Verfahren und Einrichtung zur Regelung von Gasturbinenanlagen, bei welchen sich der Arbeitsprozess unter Überdruck abspielt. Die Erfindung bezieht sich auf ein Ver fahren und eine Einrichtung zur Regelung von Gasturbinenanlagen, bei welchen sich der Arbeitsproze$ unter Überdruck abspielt und die Leistungsregelung derart erfolgt, dass das Druckniveau der Anlage bei konstan ten Temperaturen und Druckverhältnissen mindestens angenähert proportional der Lei stung geändert wird.
Die Erfindung besteht darin, dass unter annähernd gleichzeitiger Veränderung der Brennstoffzufuhr bei ra schen Belastungssteigerungen mindestens ein Teil der Schaufelung des Hauptverdichters vorübergehend so verstellt wird, dass der Hauptverdichter ein grösseres Druckverhält nis erzeug, und dass die Schaufeln unter dem Einfluss der dem neuen Beharrungszustand zustrebenden Drehzahl mindestens ange nähert in ihre Ausgangsstellung zurück kehren.
Es ist zweckmässig, die Schaufeln nach erfolgtem Regelvorgang nicht ganz in ,die Ausgangsstellung zurückzustellen, so dass also, die Schaufelstellung im Beharrungs- zustand von der Belastung abhängig sein kann. Es können auch alle Schaufeln gleich zeitig verstellt werden. Für die Nieder druckstufen kann ein grösserer Verstellungs- winkel als für die Hochdruckstufen vorge sehen werden. Es können auch nur die Nie derdruckstufen verstellt werden.
Gasturbinenanlagen, bei denen sich der Arbeitsprozess, unter Überdruck abspielt und durch Verändern des Druckniveaus die An lageleistung geregelt wird und bei denen das Druckniveau durch ein Aufladeaggregat ge halten und entsprechend der verlangten Lei stung verändert wird, sollen nicht nur in weitem Belastungsbereich einen guten Wir- kungsgrad ergeben,
sondern auch schnell dem jeweiligen Belastungszustand angepasst wer den können. Die Regelung mit gutem Wir kungsgrad in weitem Belastungsbereich ist in solchen Fällen ohne weiteres gegeben, da bei Belastungsänderungen die Strömungsverhält nisse im Verdichter und in der Turbine um verändert bleiben und zusätzliche Stossvers luste nicht auftreten, jedoch beschleunigt sich ohne Zuhilfenahme besonderer Mittel das Aufladeaggregat zu langsam, so dass der Reguliervorgang verhältnismässig träge er folgt.
Es besteht zwar die Möglichkeit, diese Schwierigkeit durch Anbringen von Reserve luftbehältern oder Speichern, zum Beispiel von Dampf, mit entsprechenden Beschleuni gungsturbinen zu umgehen. Solche Reserve luftbehälter und Speicheranlagen haben den Nachteil, dass sie einen zusätzlichen Raum bedarf und konstruktiven Aufwand mit sich bringen. Durch die vorliegende Erfindung wird der Vorteil erzielt, dass mit geringem Aufwand und ohne zusätzlichen Raumbedarf eine rasche und trotzdem wirtschaftliche, das heisst eine mit gutem Wirkungsgrad in wei ten Belastungsgrenzen arbeitende Regelung von Gasturbinenanlagen erreicht wird.
Wenn die Schaufeln nicht mehr ganz in ihre ursprüngliche Stellung zurückverstellt werden, so ergibt sich der weitere Vorteil, dass eine gewisse Korrektur des in der Än derung des Druckniveaus bestehenden Regu lierverfahrens erzielt werden kann. Da näm lich die Wärmeübergangszahl im Rekupera- tor nicht genau proportional dem Druck ist, sondern etwas weniger rasch ansteigt als die ser, wird der Rekuperator der Anlage bei hoher Leistungsabgabe, das heisst bei hohem Druckniveau, etwas weniger wirksam sein. Es wird dann pro 1 kg Arbeitsmittel weniger Wärme ausgetauscht.
