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Vorrichtung zur Regelung der Lastverteilung und der Drehzahl mehrerer
Gasturbinentriebwerke, die eine gemeinsame Abtriebswelle aufweisen Die Erfindung
bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Regelung der Lastverteilung und der Drehzahl
meherer Gasturbinentriebwerke, die eine gemeinsame Abtriebswelle aufweisen und mit
je einem Kraftstoffregler und einem Drehmomentgeber ausgerüstet sind. Aufgabe der
Erfindung ist es, die Kopplung zweier oder mehrerer Gasturbinentriebwerke mit je
einem p-wirkenden Kraftstoffregler ohne Änderungen an den Regeleinrichtungen der
Einzelmaschinen zu ermöglichen. Dabei soll insbesondere den Forderungen Genüge geleistet
werden, daß die Einzelmaschinen bei geringer Gesamtlast oder bei Ausfall einer Einzelmaschine
für sich allein betriebsfähig und regelbar bleiben. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung,
die vorübergehende und bleibende Drehzahländerung der p-wirkenden Kraftstoffregler
als Folge von Belastungsänderungen so gering wie möglich zu halten. Ferner soll
eine gleiche Belastung der einzelnen Maschinen untereinander gewährleistet sein.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß jeder
Kraftstoffregler einen p-wirkenden Drehzahlregler aufweist, der über ein Getriebe
mit dem zugehöhrigen Triebwerk kraftschlüssig verbunden ist, daß für die gemeinsame
Abtriebswelle ein übergeordneter Drehzahlregler vorgesehen ist und daß dem Drehmomentgeber
jedes Triebwerks und dem übergeordneten Drehzahlregler ein Stellgetriebe zugeordnet
ist, das mittels je eines Drehzahlhebels und je eines übertragungsgestänges auf
die Drehzahlwähleinrichtung jedes Kraftstoffreglers einwirkt. Dadurch kann ohne
besonderen Eingriff in die Kraftstoffregler der Einzelmaschinen und damit ohne Beeinträchtigung
der getrennten Regelmöglichkeit für die Einzelmaschinen die Regelung der Gesamttriebswerksanlage
mit geringem Aufwand an Zusatzeinrichtungen erfolgen, die in Signalgebern für das
Drehmoment der einzelnen Triebwerke, einem integral wirkenden Drehzahlregler der
gemeinsamen Abtriebswelle, einem Stellgetriebe und übertragungselementen zwischen
dem Stellgetriebe und den Drehzahlwähleinrichtungen der p-wirkenden Kraftftoffregeler
der Einzelmaschinen andererseits bestehen.
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Regelvorrichtungen für Kraftmaschinen mit Drehzahlreglern und Drehmomentgebern
sind bereits bekannt.
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Eine solche Regeleinrichtung nach der deutschen Auslegeschrift 1097
287 dient jedoch lediglich der Regelung eines Triebwerks, und zwar handelt es sich
hierbei um eine Grenzwertregelung, bei der verschiedene Grenzen (Drehzahl, Drehmoment,
Gastemperatur) vorgegeben sind, die nicht überschritten werden dürfen. An einem
Diskriminator wird diejenige Grenze ausgewählt, welche die kleinste Brennstoffmenge
ergibt. Demzufolge ist diese Regeleinrichtung nach der deutschen Auslegeschrift
1097 287 nicht mit derjenigen nach der Erfindung vergleichbar.
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In der deutschen Patentschrift 1081278 ist eine Regeleinrichtung für
die einen Wechselstromerzeuger antreibende Antriebsturbine offenbart, welche eine
Luft- oder Gasturbine sein kann, der Treibmittel zugeführt wird, wobei die Regeleinrichtung
zur Dosierung der Luft- oder Gasmenge vorgesehen ist. Die Luft- oder Gasturbine
treibt hierbei mehrere Wechselstromerzeuger an, welche elektrisch parallel geschaltet
sind und keine gemeinsame Abtriebswelle aufweisen.
