DE2126748A1

DE2126748A1 - Steuereinrichtung fur eine Gastur binenanlage

Info

Publication number: DE2126748A1
Application number: DE19712126748
Authority: DE
Inventors: William Irwin Schenectady NY Rowen (V St A )
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1970-05-28
Filing date: 1971-05-28
Publication date: 1971-12-16
Also published as: CH528403A; JPS5345448B1; NO140247C; FR2092164A1; US3639076A; NL7107314A; NO140247B; GB1340773A

Description

DIPL.-PHYS. F. ENDLICH βο34 unterpfaffenhofen ₉₍~

BLUMENSTRASSE S /

PATENTANWALT ^E/^G

TELEFONi(MuNCHEN) 84 36 38

TELEGRAMMADRESSE: *) 1 9 R 7 / fi PATENDLICH MÜNCHEN

CABLE ADDRESS: • PATENDLICH MUNICH

Meine Akte: G-2831

Anmelderin: GENERAL ELECTRIC COMPANY

159 Madison Avenue, New York, N.Y. I00I6, USA

Steuereinrichtung für eine Gasturbinenanlage

Die Erfindung betrifft, eine Steuereinrichtung für eine Gasturbinenanlage, die insbesondere für einen Schiffsantrieb geeignet ist.

Die Steuerung der Paramter großer Gasturbinen ist verhältnismäßig kompliziert, wodurch allerdings erreicht werden kann, daß die Betriebseigenschaften verbessert und die Standzeit vieler Komponenten, insbesondere der durch das heiße Gas beaufschlagten Teile, verlängert werden kann. Durch derartige Steuereinrichtungen wird normalerweise die Brennstoffströmung"in die Brennkammern der Gasturbinen entsprechend verschiedenen Parametern, wie Temperatur, Drehzahl, Belastung und zeitlichen Ableitungen dieser Größen beeinflußt. Aus Sicherheitsgründen ist es wünschenswert, möglichst viele Sicherheitssteuereinrichtungen vorzusehen, soweit dies im ,Rahmen der Wirtschaftlichkeit und der Zuverlässigkeit möglich ist. Es ist deshalb wünschenswert, getrennte Steuereinrichtungen für die verschiedenen Betriebsparameter zu jeder Zeit des Betriebs vorzusehen, wobei eine besondere Steuereinrichtung dazu dient, den

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speziellen Parameter zu begrenzen, während die anderen Steuereinrichtungen, die auf die anderen Parameter ansprechen, als Sicherheitssteuerung dienen. Ein derartiges Steuersystem wurde bereits vorgeschlagen (US-Serial No. 713 Io7).

Bei diesem älteren Vorschlag sind mehrere getrennte Regelkreise vorgesehen, die jeweils auf einen bestimmten Betriebsparameter ansprechen. Eine Brennstoffsteuereinrichtung spricht auf dasjenige Ausgangssignal einer Torschaltung an, welches das Regelsignal ist, das die geringste Brennstoffmenge verlangt, wodurch der günstigste Brennstoffverbrauch für die Betriebsparameter beibehalten werden kann.

Bei der Anpassung dieses vorgeschlagenen Steuersystems an Gasturbinen für einen Schiffsantrieb wurde festgestellt, daß durch den Zusatz eines Leistungsregelkreises die thermische Dauerstandfestigkeit beträchtlich verringert wird, wenn eine einfache Drehzahlsteuerung der Gasturbinen des Schiffsantriebs erfolgt.

Bei den meisten Anlagen für nautische Zwecke wurde bisher die Drehzahl der Welle auf einem Sollwert gehalten, der von der gewünschten Geschwindigkeit des Schiffs abhängig ist. Bei unterschiedlichen Bedingungen während der Fahrt ändert sich die Turbinenbelastung sehr stark, beispielsweise bei schwerer See, wenn der Propeller ganz oder teilweise über die Wasseroberfläche ragt, weshalb bei alleiniger Verwendung einer Drehzahlsteuerung die Brennstoffpumpe die Brennstoffzufuhr ändert, um die gewünschte Drehzahl nach Möglichkeit beizubehalten. Große Schwankungen der Brennstoffzufuhr können deshalb auftreten, wodurch eine starke Belastung der durch die heißen Gase beaufschlagten Teile erfolgt und deren Dauerstandfestigkeit verringert wird. Durch Beibehaltung eines konstanten Sollwerts der Leistung während des Normalbetriebs wird die Brennstoffzufuhr zu den Brennkammern auf einem konstanten Wert gehalten. Die Brennstoffzufuhr ist zwar kennzeichnend für die Leistung der Gasturbine. Es ist jedoch wünschenswert, daß die Lage des Antriebshebels in einer linearen Beziehung zu der Geschwin-

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digkeit des Schiffs steht. Wenn man weiß, daß die von dem Propeller benötigte Leistung etwa proportional der dritten Potenz der Geschwindigkeit des Schiffs ist, kann die Einstellung des Antriebshebels (Sollwert der Leistung) geändert werden, um eine Geschwindigkeit des Schiffs zu erzielen, welche direkt der Lage des Aiitriebshebels entspricht.

