DE1912383A1

DE1912383A1 - Steuerungssystem fuer Gasturbinen

Info

Publication number: DE1912383A1
Application number: DE19691912383
Authority: DE
Inventors: Daniel Johnson; Arne Loft
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-03-14
Filing date: 1969-03-12
Publication date: 1969-10-09
Also published as: GB1254595A; SE345300B; FR2003922A1; DE1912383C2; NL172773C; US3520133A; NL172773B; NL6903896A; CH489705A

Description

Für industrielle Gasturbinen mit ein und zwei Wellen sind schon seit Jahren komplizierte Steuerungen entwickelt worden. Solche Steuerungen besitzen normalerweise Vorrichtungen, um den Brennstoffzufluß zur Verbrennungskammer der Gasturbine entsprechend der verschiedenen Betriebsparameter, wie Temperatur, Kompressordruck, Geschwindigkeit, Belastung und Zeit, die von diesen Größen abgeleitet wird, zu beeinflussen. Auf dem Gebiet der Anlaufsteuerung von Flugzeuggasturbinen besteht in Übereinstimmung mit einem Mindestzeitprogramm mit begrenzenden Eigenschaften, um die Stoßwellenerscheinung zu verhindern, eine umfangreiche Literatur. Auch auf dem Gebiet der industriellen Gasturbinen gibt es verschiedene Vorschläge zur Steuerung solcher Gasturbinen entsprechend ihrer Belastung, ohne daß vorgeschriebene Ubertemperaturgrenzen überschritten werden, was geschehen würde, wenn die Gasturbine über ihre volle Nennleistung unter verschiedenen Nebenbedingungen belastet werden würde.

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Das Aufkommen von entfernt angeordneten und an sich unbeaufsichtigten industriellen Kraftwerken mit Gasturbinen, beson- ' de rs für elektrische Spitzenlasten, hat die Notwendigkeit zur automatischen Anlaufsteuerung in Mindestzeiten aufgezeigt. Auch aus Sicherheitsgründen ist es wünschenswert, soviel Schutzsteuerungen oder Rückmeldungen vorzusehen, wie wirtschaftlich tragbar ist, ohne daß die Betriebszuverlässigkeit verschlechtert wird.

Industriegasturbinen haben eine viel größere Betriebslebens- ψ dauer als Flugzeuggasturbinen. Daher sind Anlaufsteuerungen wünschenswert, die, während die Turbine so schnell wie möglich anläuft, anstelle eines Kaltstartes einen Anlauf mit einer heißen Maschine erlauben und die den thermischen Schock geringhalten, der sich durch zeitweise Temperaturänderung ergibt. Demzufolge besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine verbesserte Gasturbinensteuerung vorzusehen, die Anlauf- und Betriebsfunktionen in einem automatischen Steuersystem, das Festkörperbauelemente besitzt, mit umfaßt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Steuersystem für Gasturbinen .vorzusehen, das den Brennstoff in Übereinstimmung mit einem Verlauffolgeprogramm zusammen"-mit. einer geschlossenen Zyklussteuerung durch eine oder mehr Betriebsbedingungen steuert, wobei die nicht-gesteuerten Betriebsbedingungen zum Schutz gegen Auswirkungen hoher Temperaturbeanspruchung oder Lastverluste verwendet werden.

Kurz ausgeführt bestoht die Erfindung darin, daß einer elek- --, :3 irischen Torsteuerung mehrere elektrische Brennstoffsteuer- : T/ signale über einen gesamten Betriebsbereich der Gasturbine . <s zugeführt werden, wobei jedes der Signale die Steuerung über einen verschiedenen Betriebsbereich bewirkt. Die Torsteuerung läßt nur das Signal mit dem niedrigsten Wert zur Brennstoffsteuerung zu. Ein Brennstoffsteuersignal wird so zugeordnet; daß es einem vorbestimmten Programm in Übereinstimmung mit dem:

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bestimmten Ereignis folgt. Die verbleibenden Signale werden durch Vergleich der Betriebsbedingungen mit den ausgewählten eingestellten Punkten bestimmt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen, aus'der noch weitere Aufgaben und Vorteile ersichtlich sind,, erläutert. Hierbei zeigen:

Figur 1 ein vereinfachtes Funktionsschema des Steuersystems bezogen auf eine Einwellengasturbine;

Figur 2 eine graphische Darstellung einer vorteilhaften Anlauf- und Betriebskurve, aus der typische Geschwindigkeitsund Brennstoff steuersignalkurven zu entnehmen sind;. und

Figur 3 eine vereinfachte Ausführungsforn einer Gleichstroaanalogsteuerung, die die Aufgaben, welche der Erfindung zugrundeliegen, erfüllt.

