed is used here with a comparatively good degree of efficiency.
If the rotor blades are intended for axial entry under 100 loads, greater penetration speeds occur with smaller loads and the gas arrives in the rotor blades with a certain impact. The shock component occurs; as a stomach bump and will. as tests show, well used.
The proposed control device is therefore far superior to the Pros-selregeleinrichtiuig in terms of economy.
For structural reasons, it is also superior to the bridging control device, the application of which in gas turbines, as already mentioned above, hardly seems possible.
The drawing shows a Sehiff gas turbine system operating with constant pressure combustion with a control device according to the invention, for example. 1 is an air compressor of axial design, \? a Verhrennkammer, in the first purely forth the compression air and with the injection nozzle 3 injected the fuel who the.
After the combustion, the hot gases expand in a compressor turbine 4 and a power turbine 5 and flow through the exhaust pipes 5 and 7 to the atmosphere.
The amounts of grass should be distributed between the compressor turbine 4 and the power turbine 5 in such a way that the regulating device 12 does not have to set a higher gas temperature in order to obtain sufficient output for the compression than is just permitted for the blade material.
The mean gas temperature acts via a thermostat device 8 on an oil pressure regulator 9, which sets a pressure oil servomotor 10. The servomotor 10 rotates the guide vanes 11 of the compressor turbine in such a way that too high a gas temperature opens the guide vanes and a gas temperature that is too low closes them.
The guide vanes 11 and the turbine 4 are built for the largest amount of gas that is needed at the highest air intake temperature. When the air temperature is lower, the compression output decreases and so does the amount of gas required by the compressor turbine.
Since the output of the compressor turbine is initially unchanged, the turbine output would exceed the compressor output at a low intake temperature.
A lower gas temperature will therefore be set at the thermostat 8 because of the larger amount of air supplied. As mentioned above, the temperature decrease acts via controller J and servo motor 10 on the guide vanes 1f1 so that these are somewhat closed, i.e. allow fewer propellant gases and thus increase the gradient in the guide vanes 11. The entry speed in the first row of blades increases.
In the turbine, which is built for axial inflow into the rotor blades with a maximum guide vane position, a so-called abdominal shock occurs in the first rotor blade row with smaller gas quantities and Lest blade positions. Because the abdominal shock is associated with a relatively small loss, this flow control with rotating guide vanes uses the existing heat gradient significantly better than a throttle control and is structurally superior to the bridging control in gas turbines.
It may be useful to also run the utility power turbine with a control device. In the drawing, this is shown as a simple throttle valve 1.3, moved by a power piston, but a device with rotatable guide vanes can just as well come into consideration here.
The power of the turbine 4 can be set by a gas flow or heat gradient control. If you want to drive with a constant heat gradient, the pressure and temperature in front of the turbine must be kept constant. This would require an approximately constant compressor speed., Number.
With such an arrangement, the efficiency would be very poor at part load, because the required compression power would have to be almost as great as at full load. If the power requirement on the propeller shaft is changed, both the power turbine and the compressor turbine will work with full admission without throttling,
which is particularly advantageous when driving fluid-flow machines with variable speeds, since the Parsons number then remains almost constant regardless of the load.
The power to be delivered to the propeller shaft thus primarily determines the compressor speed and the combustion chamber pressure. In order to increase the compressor speed, the compressor turbine output must temporarily outweigh the compressor output.
This temporary increase in performance can be achieved by increasing the gas temperature for a short time, which is already permitted with regard to the blade strength, because the mean continuous temperature is decisive for the creep strength and momentary changes in temperature with changes in load hardly influence this strength limit.
In the drawing, 8 is the previously mentioned thermostat device, which adjusts the amount of fuel in a certain ratio to the amount of air and thereby the gas temperature via the pressure regulator 12, the line 14 and the servomotor 115 (far right in the figure) keeps constant.
The setting power regulator 16 of the power turbine regulates the oil pressure in the line 17 and thereby acts on an adjusting piston 17a between the thermostat and the oil pressure regulator 12. With the power regulator 16, the amount of fuel and thus the gas temperature can be temporarily increased or decreased.
The change in the gas temperature leads to a change in the compressor speed, which causes a change in pressure and thus a change in power output. The power regulator 16 acts through the regulating devices 17a, 12, 15 through temporary changes in the gas temperature on the compressor speed and the combustion chamber pressure and thus regulates the useful power.
18 is an overflow valve, 19 a limit speed regulator, 20, 211 release link devices of the usual type. The power turbine 5 drives the propeller 23 via a gear 22. 24 is a starting motor for group 1 .. 4; the oil pump 25 supplies all oil lines. 2.6 are throttling points in the oil lines.