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Ausgleichsvorrichtung für mehrere parallel arbeitende Gasturbinenanlagen
Die Erfindung betrifft eine Ausgleichsvorrichtung für mehrere parallel arbeitende
Gasturbinenanlagen mit freier Arbeitsturbine und mit jeweils selbständiger, ein
Regelventil enthaltender Brennstoffregelanlage, das durch einen von der Drehzahl
und vom Verdichtungsdruck der Turbinenanlage abhängigen Steuerdruck eingestellt
wird.
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Gasturbinenanlagen mit derartiger Regelung sind z. B. durch die USA.-Patentschrift
3 040 529 bekannt. Sind beim Betrieb mehrerer solcher Gasturbinenanlagen die Abtriebswellen
der Arbeitsturbinen nicht mechanisch miteinander verbunden, so kann die Lastverteilung
der einzelnen Anlagen bekanntlich durch ihre Drehzahlregler vorgenommen werden.
Arbeiten jedoch die Turbinenanlagen mit gleicher Drehzahl oder mit festem gegenseitigem
Drehzahlverhältnis auf eine gemeinsame Last, so kann die gleichmäßige Lastverteilung
auf die einzelnen Anlagen nicht mehr durch Änderungen der Drehzahl erfolgen.
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Die Erfindung bezweckt daher, eine Ausgleichsvorrichtung der eingangs
geschilderten Art so auszubilden, daß sie eine gleichmäßige Lastverteilung in einfacher
und zweckmäßiger Weise durchführen kann.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede Turbinenanlage
eine eigene Ausgleichseinrichtung mit einem auf Druck ansprechenden Teil aufweist,
der den Steuerdruck zusätzlich beeinfiußt und der auf der einen Seite vom Verdichtungsdruck
der eigenen Turbinenanlage und auf der anderen Seite vom höchsten Verdichtungsdruck
aller parallel arbeitenden Turbinenanlagen beaufschlagt wird. Dadurch wird die Lastverteilung
in vorteilhafter Weise durch Beeinflussung des Steuerdrucks von einer einzigen Kenngröße,
nämlich vom Verdichtungsdruck vorgenommen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend an Hand der
Zeichnung näher erläutert.
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F i g. 1 ist ein Schema zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Ausgleichseinrichtung
bei vier Gasturbinenanlagen; F i g. 2 ist ein Schaubild der Reglerkennlinien der
einzelnen Gasturbinenanlagen gemäß F i g. 1.
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Jede der in F i g. 1. gezeigten Gasturbinenanlagen 10
a, 10 b, 10 c und 10 d besteht aus einem
Gaserzeugerteil, der einen Verdichter 12 a, eine Brennkammer 14 a und eine den Verdichter
antreibende Turbine 16 a aufweist. Luft wird durch die Einlaßleitung 18 angesaugt,
im Verdichter 12 a verdichtet und mit einer von der Düse 20 a gelieferten
Brennstoffmischung in der Brennkammer 14 a verbrannt. Die Gase treiben die Turbine
16 a sowie die Arbeitsturbine 22 a an, die mit der Abtriebswelle 24 a verbunden
ist. Die Abgase werden durch den Auslaßverteiler 26 abgeführt. Entsprechende Teile
der Maschinen 10 b, 10 c und 10 d sind mit gleichen
Bezugsziffern, jedoch verschiedenen Buchstaben bezeichnet.
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Sind die Lasten 28 a, 28 b, 28 c, 28 d durch die Einrichtung
30 miteinander verbunden, so sind die Drehzahlen der Abtriebswellen 24 a,
24 b, 24 c, 24 d gleich oder haben ein festes Verhältnis zueinander. Die Lasten
können z. B. Generatoren sein, die entweder getriebemäßig oder elektrisch miteinander
verbunden sind. Weiterhin ist es z. B. bei Hubschraubern üblich, daß zwecks zusätzlicher
Sicherheit zwei Triebwerke auf ein gemeinsames Getriebe arbeiten, wobei die Abtriebswellen
mechanisch miteinander verbunden sind und mit derselben Drehzahl umlaufen.