Aus Figur 1 ist eine vereinfachte Darstellung einer Einwellengasturbine zu entnehmen, die allgemein mit 1 bezeichnet ist, und die einen Kompressor 2, eine Verbrennungskammer 3 und Turbine 4, die mit einer anzutreibenden Last 5 verbunden ist, umfaßt. Die Luft, die in den Kompressoreinlaß bei 6 eintritt, fördert die Verbrennung des Brennstoffes, der durch die Düse 7 eingespritzt wird. Die aufgeheizten Abgase entweichen aus dem Turbinenauslaß 8, der sich hinter verteilten Temperaturfühlern befindet, die die Abgastemperatur messen und mit 9 bezeichnet sind., Eine über eine Welle angetriebene veränderliche Brennstoff·* versorgungspumpe 10 liefert den Brennstoff zur Düse 7 in einer solchen Menge, die sowohl von der Rotationsgeschwindigkeit der Welle der Gasturbine 1, als auch vom Takt der Pumpe abhängt, der durch eine Brennstoffservosteuerung 11 festgelegt wird« Die Einzelheiten der Servosteuerung 11 für den Brennstoff sind für die vorliegende Erfindung nicht erheblich, da irgendeine Servosteuerung verwendet werden kann, die die taktgebende Steuerung für die Pumpe festlegt und zwar bei einer Stellung, die einem

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elektrischen Positionssignal entspricht; es gibt viele derartige Steuerungen auf dem Markt, die sich für diese Zwecke eignen. Im Hinblick darauf, daß die Gasturbine gasförmigen Brennstoff verwenden kann, bei der durch die Stellung eines Gasventiles der Brennstoffstrom zur Verbrennungskammer gesteuert wird, -wird der Ausdruck "Brennstoffsteuerungssignal", unabhängig von der Art des verwendeten Brennstoffes, benutzt.

Das Brennstofisteuerungssxgnal ist ein einwertiges elektrisches Signal, das der Brennstoffsteuerung 11 über ein Tor 12 für untere Werte zugeführt wird und das von einem der zahlreichen Eingangssignale stammt, die dem Tor zugeführt werden, wobei jedes vor einer bestimmten Phase des Gasturbinenbetriebes bevorzugt wird. Von der Temperatursteuerung 14, die auf die Abgastemperaturfühler 9 anspricht, wird eine Temperatursteuersignalfunktion, ähnlich der der Kurve 13, erhalten. Von der Geschwindigkeits- und Laststeuerung 15 wird eine Geschwindigkeits— und : Laststeuerungssignalfunktion, ähnlich der der Kurve 16, gewonnen. Die Geschwindigkeitsmessung wird durch einen Induktorgenerator 17, der sich auf der Welle befindet, erreicht, der ein elektrisches Signal erzeugt, das eine Frequenz besitzt, die der Turbinengeschwindigkeit direkt proportional ist. ■ ,

Eine Beschleunigungssteuerung 18 erzeugt ein Beschleunigungssignal, das einer Funktion, ähnlich der der Kurve 19 entspricht,, die dazu bestimmt ist, die Turbinenbeschleunigung während des Anlaufes oder während der Lastverluste zu begrenzen. Eine Anlauf Steuerung 20 erzeugt ein programmiertes Brennstoffsteuerungssignal, wie durch Kurve 21 angedeutet ist. Das Programm, wird durch Ereignisse festgelegt, die durch verschiedene Organe gemessen werden. Die dargestellte Anordnung verwendet verschiedene Geschwindigkeiten als Eingangssignale, die durch den Geschwindigkeitsmesser 17 eingeführt werden, ebenso wird die Anwesenheit der Flamme in der Verbrennungskammer, die durch den Flammenfühler 22 angezeigt wird, ausgenutzt.