In der Schiffahrt ist es erforderlich, daß das Schiff auch rückwärts angetrieben werden kann. Dazu kann beispielsweise ein Schiffspropeller mit umkehrbarer Steigung Verwendung finden, der eine Fahrt bei voller Leistung in beiden Richtungen ermöglicht. Bei einer Leistungsregelung während gewissen Phasen des Betriebs ist es wünschenswert, eine Einstellung der Steigung zu haben, welche dazu beiträgt, eine konstante Drehzahl der Welle beizubehalten. Wenn beispielsweise ein elektrischer Generator mit der Ausgangswelle verbunden ist, muß eine Sollfrequenz beibehalten werden, indem die Welle auf einer verhältnismäßig stabilen Drehzahl gehalten wird. Bei gewissen Phasen des Betriebs ist es auch vorteilhaft, die Steigung zu ändern, um die Geschwindigkeit des Schiffs zu steuern.

Für die meisten Zwecke der Schiffahrt wird eine Gasturbine mit zwei Wellen benützt, wobei die eine bei konstanter SolHeistung eine konstante Brennstoffzufuhr zu den Brennkammern bedingt, während die Belastungsturbine die Drehzahl durch Änderung des Propellermoments (Belastung) ändern kann.

Ein anderes Merkmal das bei Gasturbinen für den Schiffsantrieb Beachtung finden muß, um gewissen Anforderungen entsprechen zu können, ist die Manövrierfähigkeit. Bei großen Überseeschiffen wäre es wünschenswert, eine gewisse minimale Ausgangsleistung an der Welle beizubehalten, während die Geschwindigkeit des Schiffs durch Änderung der Steigung des Propellers gesteuert wird. Es ist ferner wünschenswert, andere Betriebsmöglichkeiten vorzusehen, welche den speziellen Anforderungen des Schiffs an die Gasturbine entsprechen.

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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, abrupte änderungen der Brennstoffzufuhr in die Brennstoffkammern zu vermeiden/ indem auf eine "konstante Leistung geregelt wird, so daß thermisch bedingte Belastungen der durch heiße Gase beaufschlagten Teile verwehrt werden können. Ferner soll ein Regelsystem für eine Gasturbine für einen Schiffsantrieb angegeben werden, welche normale Betriebsfunktionen mit einem Leistungsregelkreis in einem automatischen elektronischen Festkörper-Steuersystem ergänzt. Es sollen eine anzahl von Regelkreisen vorgesehen werden/ von denen einer immer auf den Betriebszustand anspricht, welcher die geringste Brennstoffzufuhr zu den Brennkammern benötigt» Ferner soll ein unterschiedlicher Schiffsantrieb ermöglicht werden, durch den die gewünschte Manövrierfährigkeit bei minimaler Leistung erzielt werden kann» Schließlich soll ein Regler für die Neigung des Propellers angegeben werden, mit dem eine Solldrehzahl der Welle praktisch beibehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst/ daß einer elektrischen Torschaltung eine Anzahl von Brennstoff-SteuerSignalen zugeführt werden, von denen eines eine verlangte Brennstoffzufuhr in Abhängigkeit von einem gewünschten Leistungssollwert kennzeichnet* lter Leistungsregelkreis spricht auf ein elektrisches Ruekkopplungssignal an* welches die tatsächlich Brennstoffzufuhr anzeigt. Die Torschaltung gestattet nur, daß das Signal mit dem kleinsten Wert die Brennstoffzufuhr zu den Brennkammern steuert. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist der Heigungsregler, welcher auf ein Signal entsprechend der Drehzahl der Welle anspricht,, um eine gewünschte Drehzahl der Welle durch änderung der JJeigung des Propellers beizubehalten.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigens

Fig» 1 sin schematisches Schaltbild einer Gasturbinenanlage mit einer Steuereinrichtung gemäß der Erfindung; und

Fig. 2 aine graphische Darstellung verschiedener Paramter in ,Abhängigkeit von öer Änderung der lage des Antriebshebels.

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In Fig. 1 ist eine Gasturbine 1 mit zwei Wellen dargestellt, die einen Verdichter 2, eine Brennkammer 3,eine Hochdruckturbine und eine Niederdruckturbine 5 umfasst. Bekanntlich ist es hei gewissen Anwendungsfällen von Gasturbinen wünschenswert, daß sowohl eine Hochdruckturbine 4 vorgesehen ist/ welche den Verdichter 2 antreibt/ als auch eine Niederdruckturbine 5, die an einer getrennten Welle 6 angeordnet ist und eine Last antreibt. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Turbinenwelle für die Last über ein Reduziergetriebe 7 mit einem Propeller 8 verbunden. Der Propeller 8 hat eine umkehrbare Steigung, wie im folgenden noch näher erläutert werden soll.

