Einrichtung zur Regelung von Verbrennungsturbinenanlagen. Regelungen von Verbrennungsturbinen anlagen, bei welchen mehrere Verdichter und Gasturbinen hintereinandergeschaltet sind und die zum Antrieb irgendeiner Arbeits maschine eine eigene Nutzleistungsturbine haben, sind bekannt. Da die Nutzleistungs- turbine mit den andern Turbinen hinter einandergeschaltet ist, kann die Nutzleistung nur dann gegen Null abnehmen, wenn das Treibmittel, das zur Aufrechterhaltung des Betriebes die übrigen Turbinen durchströmen muss, die Nutzleistungsturbine umgeht. Die Nutzleistungsturbine muss also in diesem Fall mit einer sogenannten Bypassregelung ver sehen werden.
Um dies zu vermeiden, wurde auch schon vorgeschlagen, der Nutzleistungsturbine ein Regelgebläse zuzuschalten, das bei gegen Null abnehmender Belastung der Arbeits maschine die Turbine belastet. Diese Lösung ist aber unbefriedigend, da es mit Schwierig keiten verbunden ist, während des Betriebes plötzlich ein derartiges Regelgebläse an die Nutzleistungsturbine anzukuppeln.
Es ist aber auch nicht möglich, die Nutzleistung durch Herabsetzung der Treibluftmenge zu verkleinern, das heisst dadurch, dass man die Drehzahl des Verdichters stark abnehmen lässt, weil mit fallender Drehzahl die thermo dynamischen Wirkungsgrade von Gebläse und Turbine schlechter werden, so dass zur Erhaltung des Leistungsgleichgewichtes die Temperatur vor dieser Gebläseturbine von einer bestimmten untern Drehzahl an unzu lässig hoch ansteigen würde.
Die Erfindung vermeidet diese Schwie rigkeiten dadurch, dass auch die Turbine, die die Nutzleistung abgibt, dauernd einen Treib- luftverdichter antreibt, so dass also jede Tur bine einen Verdichter antreibt, und dass die Brennstoffmenge einer der Nutzleistungs- turbine unmittelbar vorgeschalteten Brenn- kammer von einem Leistungsregler unmittel bar geregelt wird,
während die Brennstoff zufuhr zu jeder einer Verdichterturbinen- gruppe zugehörigen Brennkammer vom durch den Leistungsregler ausgelösten Regel vorgang beeinflusst wird. Da dieser von der Nutzleistungsturbine angetriebene Verdich ter auch dann noch Leistung erfordert, wenn die Nutzleistiung auf Null sinkt, die Anlage also leer läuft, muss die Antriebsturbine. das heisst die die Nutzleistung erzeugende Gas turbine, auch bei Leerlauf der Anlage eine namhafte Leistung abgeben.
Der Unterschied der kleinsten Leistung der Turbine bei Leer lauf zur grössten Leistung bei Vollast oder Überlast, wird dadurch verhältnismässig klein. Damit erreicht man aber, dass die Leistung mit einfachen Mitteln geregelt wer den kann, wie an Hand der Zeichnung, die in den Fig. 1-5 mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Einzelheiten in den zu Fig. 4 gehörenden Fig. 4a, 4b, 4c zeigt, näher erläutert sei.
Die Fig. 1 zeigt schematisch die Verwirk lichung dieses Gedankens an einer Zwei- Wellenanordnung. Es ist 1 ein Niederdruck verdichter, 2 ein Luftrückkühler, 8 ein Hoch- druekverdichter, 4 eine Hochdruckbrenn- kammer, 5 eine Hochdruckturbine, 6 eine Nie derdruckbrennkammer, 7 eine Niederdruck turbine, 8 ein Generator, und 9 sind Anwurf motoren. Die Niederdruckturbine 7 treibt nicht nur den Generator 8, sondern auch den Verdienter 1 an.