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Es ist ersichtlich, daß die Abszisse der graphischen Darstellungen 13, 16, 19 und 21 zwei verschiedene Phasen des Gasturbinenbetriebes umfassen, welche zwei verschiedene Skalen besitzt, z.B. die Geschwindigkeit η von null bis 100 % der Nenngeschwindigkeit und die Last L von null bis zur 100%-igen Standardnennlast. Die Ordinate V gibt das Brennstoffsteuerungssignal in Prozenten vom Takt der Brennstoffsteuerungspumpe 10, bezogen auf die Charakteristik der Brennstoffsteuerung 11 an, Der Ausgang des Tores 12 besteht aus einer einwertigen Funktion, die durch die durchgezogene Linie in der graphischen Darstellung 23 wiedergegeben ist, während die überflüssigen oder die nicht-steuernden Signale in gestrichelten Linien wiedergegeben sind. Es ist augenscheinlich, daß die durchgezogene Kurve die geringste Brennstoffdurchflußrate während irgendeiner vorgegebenen Phase des Betriebes wiedergibt.

Das auf niedere Werte ansprechende Tor arbeitet derart, daß nur eines der vier Steuerkanäle, die mit I, II, III und IV bezeichnet sind, tatsächlich den Brennstofffluß zu irgendeiner Zeit bestimmt. Dies kann am besten aus der Figur 2 entnommen werden, aus der die Ereignisse und der Steuermodus eines typischen Anlaufs und der Belastung einer Gasturbine entnommen werden kann.

Die Abszisse stellt eine Zeitskala dar und zwar mit dem Kanal, der die Steuerung ausübt und der jeweils die Bezeichnung I, II, III und IV in Übereinstimmung mit den Steuereinheiten in Figur 1 erhält. Die Ordinate gibt die Nenngeschwindigkeit in Prozenten an (durchgezogene Kurve n) und in Prozenten des vollen Brennstoffsteuersignales (Punktstrichkurve V). Die verschiedenen Ereignisse sind mit den Buchstaben A bis I gekennzeichnet.

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Punkt Ereignis

nachfolgende Handlung

Turbine steht still

Turbinenwelle beim Brennstoff null,
Anlaufsteuerung Modus IV

B Turbine bei Anfeuerungsgeschwindigkeit

Brennstoffzuführung und Zündung

Flamme wird angezeigt

Reduzierung des Brennstoffflusses.

Beginn der Beschleunigung durch eigene Leistung nach dem Anfahrprogramm.

Temperatur begrenzt

Verschiebung/zum Temperaturs te uermodus I.

Beschleunigung begrenzt

Verschiebung zum Besehleunigungssteuermodus III.

Auf Nenngeschwindigkeit

Verschiebung zum Geschwindigkeits/Laststeuerungsmodus II.

Belastung eingeschaltet

Kopplung der Last an die Turbine.

Temperatur begrenzt

Verschiebung zum Temperatursteuermodus I

In Figur 3 ist in sehr vereinfachter Form ein Gleichstromanalogsteuergerät schematisch wiedergegeben, daß die in den Figuren 1 und 2 erläuterten Funktionen ausübt, wobei selbstverständlich gewisse notwendige Funktionen, die für die Beschreibung der vorliegenden Erfindung unwichtig sind, zur Vereinfachung fostgelassen wurden, um die Erfindung klar darstellen zu können. In Figur 3 sind gewisse Vereinfachungen eingeführt worden. Ss wurden einstellbare Spannungsbezugsquellen als variable Abgriffpotentiometer eingeführt, die zwischen einer Spannungsquelle

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und Erde liegen. In der Praxis können auch geeignete Kombinationen digitaler Schaltanordnungen verwendet werden, die die Verbindung zu verschiedenen Spannungspegeln herstellen. Auch die Schaltanordnungen nach Figur 3 sind als "Auf- und Zugschalter mit Armaturen beschrieben, während sie in Wirlichkeit aus Festkörperschaltelementen bestehen können, die durch ein logisches System gesteuert werden, wobei die Einzelheiten für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich sind. Wenn daher gesagt wird, daß dieses und jenes Relais geöffnet oder geschlossen wird,um z.B. für die Turbine eine vorgegebene Geschwindigkeit vorzusehen, so ist ersichtlich, daß geeignete Festkörperschalter auch für die Unterbrechung eines Stromflusses bei einer Spannung, die der vorgewählten Geschwindigkeit proportional ist, verwendet werden können.