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Jede Gasturbinenanlage hat eine Brennstoffregelanlage 32 a, 32 b,
32 c, 32 d, die gleich ausgebildet sind und wie folgt arbeiten: Von der Hochdruckpumpe
36 a wird Brennstoff aus der Leitung 34 unter Druck in eine Leitung 38 a
gefördert, in der ein Brennstoffregelventil 40 a mit einem axial beweglichen,
kalibrierten Ventilkörper 42 a angeordnet ist.
Ein Bypassventil
44 a dient in bekannter Weise zur Aufrechterhaltung einer konstanten Druckdifferenz
am Regelventil 40a.
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Durch das Aufrechterhalten der konstanten Druckdifferenz hängt die
Menge des durch die Leitung 38 a an die Düse 20 a abgegebenen Brennstoffs allein
von der Stellung des Ventilkörpers 42 a ab. Die Stellung des Ventilkörpers
42 a wird durch einen Steuerdruck eingestellt, der in der Brennstoffregelanlage
32 a erzeugt wird, z. B. in pneumatischer Weise, wie es in der USA.-Patentschrift
3 040 529 beschrieben ist. So weist die Regelanlage ein Gehäuse 60 a mit einem kleinen
evakuierten Balg 62 a und einem größeren offenen Balg 64 a auf, der an seinem
Umfang an den Seitenwänden des Gehäuses befestigt ist. So wird das Gehäuse in eine
erste Kammer 66 a und eine zweite, den Balg 62 a enthaltende Kammer 68 a
unterteilt. Die beweglichen Enden der Bälge 62 a und 64 a sind durch eine Stange
70 a miteinander verbunden, die so durch die Summe der auf die Bälge wirkenden
Kräfte axial bewegbar ist. Die Stange 70 a ist über ein Gestänge
72 a mit dem Ventilkörper 42 a verbunden.
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Der Verdichtungsdruck der Anlage 10 a herrscht über eine Leitung
74 a in der Kammer 68 a und wirkt auf die Außenfläche des Balgs 62 a und die Innenfläche
des Balgs 64 a. Der Verdichtungsdruck beaufschlagt auch die Kammer 66 a über die
Leitung 84 a, die Ventilöffnung 82 a, die Kammer 80 a, die Leitung 78 a und die
Leitung 76 a. Die Leitung 76 a reicht über ihre Verbindung mit der Leitung 78 a
hinaus und endet mit zwei von Drehzahlreglern betätigten Ablaßventilen
86 a und 88 a, die in die Atmosphäre abblasen können. Das Ablaßventil
86 a wird durch einen Drehzahlgrenzregler 90 a betätigt, der über
eine Verbindung 92 a mit einer Drehzahl angetrieben wird, die der der Turbine 16
a und des Verdichters 12 a proportional ist. Der Drehzahlregler 90 a arbeitet gegen
die Kraft einer Feder 94 a und öffnet das Ablaßventil 86 a, wenn die Drehzahl des
Gaserzeugerteils einen bestimmten maximalen Sicherheitswert übersteigt. Das Ablaßventil
88a wird durch einen Drehzahlregler 96 a betätigt, der über eine Verbindung 98 a
von der Arbeitsturbine 22 a angetrieben wird und gegen eine Feder 100 a wirkt,
die mittels eines Hebels 102 a zur Einstellung der Solldrehzahl vorspannbar
ist. Der Drehzahlregler 96 a öffnet das Ablaßventil 88 a bei einer Turbinendrehzahl,
die durch die Kraft der Feder 100 a bestimmt wird.