Die Niederdruckgruppe, die den Genera tor antreibt, wird in allen Fällen, wo dieser Generator eine Wechselstrommaschine ist, mit konstanter Drehzahl laufen. Man legt diese Anlagen zweckmässig so aus, dass bei Vollast vor beiden Turbinen die Temperatur einen Maximalwert hat. Bei abnehmender Last wird in erster Linie die Brennstoff menge zur Brennkammer 6 herabgesetzt. Mit der Turbine 5 wird dabei mit möglichst hoher Temperatur gefahren. Da mit sinkender Temperatur vor der Niederdruckiturbine 7 der Druck vor dieser Turbine fällt, so steigt das Druckgefälle der Hochdruckturbine und somit auch die Leistung derselben. Die Dreh zahl der Hochdruckgruppe beginnt deshalb zu steigen. Man muss nun dafür sorgen, dass diese Drehzahl nicht ungebührlich ansteigt, was z.
B. durch einen Fliehkraftgrenzregler 11 erfolgen kann.
Wenn bei abnehmender Last der Brenn stoff der Brennkammer 6 so tief gesunken ist, das bei weiterer Abnahme die Flamme erlöschen würde, wird die weitere Last verminderung durch Verkleinerung der Brennstoffmenge der Hochdruckbrennkammer 4 bewirkt. Die Regelung erfolgt also da durch, dass man zuerst die Brennstoffmenge der Niederdruckbrennkammer allein ab nehmen lässt und erst von einer untern Be grenzung an die Brennstoffmenge der Hoch- druckbrennkammer. Erreicht aber die Hoch druckturbine vor der minimalen Brennstoff menge der Niederdruckturbine ihre obere zu lässige Drehzahl,
so beginnt der Grenzregler die Brennstoffmenge der Hochdruekbrennkam- mer zu verkleinern. Wie Fig. 1 zeigt, besitzt die Niederdruckgruppe einen Fliehkraftregler 10, der die Brennstoffmenge zur Brennkam- mer 6 einstellt. Die Brennstoffmenge der Brennkammer 4 wird ebenfalls vom Flieh kraftregler 10 gesteuert.
Die oben beschriebene Regelung, dass die Brenstoffmenge der Brennkammer 4 erst verkleinert wird, wenn diejenige der Brenn- lammer 6 ihren Minimalwert erreicht hat, kann man z. B. durch entsprechende Ein stellung der Federspannung der Servomotoren 13 erreichen.
Die Hochdruckgruppe hat, wie bereits an geführt noch einen Drehzahlgrenzregler 11, der beim Erreichen der maximalen Drehzahl dieser Gruppe eingreift und die Drehzahl auf diesem Wert hält, indem er unabhängig von der Regelung des Leistungsreglers die Brennstoffmenge der Hoehdruclzbrennkammer 4 verkleinert. Um eine Einwirkung des Reglers 11 auf das Regelsi,stem der Nieder- druckbrennkammer 6 zu verhindern, wird in die Steuerölleitung ein Organ 12 eingebaut, das wohl einen Druckimpuls vom Regler 10 auf die Brennkammer 4 überträgt, eine Rück wirkung des Reglers l.1 auf die Brennkammer 6 jedoch verhindert.
Das Organ 12 arbeitet dabei so, dass ein Kolben einen Überlauf für das Steueröl schliesst, falls der Öldruck vom Regler 11 bezw. von seinem Steuerschieber aus fallen sollte. Dadurch kann sich die Drucksenkung in der Steuerölleitung nicht nach der Brennkammer 6 fortpflanzen. Auch durch die in der Umgehungsleitung der Öl steuerung angeordneten Blenden kann eine Rückwirkung vom Regler 11 her durch diese Leitung nicht erfolgen.