In Figur 3 ist nun eine Temperatursteuerung 14, eine Geschwindigkeits- und Laststeuerung 15, eine Beschleunigungssteuerung 18 und eine Anlaufsteuerung 20 an eine Leitung 12 gemeinsam angeschlossen, die als eine Sammelschiene für das Tor dient, das auf niedere Werte anspricht, um der Brennstoffsteuerung 11 eine einwertige Funktion V zuführen zu können. Die Brennstoffsteuerung 11 ist als ein einfacher Verstärker 24 dargestellt, dessen Ausgang zur Steuerung eines hydraulischen Servoventils 25 mit diesem verbunden ist, das ein Strömungsmittel einem Kolben 26 zuführt. ·

Der Kolben 26 bestimmt den Takt der veränderlichen Versorgungspumpe 10, was symbolisch durch eine Verbindung zum Griff 27 dargestellt ist. Auch die tatsächliche Lage des Kolbens 26 wird durch einen linear veränderlichen Differentialtransformator 28(LVDTO ermittelt, dessen Signal bei 29 demoduliert wird, um ein Rückkopplungssignal zu erhalten, das der Läge des Kolbens proportional ist. Daher bewirkt die Brennstoffsteuerung 11, die in einer einfachen Form dargestellt ist, daß die Brennstoffpumpe 10 Brennstoff in einer solchen Menge liefert, die der Gleichspannung V an der gemeinsamen Leitung 12 entspricht, (bei einer angenommenen konstanten Pumpgeschwindigkeit)«

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Bei einer mit einem Gas betriebenen Turbine würde anstelle der Pumpe 10 ein Gasventil eingesetzt werden.

Die vier Steueranordnungen 14, 15, 18 und 20 sind mit der gemeinsamen Leitung 12 elektrisch verbunden, so daß diese als ein Tor für untere Werte arbeitet, d.h. so, daß das Brennstoffsteuersignal nicht höher sein kann, als das niedrigste zugeführte Steuersignal.

Im einzelnen umfaßt die Temperatursteuerung 14 einen Rechenverfc stärker 30, der mit der Leitung 12 über eine Diode 31 verbunden ist und der eine Rückkopplungsschaltung 32 aufweist. Die Geschwindigkeits- und Laststeuerung 15 umfaßt einen Rechenver- „ stärker 33, der mit der Leitung 12 über eine Diode 34 verbunden ist, wobei der Verstärker ebenfalls eine Rückkopplungsschaltung 35 besitzt» .

Die Beschleunigungssteuerung 18 umfaßt einen Rechenverstärker 58, der mit der Leitung 12 über eine Diode 58 a mit der Rückkopplung 58 b verbunden ist. Die Anlaufsteuerung 20 besitzt einen Rechenverstärker 36, eine Diode 37 und eine Rückkopplungsschaltung 38. ,

ι Die Verstärker 30, 33, 58 und 36 sind zusammen mit den Dioden 31, 34 und 37 so gepolt, wie bezüglich der gemeinsamen Sammelleitung 12 dargestellt ist, und arbeiten in der folgenden Weise, Derjenige der Verstärker 30, 33, 58 und 36, der die negativste Fehlerspannung besitzt, die an. seinem Eingang anliegt, d*h. derjenige,. Eingang, der die positivste Spannung aiyfee.inem Ausgang besitzt, übt die Steuerfunktion aus, d.h. er liefert der Leitung.12 die Ausgangsspannung und bestimmt daher die Brennstoffflußrate der Brennstoffsteuerung 11.

Die Temperatursteuerung 14 besitzt eine Anordnung 39 zur Mittelung der Abgastemperaturen, die durch die Fühler 9 (Figur 1) . bemessen werden, so daß ein einziges Abgastemperatursignal zum Verstärker 40 geleitet wird.

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Im Funktionsgenerator 41 wird eine Funktion der Abgastemperatur 40 gewonnen und als ein variabler Festpunkt dem Eingang des Verstärkers 30 über die Impedanz 42 zugeführt. Die Funktion, die durch die Anordnung 41 erzeugt wird, stellt einen Temperaturanstieg dar, der bei einer unterdrückten festgesetzten Abgastemperatur beginnt, und zu einem festgesetzten Endwert ansteigt (siehe Kurve 13 in Figur 1). Der Haupt- oder der stationäre Rückkoppelungspfad führt über den Widerstand 46, während die Durchgangsverstärkung durch eine Rückkopplungsschaltung beeinflußt wird, die aus dem Widerstand 44 und dem Kondensator 45 besteht. Der Festpunkt für den Verstärker 30 wird durch einen Knopf 43, mit dem ein einstellbarer Spannungsteiler gesteuert wird, festgelegt.