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Die bekannte Arbeitsweise der Regelanlage ist derart, daß während
der Beschleunigung die Turbine 16 a unterhalb ihrer Grenzdrehzahl und die Arbeitsturbine
22 a unterhalb der Solldrehzahl läuft, so daß beide Ablaßventile 86 a und
88 a geschlossen sind. Unter dieser Bedingung strömt keine Luft durch die
Öffnung 82 a, so daß sich kein Druckgefälle an ihr ausbildet und der Druck in der
Kammer 66 a gleich dem in der Kammer 68 a und der Balg 64 a druckfrei, d. h. keinem
Druckunterschied ausgesetzt ist. Der auf den Balg 62a einwirkende Verdichtungsdruck
bewirkt bei Beschleunigung und wachsendem Verdichtungsdruck das allmähliche Öffnen
des Regelventils 42 a. Wenn sich die Arbeitsturbine 22 a ihrer Solldrehzahl
nähert, öffnet der Drehzahlregler 96 a das Ablaßventil 88 a, so daß Luft durch die
Ventilöffnung 82 a strömt und einen Druckabfall verursacht, wodurch der Druck in
der Kammer 66 a unter den in der Kammer 68 a absinkt. Da der Balg 64 a im Vergleich
zum Balg 62 a groß und das Ablaßventil 88 a sehr empfindlich ist und einen großen
Druckabfall an der Ventilöffnung 82 a verursacht, wird der Balg 64 a vorherrschend
und übersteuert den Balg 62 a, so daß das Regelventil 42 a in Schließrichtung bewegt
wird. Es ist ersichtlich, daß eine Drehzahlzunahme der Arbeitsturbine 22 a eine
Brennstoffabnahme zur Folge hat, um die umgekehrte, für eine dynamische Regelung
erforderliche Brennstoffmenge-Drehzahl-Beziehung zu schaffen. Zum Zweck einer Verzögerung
wird der Hebel 102 a zurückgenommen und daher die Feder 102 a entspannt.
Die Anlage läuft kurzzeitig mit einer Drehzahl über dem Sollwert, wobei das Ablaßventil
88 a weit geöffnet ist. Dadurch wirkt eine verhältnismäßig konstante Druckdifferenz
am Balg 64 a, die von der Kraft auf den Balg 62 a abzuziehen ist, wodurch die Länge
des Balgs 62 a verringert wird. Daher ist die Verzögerung der Beschleunigung umgekehrt
mit Ausnahme des weitaus niedrigeren Brennstoffverbrauchs infolge der verminderten
Wirksamkeit des Balgs 62 a.
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Um den Drehzahlregler unabhängig vom Hebel 102 a einstellen
zu können, ist ein Ventil 104 a angeordnet, das den Querschnitt der Ventilöffnung
82 a verändert. Das Ventil 104 a wird axial durch die Membran 106 a betätigt
und ist am Umfang am Gehäuse 80 a befestigt. Die Membran 106 a wird
durch eine Feder 110 a gegen einen Anschlag 108 a gedrückt.
In dieser Stellung begrenzt das Ventil 104 a einen minimalen wirksamen Querschnitt
der Ventilöffnung 82 a. Der Anschlag 112 a begrenzt die maximale Ventilöffnung.
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Die Änderung des Querschnitts der Ventilöffnung 82 a durch das Ventil
104 a ändert den Verstärkungsfaktor oder die Empfindlichkeit der Reglerkennlinien.
Während der Regelung strömt die Luft nacheinander durch die Ventile 104 a und 88
a, so daß die Verstellung des ersteren letzteres beeinflußt. Je kleiner die Ventilöffnung
82 a ist, desto weniger muß sich die Stellung des Ablaßventils 88 a für eine bestimmte
Druckänderung in der Leitung 76 a und der Kammer 66 a ändern; denn wenn die Ventilöffnung
82 a vergrößert wird, muß das Ablaßventil 88 a größere Luftmengen abblasen und daher
in stärkerem Maß verstellt werden, um eine bestimmte Druckänderung zu bewirken,
wodurch sich eine geringere Empfindlichkeit oder ein kleinerer Verstärkungsfaktor
einstellt. In F i g. 2 stellen die Geraden A, B, C, D die Reglerkennlinien
für das Verhältnis Brennstoffmenge Wf zu
Drehzahl N für die Maschinen
10 a, 10 b, 10 c und 10 d dar. Je steiler die Gerade,
desto größer der Verstärkungsfaktor. Je flacher die Neigung, desto höher die Reglerempfindlichkeit.