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Die in der deutschen Patentschrift 1081278 offenbarten Regeleinrichtungen
sind hauptsächlich vorgesehen, um eine besitmmte Drehzahl-Last-Kennlinie zu erreichen,
und die ferner offenbarte Sollwertverstelleinrichtung findet Anwendung zum Synchronisieren
und Belasten, und die Einrichtungen, beispielsweise Steuergerät, Drehzahlmesser
und Stromimpulse sind zur Drehzahlanzeige und zur Fernsteuerung vorgesehen. Es wird
hierbei jedoch keine selbsttätige Steuerung der Lastverteilung und der Drehzahl
der gemeinsamen Abtriebswelle bzw. der Wechselstromfrequenz vorgenommen.
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Die deutsche Patentschrift 1039 312 bezieht sich auf eine Kraftstoffregelvorrichtung
für zweistufige Gasturbinenanlagen mit mechanisch voneinander getrennten Läufern,
während die erfindungsgemäße Vorrichtung für parallelarbeitende Triebwerke vorgesehen
ist.
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Die einzelnen Läufer der Gasturbinenanlagen nach der deutschen Patentschrift
1039 312 arbeiten nicht
auf eine gemeinsame Abtriebswelle, und es
ergeben sich demzufolge hieraus ganz anders geartete Regelaufgaben als bei der Vorrichtung
nach der Erfindung. Regeleinrichtungen für mehrstufige Triebwerke haben die Aufgabe,
die Drehzahlen der verschiedenen Läufer in bestimmten Grenzen zu halten, während
mittels der Vorrichtung: nach der Erfindung die Drehzahl der gemeinsamen Abtriebswelle
und die Lastverteilung geregelt werden soll.
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In einer weiteren Ausgestaltung schlägt die Erfindung vor, daß das
Stellgetriebe die Signale der Drehmomentgeber und des übergeordneten Drehzahlreglers
so umformt, daß die Drehzahlstellhebel und die Übertragungsgestänge der Kraftstoffregler
in Abhängigkeit vorn Drehzahlregler einerseits gleichsinnig verstellbar sind und
zusätzlich in Abweichung vom mittleren Drehmoment der Drehmomentgeber jedes Triebwerks
verstellbar sind. Es entstehen demzufolge keine bleibenden Regelabweichungen für
Lastverteilung und Drehzahlregelung an der Abtriebswelle, und es sind außerdem beide
Regelkreise für Drehzahl und Lastverteilung zueinander entkoppelt.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weist das Stellgetriebe
zwei Kolben auf, von denen der eine entgegen der Wirkung einer Feder in Abhängigkeit
vom Luftdrucksignal des Drehzahlreglers die Drehzahlstellhebel und die Übertragungsgestänge
der Kraftstoffregler über Gestänge gleichsinnig verstellt, während der andere Kolben,
beidseitig vom Luftdrucksignal der Drehmomentgeber beaufschlagt, zusätzlich zu dieser
Verstellung durch den ersteren Kolben, die Drehzahlstellhebel und die übertragungsgestänge
gegensinnig verstellt.
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Da der übergeordnete Drehzahlregler ein integral wirkender Drehzahlregler
ist und der beidseitig vom Luftdrucksignal der Drehmomentübertrager beaufschlagte
Kolben als Stellglied für den Drehmomentregelkreis integral wirkt, entstehen somit
für die Regelung der Lastverteilung und für die Regelung der Drehzahl der Abtriebswelle
keine bleibenden Regelfehler.
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Die Erfindung wird an Hand einiger Ausführungsformen in den Zeichnungen
näher erläutert; in den Zeichnungen ist F i g. 1 eine Doppelanordnung von Gasturbinentriebwerken,
die auf einer gemeinsamen Abtriebswelle arbeiten einschließlich eines Kraftstoffreglers
nach der Erfindung für jedes Triebwerk in schematischer Darstellung, F i g. 2 eine
detailliertere Darstellung einzelner Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung
nach F i g. 1 und F i g. 3 eine detailliertere Darstellung des übergeordneten Drehzahlreglers
nach F i g. 1.