In der Geschwindigkeits- und Laststeuerung 15 besitzt ein Signal eine Frequenz, die der Turbinengeschwindigkeit proportional ist, das durch einen Induktorgenerator 17 gegeben wird und das einem Transduktor 48 zugeführt wird, das das Signal in einen Strom umwandelt, der der Frequenz proportional ist. Dieser Strom wird bei 49 verstärkt und einer Eingangsimpedanz 50, die mit dem Eingang des Rechenverstärkers 33 verbunden ist, als ein Signal zugeführt, das die tatsächliche Geschwindigkeit wiedergibt. In ähnlicher Weise wird eine Spannung, die der gewünschten Geschwindigkeit entspricht, durch einen äußeren Knopf 51 ausgewählt und einem zweiten Eingangswiderstand 52 zugeführt. Die Verstärkung des Rückkoppelungspfades 35 wird, wie mit 53 angezeigt, eingestellt, um die Senkung festzuhalten, d.h. die Tendenz der Turbinengeschwirtdigkeit mit ansteigender Belastung abzufallen. Die Ansprechcharakteristiken können geändert werden, um eine isochrone Steuerung durch das Relais 47 zu bewirken, die die Charakteristik der Rückkoppelungsschaltung ändert. Zweck der Geschwindigkeitsabsenkung ist es, wie allgemein bekannt, eine Stabilität zu erreichen und die Fähigkeit der Turbine, sich der Last anzupassen, wenn sie mit anderen primären Antriebsmitteln verbunden wird.

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Um sicher zu gehen, daß ein minimaler Brennstofffluß immer zu den Verbrennungskammern fließt, um eine Feuerung aufrechtzuerhalten, wird eine Beipaßschaltung für Mindestsignale mit der Geschwindigkeits- und Laststeuerung 15 verbunden. Dies ist

schematisch durch die Diode 54 dargestellt, die mit einem Spannungsteiler 55 verbunden ist, der an einer negativen Quelle liegt. Wenn die Spannung an der Leitung 12 auf einen Wert sinkt, der durch das Potentiometer 55 eingestellt werden kann, verschwindet die Sperrwirkung der Diode 54 und ein Strom | fließt von dem Summenanschluß des Verstärkers 33, um die Spannung an der Leitung 12 auf einen Mindestwert zu halten.

Bezüglich der Beschleunigungssteuerung 18 wird das Geschwindigkeitssignal am Ausgang des Verstärkers 49 über die Zeit differenziert, um ein Beschleunigungssignal zu erhalten. Dies kann mit Hilfe eines Kondensators 56 geschehen, der mit dem einen Anschluß an den Verstärkern 49 und mit dem anderen Anschluß an einen Widerstand 57 angeschlossen ist. Die Spannung zwischen 56 und 57 stellt die tatsächliche Beschleunigung der Turbine , dar, die als ein Eingang dem Verstärker 58 zugeführt wird. Eine einstellbare Spannung, die der gewünschten Beschleunigung entspricht, und durch den äußeren Knopf 59 eingestellt werden kann, wird dem anderen Eingang des Verstärkers 58 zugeführt. Der Ausgang des Verstärkers 58 ist über die Diode 58 a mit der gemeinsamen Leitung 12 verbunden.

In der Anlaufsteuerung 20 ist der Eingang zum Rechenverstärker 36 eine Spannungsquelle hohen Widerstandes mit einer programmierten Verlaufsfolge. Diese Spannungsquelle ist allgemein mit 61 bezeichnet und ist mit dem Verstärker über den Eingangswiderstand 62 verbunden. Die programmierte Quelle 61 ist schematisch durch Relais dargestellt, die so angeordnet sind, daß sie die verschiedenen Pegel der negativen Gleichspannungspolaritäten aus einem Spannungsteiler 63 mit regelbaren Abgriffen ^;£ 72', 73', 74'der gemeinsamen Leitung 64 über die Dioden 65 zuführt. Tatsächlich werden vorzugsweise Festkörperschaltanörd-