Ein Ausgleich kann erzielt werden, wenn das Druckverhältnis zwischen Hochdruck- und Niederdruckseite des Rekuperators vergrössert, wird. Eine ge ringe Steigerung des Druckverhältnisses ist dadurch erzielbar, dass nach dem Regulier vorgang eine gewisse geringe Schaufelver stellung bestehen bleibt. Die Schaufelstel lung ist dann also abhängig von der momen tanen Belastung. Durch dieses Regulierver fahren ist es möglich, ein Optimum an Wirt schaftlichkeit zu erzielen. Thermodynamisch stellt ein mit der Belastung innert sehr klei nen Grenzen veränderliches Druckverhältnis den günstigsten Fall dar, während strö mungstechnisch ein absolut konstantes Druck- verhältnis am vorteilhaftesten ist.
Durch die Anwendung einer verstellbaren Schaufelung gemäss der Erfindung ist die Möglichkeit ge geben, den thermodynamisch günstigsten Fall zu wählen, ohne wesentliche strömungs technische Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungs beispiel der Erfindung schematisch darge stellt.
Fig. 1 zeigt ein Schaltschema einer Gas turbinenanlage; Fig. 2 zeigt den Schnitt durch ein mehr stufiges Axialgebläse mit verstellbaren Schaufeln.
In Fig. 1 stellt. 1 den Verdichter dar. wel cher von der Gasturbine 2 angetrieben wird. Die Gasturbine 2 gibt ihre Überschussleistung nach aussen, zum Beispiel an einen Generator 3, ab. Die im Verdichter 1 verdichtete Luft gelangt in die Heizschlangen 4 eines Reku- perators 5, wo sie durch die von der Gas turbine 2 durch die Leitung 8' kommende Luft erwärmt wird.
Die Luft wird hierauf in der Rohrschlange 6 einer Heizstelle 7 wei ter erhitzt und gelangt anschliessend in die Gasturbine 2 zur Arbeitsleistung. Die von der Gasturbine 2 kommende Luft wird zum Teil durch die Leitung 8" in die Heizstelle 7 und zum Teil durch eine Leitung 8' in den Rekuperator 5 geführt.
Die in die Reiz stelle 7 geleitete Luft gelangt nach Erwär mung durch Einspritzen von Brennstoff und teilweiser Wärmeabgabe an die in der Rohr schlange 6 strömende Luft ebenfalls in einen andern Teil 11 des Rekuperators. Der Reku- perator 5 ist durch eine Trennwand 9 in zwei Teile geteilt, damit sich die Frischluft mit den Verbrennungsgasen nicht mischen kann.
Die aus dem Teil 10 des Rekuperators ,5 kommende Luft gelangt über den ]Kühler 12, welcher mit der Kühlspirale 13 ausgerüstet ist, in den Hauptverdichter 1, während die aus dem Teil 11 des Rekuperators 5 kom menden Abgase, welche noch unter Drack stehen, in die Gasturbine 14 der Auflade gruppe 15 gelangen. Die Gasturbine 14 treibt den Aufladeverdichter lfi, welcher mit einem Zwischenkühler 17 ausgerüstet ist.
Die na mentlich bei Belastungssteigerungen notwen dige Zusatzleistung wird durch den Elektro motor 18 geliefert. Die im Aufladeverdich- ter 16 verdichtete Luft wird in den Kühler 12 geleitet und gelangt damit in den Haupt kreislauf der Gasturbinenanlage.
In I'ig. 2 stellt 19 den Ansaugstutzen und 20 den Austrittsstutzen des Il'auptver- dichters 1 dar. Die Leitschaufeln 21 sind mit dem Gehäuse 33 fest verbunden, wäh rend die Laufschaufeln 22, 22' im Rotor 23 beweglich gelagert sind. Die Verstellung der Laufschaufeln 22, 22' erfolgt über Hebel 24, an denen Zapfen 25 befestigt sind. Diese Zapfen 25 greifen in Nuten 26 ein, welche im innern Teil 27 des Rotors 23 angebracht sind. Durch axiale Verschiebung des in- nern Teilfis 27 können sämtliche Laufschau feln 22, 22' gleichzeitig verstellt werden.