Eine einstellbare Düse 9 einer zweiten Stufe verbindet die Hochdruckturbine 4 aerodynamisch mit der Lastturbine 5. Einstellbare Düsen und das dazugehörige Steuersystem sind bekannt (US-PS 2 625 789). Die Einzelheiten der Düse 9 sind nicht wesentlich für die Erfindung. Ihre Hauptfunktion besteht darin, die Aufteilung der Energie zwischen den beiden Turbinenstufen zu ändern. Durch Änderung des Querschnitts der Düse 9 wird die Drehzahl der Welle Io der Hochdruckturbine für den Verdichter erhöht oder erniedrigt, während die Drehzahl der Welle 6 der Lastturbine unabhängig geändert wird.

In den Einlaß 11 des Verdichters eintretende Luft dient zur Verbrennung des durch die Düse 12 in die Brennkammer 3 zugeführten Brennstoffs. Die erhitzten Abgase strömen durch die Hochdruckturbine 4 und die Lastturbine 5 und gelangen zu dem Turbinenauslaß 13, wobei sie verteilte Temperaturfühler 14 überstreichen, um die Abgastemperatur zu messen. Eine Brennstoffpumpe 15 mit veränderlicher Förderleistung ist an der Turbinenwelle Io angeordnet und führt der Düse 12 Brennstoff mit einer Strömungsphase au, die sowohl von der Drehzahl der Welle Io als auch dem Pumpenhub abhängt, ■welcher durch eine Brennstoff-Servo-Einrichtung 16 eingestellt wird. Die Einzelheiten der Servo-Einrichtung 16 sind nicht wesentlich für die Erfindung, da irgend ein Servomechanismus vorgesehen werden kann, welcher den Pumpenhub entsprechend einem elektrischen

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Stellsignal einstellt. Da die Gasturbine mit gasförmigem Brennstoff betrieben werden kann, in welchem Falle die Einstellung eines Ventils die Brennstoffzufuhr in die Brennkammer steuern würde, findet die Bezeichnung Brennstoffsteuersignal Verwendung, um das Signal unabhängig von der Art des verwandten Brennstoffs zu kennzeichnen.

Das Brennstoffsteuersignal ist ein einwertiges elektrisches Signal , welches auf der Leitung 17 auftritt und der Brennstoff-Servo-Einrichtung 16 über eine Torschaltung für niedrige Werte zugeführt wird« welche eine Anzahl von Dioden 18 enthält. Die Dioden 18 sind in der dargestellten Weise mit einer Sammelleitung ^ 19 verbunden, die mit der Leitung 17 für das Brennstoffsteuersignal verbunden iöfc«. Die Torschaltung arbeitet etwa in folgender Weise» Diejenige Diode, die. die geringste positive Spannung an ihrer Eingangsseite hat, liefert die Ausgangsspannung auf der Sammelleitung19 und der Leitung 17/ wodurch die Brennstoffzufuhr durch die Pumpe 15 bestimmt ist«

Das Brennstoffsteuersignal kann deshalb nicht-höher sein, als das niedrigste Steuersignal^ das der Torschaltung zugeführt wird«

Jedes der_Torschaltung sugeführte Steuersignal wird von einem - getrennten S^euerfcanaX abgeleitet„ voeh denen jeder eine bestimmte Phase der Arbeitsweise der Gasturbine steuert«

ψ Ein Teil «3er Einrichtung geraäH der Erfindraig ist bereits in der genannten. Slterea Anmeldung bssehrieöen, n§ml±dh die Temperatur-

21« die Besaliletas^geagsstsiaereiiiriGlitraag 22 nand <ä£®- anwürfeiarielh feung 23 g. F@rn©s- %f$x& aoist, die J4rfeai^st-j©ise aez: Toss&h&,lt.iaMg mit; den D£©äeB Ϊ8 aagpgeis©!*^ i?oa desssrä j@d® auf aia aaSsrs-s Stcaisr·= signal mnspwidht^. Bar gisaats des Lsistmgssegelteeipss 24 ist, j®-=

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fest und vergleicht diesen mit einer gewünschten Bezugsgröße. Die Anläuf-Steuereinrichtung 23 erzeugt ein programmiertes Brennstoffsteuersignal auf der Leitung 25 entsprechend zeitlich bestimmten Vorgangen in der Gasturbine, beispielsweise bei einer gewissen Drehzahl, der Feststellung einer Verbrennung in der Brennkammer oder dergleichen. Für die Durchführung der Erfindung sind nicht alle Steuereinrichtungen unbedingt erforderlich-

■ Die Steuereinrichtung 2o stellt die Abgastemperatur mit Hilfe der !temperaturfühler 14 fest. Eine durchschnittliche Temperatur wird von einem Mittelwertbilder 26 abgeleitet, von dem ein entsprechendes Signal an die Steuereinrichfcung 2o abgegeben wird. Ein Fehlersignal wird als Ausgangs signal auf der !Leitung 27 erzeugt, wenn die tatsächliche Itbgastemperatur sich von der Bezugstemperatur unterscheidet.