Hat man bei der Hochdruckgruppe keinen grossen Drehzahlbereich, was z. B. dann der Fall ist, wenn man mit dieser Maschine aus Gewichtsgründen an die äusserste Grenze des Zulässigen gehen muss, so muss der Grenz- regler 11 sofort eingreifen. Es kann dann nicht mehr zuerst die Brennstoffmenge der Brennkammer 6 bis auf einen Minimalwert gesenkt und dann erst die Brennstoffmenge der Hochdruckbrennkammer 4 vermindert werden, sondern es müssen von Anfang an beide Brennstoffmengen verkleinert werden. Bei Anlagen. bei denen die Nutzleistung nie ganz auf Null abnimmt und gleichzeitig kein grosser Drehzahlbereich der Hochdruckgruppe vorhanden ist, wie dies z.
B. beim Antrieb von Pumpen und Gebläsen der Fall sein kann, kann man eine einfache und günstige Regelung dadurch erreichen, dass jede Gruppe einen selbständigen Regler hat, der unab hängig vom Regler der andern Gruppe ar beitet.
Fig. 2 zeigt, ebenfalls in schematischer Weise, diese Regelung. Die Zahlen haben wieder dieselbe Bedeutung wie in Fig. 1. Der Fliehkraftregler 10 beeinflusst die Brenn stoffmenge der Niederdruckbrennkammer 6 und stellt somit die Leistung ein, während der Fliehkraftregler 11 durch Beeinflussung der Brennstoffmenge der Hochdruckbrenn- kammer die Drehzahl dieser Gruppe konstant hält. Dies geschieht dadurch, dass die Blen den in der Oldruckleitung die Regelung beider Gruppen praktisch trennen.
Gleich wohl findet eine gegenseitige Abhängigkeit in der Regulierung der Gruppen statt, und zwar nicht unmittelbar von dem Leistungs regler der die Nutzleistung abgebenden Tur binengruppe her (im Falle der Fig. 2 also vom Leistungsregler 10), sondern mittelbar vom Regelvorgang dieser Gruppe aus, und zwar gasseitig. Falls beispielsweise in Fig. 2 die die Nutzleistung abgebende Gruppe 7, 1 höhere Leistung abgeben muss, so steuert der Leistungsregler 10 auf entsprechend mehr Brennstoff für die Brennkammer 6. Dadurch steigt dort der Druck und die Temperatur, und die Gasturbine 7 erhält ein um beides erhöhtes Arbeitsmedium und somit eine höhere Leistung. Aber auch der Gegendruck hinter der Gasturbine 5 der andern Gruppe 5, 3 steigt, wodurch deren Drehzahl sinkt.
Da durch steuert der zugehörige Fliehkraftregler 11 auf erhöhte Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer 4, wodurch Druck und Tempe ratur (und somit Leistung) vor der Gas turbine 5 heraufgesetzt werden.
Die die Nutzleistung abgebende Gruppe wird je nach Verwendungszweck mit kon stanter oder variabler Drehzahl betrieben. Hat man einen Wechselstromgenerator, so muss, wie bereits erwähnt, die Drehzahl dieser Gruppe bei allen Belastungen kon stant bleiben. Wird die Nutzleistung durch einen Gleichstromgenerator aufgenommen oder durch einen Verdichter oder sonst durch eine Maschine mit variabler Drehzahl, so werden trotzdem die nachgeschalteten Ver dichterturbinengruppen die Drehzahlände rung der Nutzleistungsturbine nur in einem kleinen Bereich mitmachen, da bei grosser Änderung der Drehzahl die Verdichter dieser Gruppen zum Pumpen kämen.
Man wird also in allen Fällen, wo die Nutzleistungs turbine den Verdichter der untersten Ver dichterstufe antreibt, die Gruppen der obern Verdichterstufen in ihrer Drehzahl sich nur wenig mit der Belastung ändern lassen. Der zulässige Bereich dieser Änderung beträgt zirka 20 bis 30 %. Ein Über- oder Unterschrei ten dieser Grenzen muss durch Grenzregler vermieden werden.
Man kann aber die Nutzleistungsturbine auch einen nachgeschalteten Verdichter an treiben lassen; in diesem Fall wird man die Gruppe des untersten Verdichterstufe bei Teillast in der Drehzahl fallen lassen, um die angesaugte Luftmenge zu verkleinern, was einen Abfall der Betriebstemperatur bei Teillast vermeidet und deshalb auch bessere Teillastwirkimgsgrade ergibt, als wenn die Drehzahl dieser Gruppe und somit die Luft menge konstant bleiben würde.