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Die Gasturbinentriebwerke 1 und 2 (F i g. 1) bestehen aus je einem
Verdichter 3, einer Brennkammer 4, einer Turbine 5, einem Getriebe 6 und einem aus
diesem angetriebenen Kraftstoffregler 7. Sie sind durch eine gemeinsame Abtriebswelle
8 mechanisch gekuppelt, deren Verbindung mit den Einzeltriebwerken 1 und 2 durch
Freilauf- und/oder Fliehkraftkupplungen od. dgl. in den Getrieben 6 in zweckmäßiger
Vorbestimmung hergestellt oder unterbrochen werden kann. Von der Abtriebswelle 8
ist ein integral wirkender Drehzahlregler 9 für die Bestimmung der Abtriebswellendrehzahl
angetrieben. Aus den Getrieben 6 ist schließlich noch eine Entnahme zur Ermittlung
der tatsächlichen Belastung der Einzeltriebwerke und damit der Lastverteilung zwischen
diesen mittels der Drehmomentgeber 10 vorgesehen. Wie aus F i g. 2 zu entnehmen
ist, enthält das Getriebe 6 ein gerade verzahntes Räderpaar 61 und ein schräg verzahntes
Räderpaar 62, sowie den Antrieb 63 des Kraftstoffreglers 7. Ferner sind vor die
Abtriebswelle 8 ein Freilauf 64 sowie eine Fliehkraftkupplung 65 geschaltet. Die
Umfangskraft des schräg verzahnten Räderpaars 62 erzeugt eine axiale Kraft, die
sich über die Druckplatte 101 auf dem Balg 102 des Drehmomentgebers 10 abstützt.
Luft als Hilfsenergie, die in der Leitung 24 unter Druck steht, gelangt über
die Vordrossel 103 in den Balg 102 und verschiebt die Welle 66 geringfügig. Damit
öffnet die Prallplatte 105 die Nachdrossel 104, und Luft kann entweichen, bis die
Kraft des Balgs 102 gleich der axialen Kraft der Getriebswelle 66 ist. Damit ist
der Luftdruck in der Leitung 26 dem Drehmoment, welches im Getriebe 6 übertragen
wird, proportional.
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Der Kraftstoffregler 7 (F i g.1) ist ebenfalls in F i g. 2 näher erläutert.
Er wird über die Welle 71 vom Getriebe im Verhältnis der Drehzahl der Gasturbine
angetrieben. Die Fliehgewichte 72 wirken gegen die Feder 73, die über die Drehzahlwähleinrichtung
74 vorgespannt wird. Der Unterschied zwischen Feder-und Fliehkraft bewirkt eine
Bewegung des Gestänges 75 und eine Veränderung des Ventilquerschnitts 77. Kraftstoff,
von der- Pumpe 78 gefördert, wird über das Ventil 77 zugemessen und gelangt zur
Brennkammer 4. Der Querschnitt des Ventils 77 ist so bemessen, daß bei annähernd
konstantem Verdichterdruck im Balg 76 Brennstoffmenge und Drehzahl einander proportional
sind. Dieser Proportionalbereich ist aus Stabilitätsgründen so gewählt, daß zwischen
kleinster und größter Belastung ein Drehzahlabfall (p-Bereich) von 3 bis 4%. besteht.
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Der integral wirkende Drehzahlregler 9 (F i g. 1) ist in F i g. 3
näher erläutert. Er besteht aus einem Paar Fliehgewichten 91, die von der
gemeinsamen Abtriebswelle 8 angetrieben werden und sich gegen die Feder 92 abstützen.