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nungen verwendet. Die Beschreibung der Zeichnung dient nur zur Illustration der Erfindung. Ein erstes Beiais 66 wird bei einer Anfeuerungsgeschwindxgkeit betätigt (bei einer Geschwindigkeit von etwa 20 % der Nenngeschwindigkeit entsprechend dem Punkte B in Figur 2). Ein zweites Relais 67 dient dazu, beim Anzeigen einer Flamme in der Verbrennungskammer durch einen Flammendetektor 22 zu öffnen. Ein drittes Relais 68 ist zeitlich so eingestellt j daß es.bei einer bestimmten Zeit öffnet, beispielsweise bei einer Minute nach der Flammenanzeige. Ein viertes Relais 69 dient dazu, bei 95 % der Nenngeschwindigkeit zu schließen.

Auf diese Weise werden die Relais 66 bis 69 durch gewisse Ereignisse in einer bestimmten Folge betätigt, die von den Betriebsbedingungen der Turbine abhängen, d.h. die Erzielung einer . 20%-^igen Geschwindigkeit, die Anzeige einer Flamme, die festgelegte Zeit nach Anzeige einer Flamme und eine 95 %-ige Geschwindigkeit. Es können genau so gut auch andere Bedingungen oder Ereignisse ausgewählt werden. .

Die Dioden 65 sind in Bezug auf die gemeinsame Leitung 64 derart gepolt, daß die negativste Spannung, die irgendeiner der Dioden zugeführt wird, durchgelassen wird, d.h. diese negativste Spannung wird dem Eingangswiderstand 62 zugeleitet.

Es muß noch bemerkt werden, daß eine Begrenzungseinrichtung für maximalste Signale vorhanden ist, die mit 70 bezeichnet ist* Diese besteht aus einer Folgeemitterschaltung, die verhindern soll, daß die Spannung V an der Leitung 12 höher ansteigt, ,als durch den.Abgriff 71 festgelegt wurde,- . . ... ...-.-._■.>■

Es_ muß auch noch erwähnt werden, daß Signalleuchten 72 bis 75. vorhanden.,sind, die mit den entsprechenden, Ausgangsleitungen der Verstärker SO, 33, .58 und 36 verbunden, sind. Diese können auf. eine ^Schalttafel angebracht sein, die im beleuchteten Zustand, anzeigen,... welehe.r Verstärker seine Steuerfunktion ausübt und welcher,der_„Kanäle I, II, Illpder IV die Steuerung der _v Turbine _:bewirki:_:;,^₄. - .,-■■ ... . ....,.,.. ^ .. .^. , .-..,..,-.... ,·.... _Γ;! ^-_:,. ~. ,,.*=.-

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Die Ai'beitsweise der Erfindung ist nun wie folgt. Die Anlaufsteuerung 20 erzeugt ein durch die Ereignisse in einer bestimmten Folge festgelegtes Brennstoffsteuersignal, wie durch die Kurve 21 in Figur 1 dargestellt ist und zwar in folgender Weise. Es wird zuerst Bezug genommen auf die programmierte Spannungsquelle 61 der-Anlaufsteuerung im unteren Teil der Figur 3, und es wird darauf hingewiesen, daß die negativste Spannung, die den Kathoden der Dioden 65 zugeführt wird, die Spannung auf der Leitung 64 steuert und daß die Relais 66 bis 69 in der Zeichnung so angeordnet sind, daß sie während des normalen An- W laui'es von oben nach unten betätigt werden.

Das Relais 66 öffnet bei der Anfeuerungsgeschwindigkeit und die Spannung sinkt vom Erdpotential bis auf eine negative Spannung, die durch den Abgriff 72' festgelegt ist. Das umgekehrte oder positive Signal erscheint am Ausgang des Verstärkers 36 und löst einen ersten Brennstoffzufluß zur Verbrennungskammer aus (siehe Kurventeil 66' der Kurve 21 in Figur 1). Wenn die Zündung erfolgt ist und die Flamme angezeigt wird, öffnet das Relais 67 und die Spannung an der Leitung 64 ist nun etwas negativer als durch den Abgriff 73 festgelegt ist. Die Umkehrung des Signales durch den Verstärker 36 bewirkt, daß das Brennstof!steuersignal die Form hat, die durch den Kurventeil 67' der Kurve 21 wiedergegeben ist, und das einem Brennstofffluß entspricht, der geeignet ist, die-Turbine anzuwärmen.