Die Drehzahl- und I*aststeuereinrichtung 21 arbeitet grundsätzlich in der gleichen Weise. Ein Drehzahlsignal wird von einem magnetischen Aufnehmer 25 abgeleitet, der an der Turbinenwelle 6 angeordnet ist. Dieses Drehzahlsignal wird mit einem Bezugssignal verglichen und das gegebenenfalls auftretende Fehlersignal tritt als Ausgangssignal auf der !Leitung 29 als ein Brennstoffsfceuersignal auf.

Die Beschleunigung^steuereinrichtung 22 erzeugt ein Brennstoffsteuersignal auf der leitung 3o» um die Tarbinenbeschleimigung während des Anlaufs oder wahrend eines Belastungsatofalls zu begrenzen. Das Steuersignal wird durch Bifferentiation eines Drehzahlsignals erzeugt» das von dem magnetischen Aufnehmer 28 abgeleitet und mit einem Besehleunigungs-Beziagssignal verglichen wird.

Der Regelkreis 24 erzeugt in entsprechender Weise ein Brenn*- Stoffsteuersignal, welches auf der Leitung 31 auftritt. Wie bereits erwähnt wurde, wird jedes Brennstoffsteuersignal zu einer betreffenden Diode 18 zugeführt. Das für -die geringste Brennstoffzufuhr in die Brennkammer 3 lcennze lehnende Breamstoffsteuersignal tritt auf

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der Sammelleitung 19 und auf der Leitung 17 auf. Obwohl nur ein Brennstoffsteuersignal im Hinblick auf die Servo-Einrichtung wirksam ist, arbeitet jedes der anderen BrennstoffSteuersignale als Sicherheitssignal-. Sollte das geeignete Steuersignal unwirksam werden, dann gelangt dasjenige Brennstoffsteuersignal welches die nächstniedrige Brennstoffzufuhr bewirkt, durch die Torschaltung. Es ist ferner zu beachten, daß die gestrichelte Linie zwischen der Servo-Einrichtung 16 und der Brennstoffpumpe 15 das Signal darstellt, welches den Pumpenhub ändert um die Brennstoffzufuhr durch die Brennstoffleitung 32 zu der Brennkammer 3 zu ändern.

Die beschriebene Steuereinrichtung ist mit der Düsensteuereinrichtung .33 integriert. Die Brennstoffzufuhr zu der Brenn-

^ kammer 3 bestimmt die Gesamtenergie, während die Düsensteuereinrichtung 33 die Energie zwischen der Lastturbine 5 und der Hochdruckturbine 4 aufteilt. Die Duseηsteuerung spricht auf zwei hauptsächliche Eingangssignal an. Ein Generator 33a ist an der Welle Io so angeordnet^ daß er ein Drehzahlsignal erzeugt, das für eine Drehzahl der Verdichterwelle und damit der Hochdruckturbine kennzeichnend ist. Der Sollwert der Verdichterdrehzahl ist durch die Abgastemperatur von dem Temperatur-Mittelwertbilder bestimmt. Das auf der strichpunktierten Linie auftretende Ausgangssignal steuert den Winkel der Düse 9 der zweiten Stufe. Die Düsensteuereinrichtung 33 kann entweder* elektrisch ode elektromechanisch arbeiten, was ansich bekannt ist (vergl. US-PS 2 625 789). Der Leistungsregelkreis 24 spricht auf einen Sollwert der Leistung und ein Rückkopplungssignal an, das für eine tatsächliche Brennstoffzufuhr kennzeichnend ist. Der Leistungsregelkreis 24 in Fig. 1 ist ein vereinfachtes Steuerschema zur Beibehaltung einer konstanten Leistung und deshalb einer konstanten Brennstoffzufuhr,(Gesamtenergie) zu der Brennkammer der Gasturbinen. Gewisse Funktionen, die für die Erläuterung der Erfindung nicht wesentlich sind, sind der Einfachheit halber weggelassen. Als Einrichtungen zur Erzeugung veränderlicher Bezugsspannungen sind Potentiometer dargestellt, die zwischen eine Spannungsquelle und Erde geschaltet sind, obwohl in der Praxis auch geeignete Kombinationen digitaler Schalteinrichtungen