Druckluft als Hilfsenergie aus der Leitung 24 gelangt über die Vordrossel 93 in
den Raum 98. übersteigt die Fliehkraft der Fliehgewichte 91 die Federkraft 92, so
öffnet die Prallplatte 94 die Nachdrossel 95, und der Druck im Raum 98 beginnt zu
sinken. Da der Druck im Balg 96 wegen der Drossel 97 dem Druck im Raum 98 nur langsam
folgen kann, entsteht eine Kraft, welche die Bewegung der Prallplatte 94 zurückführt
(innerer Rückführkreis). Der Luftdruck in der Leitung 25 ist somit abhängig von
der Drehzahlabweichung und der Zeit, und zwar von dem Integral der Drehzahlabweichung
über der Zeit. Dieses Zeitverhalten ist erforderlich, um die Stabilität der Drehzahl
nicht zu gefährden und ermöglicht einen bleibenden Drehzahlfehler von annähernd
0, während die flinken Kraftstoffregeler den vorübergehenden Drehzahlfehler bei
Laständerungen wegen ihres kleinen P-Bereichs klein halten. Als Hilfsenergie wird
den Verdichtern 3 beider Triebwerke (F i g. 1) über Rückschlagventile 11, einem
Filter 12, einem Trockner 13 und einem Druckhalteventil 14 verdichtete Luft entnommen
und über die Leitung 24 den Regeleinrichtungen zugeführt. Im Stellgetriebe 15 wirkt
der Druck aus dem integral wirkenden Drehzahlregler 9 über einen gegen Federkraft
verschiebbaren Druckkolben 16 in einem feststehenden Zylinder 16' auf eine verschiebbare
Koppelstange 17, an der zwei Kopplungshebel 18 angelenkt
sind.
Die Drücke und damit die Druckdifferenz aus den beiden Drehmomentgebern 10 wirkt
von beiden Seiten auf einen Kolben 19 ein, der in einem beweglichen Zylinder 20
verschiebbar ist. Gegeneinander bewegliche Teile einer weiteren Koppelstange 21
sind einerseits mit dem Kolben 19 und andererseits mit dem Zylinder 20 verbunden
und greifen mit ihren anderen Enden an den Enden 18' der Kopplungshebel 18 gelenkig
an. Die anderen Enden 18" der Kopplungshebel 18 können auf diese Weise beim
Bewegen des Druckkolbens 16 gleichsinnig und beim Bewegen des Kolbens
19 gegensinnig geschwenkt werden, was eine entsprechende Bestätigung der
mit diesen Enden 18" in entrastbarer Mitnahmeverbindung stehenden Stellhebel 22
zur Folge hat.
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Mittels Übertragungsgestängen 23 werden die Stellbewegungen
der Stellhebel 22 zu den beiden Kraftstoffreglern 7 der Gasturbinentriebwerke 1
und 2 weitergeleitet und beeinflussen dort deren Drehzahlwähleinrichtungen.
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Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist folgendermaßen:
Der übergeordnete, integral wirkende Drehzahlregler 9 (F i g. 3) und die Drehzahlregler
der Kraftstoffregler 7 sind hintereinander geschaltet. Auf Belastungsänderungen
folgen zunächst Drehzahländerungen der gemeinsamen Abtriebswelle 8 entsprechend
dem P-Bereich der Regler 7. Der Regler 9 hat einen P-Breich von Null und regelt
den Fehler der Regler 7 durch Verstellen deren Drehzahlsollwerte aus. Wegen der
hohen Verstärkung, die der Regler 9 wegen seines P-Bereichs (=Null) aufweist, besteht
die Gefahr der Unstabilität für die Drehzahl der Welle B. Dieser wird dadurch begegnet,
daß der Regler 9 über das Zeitglied, bestehend aus Balg 96 und Drossel 97, eine
einstellbare Stellgeschwindigkeit aufweist, so daß der Ausgangsdruck in der Leitung
25 von Integral der Drehzahlabweichung der Welle 8 über der Zeit unabhängig ist.