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Die Einstellung des Verstärkungsfaktors wird durch die Membran
106 a der Ausgleichseinrichtung 79 a vorgenommen, deren untere Fläche dem
Verdichtungsdruck der Anlage 10 a und der Kraft der verhältnismäßig schwachen Feder
110 a ausgesetzt ist. An der oberen Fläche der Membran 106 a wirkt
über die Leitung 113 der höchste in allen Anlagen erzeugte Verdichtungsdruck. Ein
Umschaltventil 114 ist über die Leitungen 116 und 118 an die Leitungen
74 a und 74 b angeschlossen und enthält eine Ventilplatte 120, die
lose zwischen den auf engem Abstand gehaltenen Enden der Leitungen 116 und 118 angeordnet
ist. Wenn der Druck in der Leitung 116 den in Leitung 118 übertrifft, bewegt sich
die Ventilplatte 120 nach rechts, verschließt die Leitung 118, und der Verdichtungsdruck
der Anlage 10 a gelangt in die
Leitung 122. Sollte
der Druck der Anlage 10 b größer sein, bewegt sich die Ventilplatte 120 nach
links und verschließt die Leitung 116, wodurch der Verdichtungsdruck der Anlage
10 b in die Leitung 122 gelangt. Das Umschaltventil 114 überträgt also den
jeweils größeren Verdichtungsdruck der Anlagen 10 a und 10 b in die Leitung
122. Entsprechende Umschaltventile 124 und 128 sind an die
Anlagen 10 a und 10 d bzw. an die Leitungen 122 und 126 angeschlossen, so
daß der höchste Druck in der Leitung 113 und damit an der Membran
106 a der Ausgleichseinrichtung 79 a wirkt.
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Die übertrieben dargestellten Unterschiede zwischen den Reglerkurven
in F i g. 2 beruhen auf Herstellungsungenauigkeiten der Anlagen und Regler. Wenn
alle Anlagen eine gemeinsame Last mit gleichen Drehzahlen NI antreiben, dann gibt
der Schnittpunkt einer von N, gezogenen Senkrechten mit den Reglerkurven die Brennstoffabgabe
und die ungefähre Last an, die jede Anlage ohne Lastausgleich abgibt. Somit besteht
eine schlechte Lastverteilung zwischen den Anlagen 10 6 und 10 d,
die zu stark belastet sind, während die Anlagen 10 a und 10 c zu gering
belastet sind.
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Da sich der Verdichtungsdruck proportional zur Nutzlast ändert, hat
die Anlage 10 b den größten Druck, gefolgt von der Anlage 10
d,10 a und schließlich 10 c. Somit liegt an der Membran
106 a die Druckdifferenz zwischen dem von der Anlage 10 a herrührenden
Druck und dem höchsten Druck aller Anlagen, in dem gezeigten Fall dem Druck der
Anlage 10 b. Die Membran 106 a wird gegen die Kraft
der Feder 110 a nach unten gedrückt, wodurch die Ventilöffnung
82 a vergrößert und der Verstärkungsfaktor verkleinert wird, wie in F i g.
2 durch die Kurve A' dargestellt ist. Jede Reglerkurve wird dementsprechend verstellt,
mit Ausnahme der Anlage 10 b, die beiderseits ihrer Membran den gleichen
Druck hat. Die Drehzahl wird deshalb auf einen neuen Wert N., korrigiert, bei dem
sich alle Reglerkurven an einem Punkt X schneiden und alle Anlagen einen etwa gleichen
Anteil der Gesamtlast aufnehmen. Wenn die Anlage nach der Korrektur mit der Drehzahl
Ni laufen soll, kann der Hebel 102 a etwas zurückgenommen werden.
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Insbesondere bei einer pneumatischen Brennstoffregelung der hier beschriebenen
Art ist kein besonderer Leistungsmesser erforderlich, wenn der Verdichtungsdruck
als Kenngröße dient. Es können aber auch andere Kenngrößen Verwendung finden, z.
B. das Drehmoment für Anlagen mit gleicher Drehzahl der Abtriebswelle oder das Temperaturgefälle
an der Arbeitsturbine 22 a, das sich entsprechend dem Temperaturgefälle der
Turbine 16 a, allerdings mit geringerer Genauigkeit, proportional zur Leistung ändert.