In diesem Fall regelt man die Drehzahl der Gruppe der untersten Verdichterstufe in Abhängigkeit der Nutzleistung, wie dies Fig. 3 schematisch zeigt. Es gelten wieder die selben Bezeichnungen wie in Fig. 1. Die An lage wurde im Gegensatz zu den bisher ge zeigten mit einem Luftvorwärmer .18 gezeich net, was aber die Regelung als solche nicht berührt.
Der Leistungsregler 10 steuert die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer 4 un mittelbar, und diejenige zur Brennkammer 6 mittelbar über den Fliehkraftregler 11, und zwar in Abhängigkeit der Nutzleistung durch Verstellen der Reglerbüchse 11' des Fliehkraftreglers dieser Gruppe. Ein Ther mostat 15 begenzt die Temperatur vor der Turbine 5. Da die Niederdruckgruppe keine Leistung nach aussen abgibt, muss ihre Tur binenleistung und ihre Verdichterleistung bei allen Belastungen im Gleichgewicht sein. Dieses Leistungsgleichgewicht kann durch folgende Mittel gestört werden: 1. Die Luftansaugetemperatur kann sieh verändern, z.
B. steigen, wodurch die Ver dichterleistung 1 grösser wird.
2. Die Wassertemperatur des Kühlers 2 kann steigen, wodurch der Trenndruck zwi schen beiden Verdichtern steigt, was eben falls eine Vergrösserung der Leistung des Verdichters 1 zur Folge hat.
Der Regler 11 versucht, diese Störung des Leistungsgleichgewichtes auszugleichen, indem er die Brennstoffmenge der Brenn- kammer 6 vergrössert. Sobald die höchst zu lässige Temperatur vor der Turbine 7 er reicht wird, kann das Leistungsgleichgewicht nicht mehr hergestellt werden. In diesem Fall müssen Zusatzsteuerorgane einspringen. In Fig. 3 wird dies dadurch erreicht, dass eine Verbindungsleitung 16 an der Niederdruck gruppe vorgesehen ist, die das Leistungs gleichewicht durch Drucksenkung am Druckstutzen des Verdichters 1 wieder her stellt. Wird nämlich das Ventil 17 geöffnet, so strömt eine bestimmte Luftmenge durch die Leitung 16, was die oben erwähnte Drucksenkung am Druckstutzen des Ver dichters ergibt.
Diese Drucksenkung hat aber bei Axialverdichtern auch eine Leistungs senkung zur Folge, womit das Leistungs gleichgewicht wieder hergestellt wird. Am zweckmässigsten wird das Ventil 17 von einem Thermostaten 14 geregelt. Die Ein mündung der Leitung 16 in die Turbine 7 erfolgt nach dem Thermostat 14, um so die Erreichung des Gleichgewichtszustandes über den Fliehkraftregler zu erwirken.
Man kann das gestörte Leistungsgleich gewicht der Niederdruckgruppo aber auch durch Veränderung des Trenndruckes zwi schen beiden Turbinen wieder herstellen.
Es sind verschiedene Mittel zur Errei chung dieses Ziels möglich. In der schematisch gehaltenen Fig. 4, die im wesentlichen mit Fig. 3 übereinstimmt, sind am Eintritt in die Turbine 7 drehbare Schaufeln 20 vorgesehen, die durch den Thermostat 14 über den Servomotor 13 ver stellt werden. Bei einer Fehlleistung der Tur bine 7 wird zuerst der Regler 11 diese Fehl leistung durch vermehrte Brennstoffzufuhr zur Brennkammer 6 zu beheben versuchen. Sobald aber die höchst zulässige Temperatur vor der Turbine 7 erreicht ist, kann die Brennstoffzufuhr nicht mehr vergrössert werden.