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Verwendung finden könnten, um einen Zusammenhang mit verschiedenen Spannungsniveaus herzustellen. Die Schalteinrichtungen sind als bewegliche Kontakte dargestellt, obwohl in der Praxis Festkörperschalter Verwendung finden können, die entsprechend einem logischen System gesteuert werden.

im folgenden soll der Leistungsregelkreis 24 näher beschrieben, werden. DerSollwert der Leistung wird entweder von dem Antriebshebel 34 auf der Brücke oder dem Antriebshebel 35 in dem Maschinenraum abgeleitet, welche eine veränderliche Spannungsquelle 36 bzw. 37 einstellt. Das Vorzeichen der Spannungsquellen 36,37 kann auch umgekehrt sein. Ein negativer Leistungssollwert zeigt ein Vorauskommando an. Ein Schalter 38 dient als Übertragungsrelais, in dem der Schalter 38 entweder die Schaltung des Antriebshebels, auf der Brücke oder die Schaltung des Antriebshebels im Maschinenraum schließt, je nach dem von welcher Stelle die Bewegung des Schiffs gesteuert wird..

Die Spannung des Leistungssollwerts wird in einem Funktionsgenerator 39 für eine kubische Funktion irtodifiziert. Da es wünschenswert ist, daß die Geschwindigkeit des Schiffs etwa proportional der Stellung der Antriebshebel 34,35-.'ist, muß die Bezugsspannung (Leistungssollwert) entsprechend modifiziert werden. Die von dem Propeller 8 benötigte Leistung ist etwa proportional der dritten Potenz der Geschwindigkeit des Schiffs. Deshalb entspricht das Ausgangssignal des Funktionsgenerators 39 der dritten Potenz des Leistungssollwert. Es ist ersichtlich, daß das Ausgangssignal des Funktionsgenerators 39 das gewünschte Leistungssignal für den Verstärker 4o liefert. Funktionsgeneratoren dieser Art sind ansich bekannt. Sie erhalten entweder ein positives oder negatives Eingangssignal, erzeugen aber immer ein negatives Ausgangssignal als den modifizierten Leistungssollwert.

Da es wünschenswert ist, eine ziemlich konstante Brennstoffzufuhr beizubehalten, wird die Ausgangsleistung der Lastturbine konstant und praktisch unabhängig von der Drehzahl der Lastturbine. Die tatsächliche Brennstoffzufuhr ist proportional dem ^Produkt

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- Io -

des Steuersignals auf der Leitung 17 mit dem Signal, welches die Drehzahl des Verdichters wiedergibt. Das modifizierte Leistungssignal, oder die gewünschte Brennstoffzufuhr, ist der Sollwert für den Verstärker 4o, während das Rückkopplungssignal die tatsächliche Brennstoffzufuhr oder Leistung kennzeichnet.

Die Rückkopplung zu dem Leistungsverstärker 4o erfolgt über die Leitung 41 mit dem Ausgangssignal eines Einquadrant-Vervielfachers 42, welcher ebenfalls ansich bekannt ist. Die Eingangssignale des Vervielfachers 42 sind das Drehsahlsignal der Verdichterwelle auf der Leitung 43 und das Brennstoffsteuersignal, das dann maßgebend ist und auf der Sammelleitung 19 auftritt und über die Leitung 44 zu dem Vervielfacher 42 gelangt. Die Arbeits- ^ weise dds Leistungsregelkreises 24 entspricht den obigen Ausführungen. Wenn das Ausgangssignal des Verstärkers 4o für die Leistungssteuerung auf der Leitung 31 kleiner als die Ausgangssignale der anderen Steuereinrichtungen ist, ist es das Brennstoffsteuersignal, welches durch die Diode 18 gelangt und auf der Leitung 17 auftritt.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß dem Verstärker 4o zusätzliche Eingangssignale zugeführt werden. Ein derartiges Eingangssignal ist eine Vorspannung für eine minimale Leistung, die auf der Leitung 45 auftritt und von einer veränderlichen Spannungsquelle abgeleitet wird. Die Vorspannung für die minimale Leistung (oder die minimale Brennstoffzufuhr) liefert ein Brennstoffsteuersignal, welches erforderlich ist, um eine Drehzahl der Verdichterwelle zu t gewährleisten, welche zur Ermöglichung einer sich selbst aufrechterhaltenden Brennstoffzufuhr ausreichend ist. Ein anderes Eingangssignal des Verstärkers 4o ist ein Rückkopplungssignal auf der Leitung 47, welches für zwischenzeitliche Änderungen des Brennstoffsteuersignals auf der Sammelleitung 19 kennzeichnend ist. Ein Kondensator 48 integriert die zwischenzeitliche Änderung und gibt ein Signal an den Verstärker 4o ab. Jedes Eingangssignal des Verstärkers 4o wird durch eine geeignete Impedanz modifiziert* welche in der Figur durch Widerstände angedeutet ist.