Es ergibt sich dadurch eine sehr gute Drehzahlkonstanz auch bei schnellen Belastungsänderungen.
Die flinken Kraftstoffregler 7 begrenzen den plötzlichen Drehzahleinbruch bei Lastsprüngen,
und der Regler 9 reduziert den bleibenden Fehler der Regler 7 auf Null. Die Regelung
der Lastverteilung erfolgt mit den Luftdrucksignalen der Drehmomentgeber 10, die
auf den Kolben 19 (F i g.1) geleitet werden. Die Bewegung des Kolbens 19 im Verhältnis
zum Zylinder 20 ist abhängig vom Integral des Luftdruckunterschieds über der Zeit.
Dieses Zeitverhalten entsteht dadurch, daß die Luftmenge, die vom Drehmomentgeber
10 gesteuert werden kann, wegen der darin verwendeten Drosseln 103 und 104 relativ
gering ist und der Kolben 19 im Zylinder 20 nicht durch Federn oder andere
Rückstellkräfte belastet ist. Dieses Zeitverhalten verbessert die Stabilität der
Lastverteilung. Die Bewegung des Kolbens 19 im Zylinder 20 wird über Gestänge 23
auf die Drehzahlstellhebel 22 der Kraftstoffregler 7 übertragen, die bei einer Abweichung
der Lastverteilung im Verhältnis von 1 : 1 gegensinnig verstellt werden. Auf diese
Weise ist es möglich, den Regelkreis der Lastverteilung von dem der Drehzahl zu
entkoppeln. Hat z. B. bei einer Gesamtlast von 1000 PS das eine Triebwerk 600 PS
und das andere Triebwerk 400 PS Leistung, so wird die Leitung -die gemeinsame Belastung
soll unverändert bleiben - des einen Triebwerks von 600 PS auf 500 PS verändert
und die Leistung des anderen Triebwerks von 400 auf 500 PS verändert. Damit bleibt
während des Regelvorgangs der Lastverteilung die von beiden Triebwerken erzeugte
Leistung immer gleich der Belastung, und es entstehen keine Veränderungen der Drehzahl
an der Abtriebswelle 8, welche den übergeordneten Drehzahlregler 9 stören könnten.
Ebenso stören Regelvorgänge des Drehzahlreglers 9 die Regelung der Lastverteilung
nicht, da beide Drehzahlwählhebel 22 der Kraftstoffregler 7 gleichsinnig bewegt
werden. Mit einfachen Worten gesagt: Der Sollwert des Kraftstoffdrehzahlreglers
wird verstellt vom Signal beim einen Triebwerk in Abhängigkeit von der Beziehung:
und beim anderen Triebwerk in Abhängigkeit von der Beziehung:
Für besondere Betriebszustände und im Notfall können die Stellhebel 22 (F i g.1)
im Stellgetriebe 15 von den Enden 18" der Kopplungshebel 18 entrastet und somit
die beiden Gasturbinentriebwerke von Hand einzeln gesteuert werden. Das Stellgetriebe
15
läßt jedoch auch eine selbsttätige Regelung jedes einzelnen Gasturbinentriebwerks
zu, ohne daß vorher die Stellhebel 22 entrastet werden müssen, beispielsweise bei
Ausfall eines Triebwerks. Dabei bewegt sich lediglich der Kolben 19 im Zylinder
20 in eine seiner beiden Endstellungen und verbleibt in dieser Lage. Der Kolben
16 bewegt dabei ohne sonstige Veränderungen die Stellhebel 22, so daß die Signale
des Drehzahlreglers 9 ungehindert für die Regelung eines einzelnen Triebwerks zur
Verfügung stehen. Der Stellhebel 22, die Übertragungsgestänge 23 und die Wähleinrichtung
im p-wirkenden Kraftstoffregler des stillgelegten Triebwerks werden dabei leer mitbewegt.