Eine Minute nachdem die Flamme angezeigt wurde, öffnet das Relais 68. DerRC-Kreis der Verstärkerschaltung 68 a bewirkt, daß die Spannung auf einer zeitkonstanten Kurve bis zu einem endlichen negativeren Wert ansteigt, der durch den Abgriff 74' festgelegt ist. Diese Phase wird durch den Kurventeil 68· in der Kurve 21 dargestellt. Bei einer 95%-igen Geschwindigkeit schließt das Relais 69, um die Leitung 64 mit einem vollen negativen Potential zu beaufschlagen. Hieraus ergibt sich der maximalste Wert des Brennstoffsteuersignales, wie durch den Kurventeil 69· wiedergegeben wird.

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Die durch die Ereignisse in einer bestimmten Folge festgelegte Anlaufsteuerung ist zwangsläufig oder begrenzt,durch einen geschlossenen Kreisbetrieb der Beschleunigungssteuerung durch Temperatursteuerung und Geschwindigkeitslaststeuerung bei verschiedenen Zeiten während des Anlaufes und des Lastbetriebes.

Zuerst wird die Beschleunigungssteuerung 18 bestimmt, um die Turbine mit einer konstanten ausgewählten Rate zu beschleunigen, die durch den zugehörigen Knopf 57 festgelegt wird. Der Beschleunigungsverstärker 58 erhält von einem tatsächlichen Beschleunigungssignal ein Eingangssignal. Wenn die Beschleunigung einen auswählten Wert überschreitet, wird das Brennstoffsteuerungssignal reduziert und so verändert, daß die Beschleunigung konstant gehalten wird. Dieser Vorgang ist in der Kurve 19 der Figur 1 dargestellt. In Figur 2 ist die Beschleunigungssteuerung bei einem typischen Anlauf wiedergegeben, die in dem Intervall E-F zur Wirkung kommt.

Bei der Geschwindigkeits- und Laststeuerung 15 wird eine Spannung, die der tatsächlichen Geschwindigkeit entspricht, einem Eingangswiderstand 50 des Verstärkers 33 zugeführt und mit einem Referenzgeschwindigkeitssignal verglichen, das dem Eingangswiderstand 52 zugeleitet wird. Das Ergebnis ist ein scharf diskriminiertes Brennstoffsteuersignal über einen Bereich, der sich um die Nenngeschwindigkeit erstreckt. Dies wird durch den Kurventeil 75 der Kurve 16 gezeigt, die über der η-Skala aufgetragen ist. Wenn die Turbine belastet wird, muß die Brennstoffversorgung weiterhin zunehmen, um die vorgesehene Geschwindigkeit zu erreichen. Dies wird auf der anderen horizontalen L-Skala durch das Kurvenstück 76 der Kurve 16 wiedergegeben. Die Steigungen der Kurventeile 75' und 76 (die von der Verfahrensweise abhängen,,mit der die Turbine betrieben wird), kann durch den Rückkoppelungswiderstand 53 eingestellt werden.

Bei der Temperatursteuerung 13 wird in dem Funktionsgenerator 41 eine Funktion der tatsächlichen Temperatur erzeugt und die

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Spannung wird dem Eingangswiderstand 42 zugeführt* Wenn diese mit der Temperatur, die an der einstellbaren Spannungsquelle durch einen Knopf 43 festgelegt wird, verglichen wird, ergibt sich eine resultierende Kurve, die in der graphischen Darstellung 13 wiedergegeben ist und die eine Senke des Brennstoffsignales (Kurvenzug 77) wiedergibt, die bei der Zündung der Turbine einen steilen Temperaturanstieg anzeigt. Das festgelegte Ausgangssignal erlaubt dann einen allmählichen Anstieg des zulässigen Brennstoffstromes, der eine bestimmte Anstiegsrate bis zu einer Spitzentemperatur, die im Funktionsgenerator W 41 festgelegt ist (Kurventeil 78^ nicht übersteigt. Der Kurvenzug 79 zeigt einen reduzierten Brennstofffluß (bei konstanter Geschwindigkeit); wenn die Belastung ansteigt, so daß eine spezifische Turbinenabgastemperatur erhalten bleibt.