Eine Betriebsärtea-WähleiÄrlchtrag 49 Ist f^nsktionsmäßig mit,

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•jedem der Schalter D, M und S verbunden. In dem Leistungsregelkreis dient die Wähleinrichtung 49 dazu, das minimale Leistungsniveau zu ändern, das auf der Leitung 45 auftritt, sowie das auf der Leitung 44 auftretende Signal und die Verstärkung des gewünschten modifizierten Leistungssignals (Brennstoffzufuhr) zu dem Verstärker für die Leistungssteuerung. Die Betriebsart D findet Verwendung, wenn die Landung des Schiffs erfolgt, oder wenn das Schiff andere sehr langsame Manöver durchführen soll. Wie noch näher beschrieben werden soll/ wird bei dieser Betriebsart, wenn die Kontakte D geschlossen sind, kein Signal des Leistungssollwerts an den Verstärker 40 geliefert. Dann übernimmt der Propeller mit veränderlicher Neigung die Hauptsteuerung. Ein minimaler LeistungsT soliwert wird durch die Spannungsquelle 46 geliefert, so daß eine konstante, aber einstellbare Bezugsspannung 50 an den Vervielfacher 42 geliefert wird. Die Brennstoffzufuhr in dem Leistungsregelkreis ändert sich bei einer derartigen Betriebsart, um die Verdichterdrehzahl entsprechend einem gewissen Prozentsatz der Solldrehzahl konstant zu halten. Dadurch wird die Leistung (und die Geschwindigkeit des Schiffs) an dem Antriebshebel etwa um einen Faktor vier verringert. Dies bedeutet, daß bei der Betriebsart D, wenn sich der Antriebshebel 34 oder 35 in der Lage für volle Fahrt voraus befindet, die Geschwindigkeit des Schiffs 25% der Höchstgeschwindigkeit beträgt.

Bei der Betriebsart M und S, welche normale Manöver bzw. die Fahrt auf hoher See betreffen, sind die so bezeichneten Kontakte geschlossen, um die betreffenden Schaltungen zu schließen. Bei der Betriebsart M wird das modifizierte Leistungssignal von dem Funktionsgenerator 39 weiter durch einen Eingangswiderstand modifiziert. Bei der Betriebsart S ist der Wert dieses Widerstands etwas kleiner, um ein höheres minimales Leistungsniveau von der Spannungsquelle 46 zu kompensieren. Bei den Betriebsarten M und S wird das zu dem Vervielfacher 42 gelangende Brennstoffsteuersignal wieder das Signal, welches die Servoeinrichtung 16 zur Brennstoffsteuerung steuert.

Wie bereits erwähnt wurde, muß eine Rückwärtsfahrt des Schiffes möglich sein, und in gewissen Fällen soll die Drehzahl der Ausgangswelle praktisch konstant gehalten werden. Die weiteren Zielsetzun-

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gen der Erfindung werden zum Teil durch eine Steuereinrichtung51 für die Neigung des Propellers erzielt. Das Ausgangssignal der. ersten Steuereinrichtung 51 tritt auf der Leitung 52 aus und gelangt zu dem Operationsverstärker 53, durch dessen Ausgangssignal ein Servoventil 54 gesteuert wird. Das Servoventil 54 dient dazu, die Neigung des Propellers 8 zu ändern. Die tatsächliche Neigung des Propellers wird durch e inen linear veränderlichen Differentialtransformator 55 festgestellt, dessen Signal in der Schaltung 29 demoduliert wird, um ein Rückkopplungssignal herzustellen welches der tatsächlichen Neigung proportional ist. Es ist zu beachten, daß der Propeller normalerweise die Neigung O während des Anlaufens der Gasturbine hat. Wenn es gewünscht ist, Leistung zuzugeben, dann wird die Steuerschaltung 51 wirksam. Die Neigungssteuerschaltung in der Betriebsart M und D arbeitet über einen Funktionsverstärker 56. Dasselbe Leistungssignal, das von der SpannungsgueHe 36 oder 37 abgeleitet wird (ohne Modifikation durch den kubischen Funktionsgenerator 39), wird dem Verstärker 56 entweder bei der Betriebsart M oder D zugeführt. In diesem Fall fordert das Leistungssteuersignal eine gewünschte Neigung entsprechend einer gewünschten Geschwindigkeit des Schiffs.