Man könnte die Einrichtung auch so bauen, dass die Niederdruckstufen 22 des Verdich ters 1 verstellt werden, die Hochdruck stufen 22' dagegen nicht. Die Verschiebung des innern Teils, 27 in axialer Richtung erfolgt durch die Stange 28, in welche am äussern Ende ein Gabelhebel 29 eingreift. Der Hebel 29 wird um den Drehpunkt 29' verstellt. Der Rotor 23 ist in den Lagern 30 und 31 gelagert. Die Verbindung des Ver dichters 1 mit der Gasturbine erfolgt über die Kupplungshälfte 32.
Die Betriebsweise ist nun folgende: Bei einer plötzlichen Belastungserhöhung fällt die Drehzahl der Maschinen 1 und 2 merk lich ab, so dass der Zentrifugalregler momen tan sich aus seiner Beharrungslage um einen wesentlichen Betrag entfernt. Dieser Zentri- fugaIregler beeinflusst nun in an sich bekann ter Weise (z. B. hydraulisch) den Verstell hebel 29 und besorgt damit die Verstellung der Schaufelung 22, derart, dass der Haupt verdichter ein grösseres Druckverhältnis er zeugt. Da gleichzeitig die Brennstoffzufuhr entsprechend gesteigert wird, kann die Gas turbinenanlage sofort eine grössere Leistung abgeben.
Der neue Betriebszustand bei der erhöhten Leistung, der sich innert kürzester Zeit einstellt, weist allerdings einen geringen Wirkungsgrad auf. Allmählich beschleunigt sich jedoch das Aufladeaggregat und erhöht damit das Druckniveau der Anlage. Gleich zeitig steigt die Drehzahl der Maschinen- gruppe 1, 2. 3 wieder an, bis sie schliesslich ihren normalen Wert erreicht hat. Demgemäss kehrt auch der Zentrifugalregler in seine normale Lage zurück und macht damit auch die Verstellung der Schaufelung des I3aupt- verdichters wieder rückgängig.
Die höhere Leistungsabgabe ist jetzt (also im neuen Beharrungszustand) einzig bedingt durch die höhere Drehzahl des Ladeaggregates 14, 16, 18 und die damit gegebene höhere Aufla- dung, welche ohne Übertemperatur eine höhere Brennstoffzufuhr gestattet. Der Be triebszustand der Gasturbinenanlage im Beharrungszustand weist also einen guten Wirkungsgrad- auf, weil der Hauptverdichter 1 wieder mit seinem normalen Druckverhält nis arbeitet, wobei gleichzeitig die Möglich keit geschaffen ist, eintretende Belastungs- stösse rasch aufzunehmen.
Lei langsamen Belastungserhöhungen vermag die Drehzahlerhöhung des Lade aggregates dem sich ändernden Betriebszu stand schnell genug zu folgen, so dass beim Hauptaggregat 1, 2, 3 keine nennenswerte vorübergehende Drehzahlreduktion zustande kommt. Demgemäss erfolgt auch keine we sentliche Verstellung der Kompressorschau- felung.
Ist die Regelung der Anlage nicht als eigentliche Isodromregelung ausgebildet, so stellt sich bei erhöhter Belastung die Dreh zahl im Beharrungszustand auf einen etwas kleineren Wert ein als bei kleiner Belastung. Demgemäss nimmt auch der Zentrifugalregler eine etwas andere Lage ein und macht da mit auch die Verstellung der Schaufelung nicht vollständig rückgängig.
Selbstverständlich ist auch jederzeit die Kombination einer solchen verstellbaren Schaufelung mit den bereits bekannten Be schleunigungsvorrichtungen (Reserveluftbe- hälter oder Dampfspeicher mit den entspre- chenden Beschleunigungsturbinen) anwend bar, wenn beispielsweise besonders plötzliche und grosse Belastungsänderungen aufgenom men werden müssen und das Bestreben be steht, die Reserveluftbehälter oder Dampf speicher mit den zugehörigen Turbinen be sonders klein zu halten.
Auch muss nicht not wendigerweise die ganze Schaufelung des Verdichters verstellt werden, und es ändert auch nichts am Grundgedanken der Erfin dung, wenn die Schaufelung nicht mehr ganz genau in ihre Ausgangslage zurückkehrt, so dass eine gewisse, allerdings klein bleibende Schaufelverstellung vorhanden ist.