Es ergibt sich nun, daß die erforderlichen BrennstoffSteuersignale von den Steuerungen 14,16,18 und 20 alle gleichzeitig dem Tor für die unteren Werte zugeführt werden. Da nur das niedrigste dieser Signale durchgelassen wird oder eine Steuerung zu irgendeiner Zeit erlaubt, so zeigt die durchgezogene Linie der Kurve 23 am Ausgang des Tores 12 diese Erfordernisse. Andererseits muß festgestellt werden, daß die nicht zur Steuerung beitragenden Funktionen (die durch die gestrichelte Linie dargestellt sind), in dem Falle vorhanden sind, in dem ein Fehler der Komponenten vorliegt, die das Steuersignal Über diesen vorgegebenen Bereich des Gasturbinenbetriebes liefern.

Die Anzeigelichter 72, 73, 74 und 75 leuchten nur auf, wenn die bestimmte Steuerung, die mit dem Licht verbunden ist, die Steuerung der Turbine ausübt. Obgleich alle Signale gleichzeitig dem Tor 12 zugeführt werden, übt nur einer der Verstärker 30, 33, 58 und 36 die Steuerung zu einem bestimmten Zeitpunkt aus, wobei jedoch die anderen Verstärker bei Vorliegen irgendwelcher Fehler die Steuerung übernehmen können.

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Die Erfindung stallt ein sehr anpassungsfähiges Steuersystem dar, das eine gleichzeitige Steuerung durch eine Aiilaufsteuerung in einem offenen Zyklus mit einer festgelegten Ereignisfolge erlaubt, zusammen mit einer Anzahl zwangsläufiger Steuerungen in einem geschlossenen Zyklus. Die letztere verhindert das Aufkommen solcher Bedingungen, die die Turbine beschädigen können, während gleichzeitig ein Anlauf in kürzester Zeit erreicht wird.

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Claims

Ansprüche

/ 1.1 Steuersystem für eine Gasturbine, die zur Steuerung des Brennstoffflusses zur Verbrennungskammer gemäß einem elektrischen Brennstoffsteuersignal Servovorrichtungen besitzt, das ferner eine erste programmierte Steuerschaltung aufweist, die ein erstes Brennstoffsteuersignal liefert, das auf eine Vielzahl vorbestimmter Ereignisse anspricht, die normalerweise . während des Turbinenanlaufes in einer bestimmten Folge vorkommen und das mit einem Tor für untere Werte versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination mehrerer zusätzlicher Steuerschaltungen (14), (15), (18) für einen geschlossenen Zyklus vorgesehen sind, wobei jede auf verschiedene Betriebsbedingungen der Gasturbine kontinuierlich anspricht und so ausgebildet ist, daß sie ein entsprechendes Brennstoffsteuersignal zur Steuerung der jeweiligen Betriebsbedingungen liefert und daß das Tor (12) für untere Werte das erste und die anderen Steuersignale für die Betriebsbedingungen erhält, wobei nur eines der genannten BrennstoffSteuersignale den geringsten Brennstoffstrom darstellen kann, um die Brennstoff stromservovorrichtung zu steuern.
2. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch g ekenn-ζ e i c h η et, daß in den Steuerschaltungen (14); (15),(18), (20) und dem Tor für die unteren Werte (12) mehrere Rechenverstärker (30), (33), (58), (36) vorhanden sind, die über Dioden (31), (34), (58 a) und (37) mit einer gemeinsamen Tor-Sammelschiene verbunden sind, wobei die Sammelschiene (12) auch mit dem Eingang der Brennstoffstromservovorrichtung (11) verbunden ist.
3. Steuersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Eingang einer der genannten zusätzlichen Steuerschaltungen (14) mit mehreren Abgastemperaturfühlern (19) verbunden ist, um ein Brennstoff steuersignal zu erzeugen, das von der Änderung der Abgastemperatür der Gasturbine während des Anlaufes abhängt.

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4. Steuersystem nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r e h gekenn κ eic h η e t, daß ein Flammendetektor (22) in der Verbrennungskammer (3) angeordnet ist, und daß eine mit einer Ereignisfolge programmierte Spannungsquelle hoher Impedanz (61) mit dem Eingang der ersten Steuerschaltung (20) verbunden ist.

5> Steuersystem nach Anspruch 1 oder 2:,, d a dare h g e k e π η ζ e i c h η e t_r dafö eine der zusätzliehen Steuerschaltungen (IS) ein Brennstpffsteuersignal liefert, das die Beschleunigung auf einen vorbestimmten Wert begrenzt»

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