Es ist wünschenswert, die Propellerneigung am Anfang des Bewegungswegs des Antriebshebels auf ihren maximalen Wert zu bringen, um diesen Einfluß auf die Geschwindigkeit des Schiffes zu integrieren. Um eine zufriedenstellende lineare Beziehung zwischen der Lage des Antriebshebels und der Geschwindigkeit des Schiffs aufrecht zu erhalten, werden die Eingangswiderstände 57, 58 zu dem Verstärker 56 entsprechend gewählt. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß für die Betriebsarten M und S die Neigung ihr Maximum erreicht, wenn der Antriebshebel um etwa 25% des maximalen Ausschlags verstellt ist, während bei der Betriebsart D die volle Neigung bei vollem Ausschlag erreicht wird, weil bei der Betriebsart D nur eine minimale Leistung beibehalten wird, während die Geschwindigkeit des Schiffes durch die Neigung gesteuert wird. Bei den Betriebsarten M und D ist eine maximale Neigungseinstellung 59 in Vorwärtsrichtung vorhanden, um eine Kompensation verschiedener Belastungsbedingungen zu ermöglichen, so daß auf See die optimale Neigung eingestellt ist. Die Diode 60 läßt das Signal auf der Leitung 61 durch, bis ein gewisses Niveau erreicht ist, an welcher Stelle die Neigung

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in die geeignete Lage eingestellt werden kann, ohne daß die Sperrgrenze der Diode 60 übergehritten wird. Die maximale Rückwärtsneigung ist durch eine Bezugsspannung 62 festgelegt. Wenn die umgekehrte Neigung ihren maximalen Wert erreicht hat, blockiert die Diode 63 weitere Änderungen der Neigung.

Der Punktionsgenerator 39 kann so abgewandelt werden, daß er 2/3 der vollen Geschwindigkeit in Rückwärtsrichtung liefert, wenn der Antriebshebel 34 oder 35 sich in der Lage entsprechend voller Leistung befindet. Bei gewissen Anwendungsfällen von Gasturbinen in Schiffen ist dies ein wünschenswertes Merkmal.

Bei der Betriebsart S ist ein zweiter Neigungsregelkreis 64 w.irksam. Der Zweck dieses Kreises besteht darin, eine zweite Drehzahlsteuerung der belasteten Turbinenwelle zu liefern, über und oberhalb der Drehzahlsteuereinrichtung 21. Die Leistungsregelschleife 64 arbeitet als Drehzahlregler in beiden Lagen des Antriebshebels, welche der Rückwärtsfahrt und der Vorwärtsfahrt entsprechen. Ein Funktionsverstärker 65 erhält als Eingangssignal ein Drehzahlsignal von dem magnetischen Aufnehmer 28» welches die Drehzahl der belasteten Turbine anzeigt, sowie eine veränderliche Bezugsspannung 66. Der Verstärker 65 hat eine kapazitive Rückkopplungsschaltung 67, welche dazu dient, ein Fehlersignal zu integrieren, welches am Ausgang des Verstärkers 65 auftritt* Bei der Lage des Antriebshebels in der Vorwärtsrichtung befindet sich der Kontakt 68 in der unteren Lage, wodurch der das Vorzeichen umkehrende Funktionsverstärker 69 in die Schaltung 64 eingeschaltet wird. Wenn der Antriebshebel 34 oder 35 in die Rückwärtslage bewegt wird, sind der vergleichende Verstärker 70 und die zugeordnete Diode 71 und die Spule 72 nicht wirksam, den Schalter 68 in seine untere Lage zu bringen, sondern ermöglichen, daß der Schalter die obere Lage beibehält, so daß ein Nebenschluß für den Verstärker 69 gegeben ist. Das auf den Leitungen 73 und 52 auftretende betreffende Signal dient dann zur Änderung der Neigung des Propellers 8, um die Drehzahl der Turbinenweile 6 auf einem konstanten Wert zu halten, wenn die Vorwärtslage oder die Rückwärtslage eingestellt ist. Dieser isochrone Drehzahlregelkreis wird im folgenden als die zweite Neigungssteuerschaltung bezeichnet.

Wenn die Betriebsarten-Wähleinrichtung 49 sich in der Lage S be-

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findet, wird das minimale Leistungsniveau zu dem Verstärker 40 entsprechend erhöht. Dies ist aus der graphischen Darstellung in Fig. 2 ersichtlich.

Im folgenden soll die Arbeitsweise der gesamten Steuereinrichtung näher erläutert werden.

Die Gasturbine wird zuerst auf eine volle Drehzahl ohne Belastung über die Anwurf-Steuereinrichtung, die Temperatur-Steuereinrichtung und die Beschleunigungs-Steuereinrichtung gebracht. Dann wird die Drehzahlregeleinrichtung auf 102% des Sollwerts der Drehzahl eingestellt und bleibt dort als eine isochrone Vorschalt-Feststeileinrichtung, während eine Leistungssteuerung der Gasturbine erfolgt. Jeder Regelkreis enthält eine Anzeigelampe 74, welche dem Operateur anzeigt, wann der betreffende Kreis wirksam ist.