Um dies zu verhindern, schliesst der Thermostat 14 die drehbaren Schaufeln, wo durch der Zwvischendruck zwischen beiden Turbinen neigt und das Gefälle und somit die Leistung der Turbine 7 veralrössert wird. In Fig. 4a ist diese Vorrichtung getrennt herausgezeichnet. Fig. 4b zeigt eine Zuschalt turbine 2l, die dieselbe Wirkung hat. Fig.4c zeigt drehbare Leitsehaufeln 22 im Gebläse 3. Durch Verstellen der Schaufelwinkel im Hochdruck2gebläse 3 wird das Schluck vermögen dieser Maschine verändert, wo durch der Zwischendruck zwischen beiden Gebläsen verschoben werden kann.
Eine Ver- grisserung der Schaufelwinkel ergibt eine Senkung des Zwisehendruckes - auch Trenndruck genannt - und eine Entlastung des Niedürdrachverdichters, was zur Errei- ehung des Leistungsgleichgewichtes dieser Gruppe führt. Auch dieses Organ wird am zweckmässigsten durch den Thermostaten vor der Niederdruekturbine gesteuert. Man kann aber auch die Veränderung der Tempe ratur auf der Saugseite der Gebläse als Mass der Störung des Leistungsgleichgewichtes benützen.
Diese Zusatzreo-elorgane sind aber nidht nur notwendig, wenn von aussen das Lei- stungesoleichgev-icht durch die oben erwähn ien Einflizsse gestört wird, sondern auch dann, wenn zur Beschleunigung der Gruppe hei einer Laststei.geruno- diese Störung a;b- siühtli.ch eingeleitet wird.
Es muss nämlich in diesem Fall die Niederdruckgruppe zuerst beschleunigt werden, ehe die orössere Nutz last abgegeben werden kann. Diese Beschleu- nigung erfordert aber eine Vergrösserung der Turbinenleistung dieser Gruppe, das heisst eine Störung des Leistungsgleichgewichtee. Solange diese Leistungssteigerung durch eine Erhöhung der Temperatur vor der Turbine erreicht wird, braucht der Zusatzregler nicht einzugreifen. Ist aber die Grenztemperatur erreicht, so muss die bereits erwähnte Zusatz regelung ansprechen.
An Stelle der hier vorgeschlagenen Zu satzorgane kann auch eine elektrische Lei- stungsübertrabung treten, wie sie in Fig. 5 chematisch gezeigt wird. Das Leistungs gleichgewicht wird in diesem Fall durch Leistungsübertraguung von der Nutzleistungos- gruppe auf die Verdiehtergruppe über die Motoren 9 bewirkt. Die Regelung dieser elek trischen Maschine erfolgt wieder durch den Thermostat 14. Fig. 5 zeigt noch eine andere Art der Regelung. Die Temperatur vor der Hochdruckturbine wird durch einen Ther mostaten 15 geregelt.
Dieser Thermostat 15 sorgt dafür, dass die Temperatur vor dieser Turbine möglichst hoch bleibt, indem er die Brennstoffmenge der Niederdruckbrenn- kammer so einstellt, dass bei fallender Tem peratur vor der Turbine 5 die Brennstoff menge der Brennkammer 6 sinkt, so dass durch Senkung der Drehzahl bezw. Luft menge der Gruppe 1, 7 die Temperatur vor der Turbine 5 wieder ansteigt.
Die Erfindung beschränkt sirch nicht auf die hier angeführten Regelorgane, sondern beruht ganz allgemein auf der Erkenntnis, dass bei Verbrennungsturbinen mit mehreren Verdichterturbinengreuppen auf getrennten Wellen, bei welchen die Nutzleistungsturbine auch einen Treibluftverdichter antreibt, die hier angeführten Regelvorgänge, das heisst unmittelbare Regelung der Nutzleistungs gruppe und davon abhängige Regelung der Turbinengruppen, die keine Leistung ab geben, gewahrt werden.