Jetzt kann die Gasturbine Leistung an die Ausgangswelle über und oberhalb des Neigungszustands Null für die minimale Leistung abgeben. Wenn der Antriebshebel auf der Brücke wirksam ist, und wenn die Betriebsart-Wähleinrichtung sich in der Lage M befindet, wird eine Verstellung der Lage des Antriebshebels zu der maximalen Vorauslage bewirken, daß sich das Schiff mit einer Geschwindigkeit bewegt, die direkt proportional dem Leistungssollwert (Lage des Leistungshebels) ist. Dies wird bewirkt, nachdem der Leistungs- ' soliwert in dem kubischen Funktionsgenerator modifiziert wird und mit dem Rückkopplungssignal für die tatsächliche Brennstoffzufuhr verglichen wird. Der Leistungsregelkreis ist dann wirksam, falls das Brennstoffsteuersignal die niedrigste Brennstoffzufuhr verlangt. Der minimale Leistungssollwert liefert einen Teil des gesamten Leistungssignals. Wenn der Antriebshebel weiter in Vorwärtsrichtung verstellt wird, wird das Vorwärts-Leistungssignal mit der dritten Potenz erhöht, wodurch sich die gewünschte Beziehung der Geschwindigkeit des Schiffs mit der Einstellung des Antriebshebels ergibt. Die Rückkopplung zu dem Verstärker für die Leistungssteuerung ist relativ konstant, weil das Drehzahlsignal von der Drehzahl der Verdichterwelle abgeleitet wird. Bei einer gewünschten Leistung ist das Brennstoffsteuersignal auf der Ausgangsieitung des Verstärkers für die Leistungssteuerung verhältnismäßig konstant^ wodurch die nachteiligen thermischen Spannungen der Teile im Strömungsweg der heißen Gase vermieden werden, die durch abrupte Inde-

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rungen der Brennstoffzufuhr bedingt sind. Wenn der Antriebshebel in Vorwärtsrichtung bewegt wird, steigt die Neigung von dem Wert 0 auf die volle Neigung bei etwa 25% des Bewegungswegs des Hebels. Die resultierende Geschwindigkeit des Schiffs steigt linear mit der Verstellung des Antriebshebels. Während dieser Phase arbeitet die Düsensteuerung verhältnismäßig unabhängig von der Brennstoffsteuerung.

• Während der Betriebsart D ergibt ein minimales Leistungsniveau eine konstante Brennstoffströmung in die Verbrennungskammer. Wenn der Antriebshebel vollständig in die Vorwärtslage bewegt wird, steigt die Neigung des Propellers an, wodurch die gewünschte Geschwindigkeit des Schiffs erzielt wird. Die Brennstoffzufuhr während dieser Betriebsart bleibt auch relativ konstant während der verschiedenen Lagen des Antriebshebels. Die Änderung der Propellerneigung bei dieser Betriebsart folgt der Änderung der Schiffgeschwindigkeit linear, und ist deshalb der Geschwindigkeitskurve des Schiffs in Vorwärtsrichtung in Fig. 2 überlagert.

Bei der Betriebsart S (auf See) wird die zweite Neigungs-Steuerschaltung betätigt, sowie ein erhöhter minimaler Leistungssollwert eingestellt. Diese Neigungs-Steuerung bewirkt einen konstanten Sollwert der Drehzahl der Welle durch Änderung der Propellerneigung. Im Falle einer plötzlichen umgekehrten Einstellung ermöglicht die Vergleichseinrichtung die Beibehaltung einer nahezu konstanten Drehzahl. Die Vergleichseinrichtung äbsllt die Änderung des Signals fest und ändert die Schalterlage fast augenblicklich.

Es wird erneut darauf hingewiesen, daß trotz der Steuerung des Brennstoff-Steuersignals durch den Leistungsregelkreis die anderen Steuereinrichtungen als Sicherheitsschaltungen wirksam sind.

Patentansprüche ■

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Claims

Patentansprüche

./Steuereinrichtung für die Brennstoffzufuhr zu einer Gasturbine, mit einer Einrichtung zur Brennstoffzufuhr in eine Brennkammer der Gasturbine in Abhängigkeit von einem Brennstoff-Steuersignal, g e kennze ichnet durch eine Anzahl von Regelkreisen, von denen jeder auf einen anderen Betriebsparameter der Gasturbine an-r spricht, und die jeweils ein betreffendes Brennstoffsteuersignal abgeben, durch eine Einrichtung für einen Leistungssoliwert der Gasturbine, durch einen zusätzlichen Regelkreis zur Zufuhr eines zusätzlichen BrennstoffSteuersignals in Abhängigkeit von der Einstellung des gewünschten Leistungssollwerts, und durch eine auf das niedrigste Brennstoffsteuersignal der Regelkreise und des zusätzlichen Regelkreises ansprechende Torschaltung zur Steuerung der Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer.
2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Regelkreis einen Funktionsgenerator für eine kubische Funktion erhält, um die gewünschte Leistung se in stellung zu modifizieren und ein Brennstoffsteuersignal abzugeben, welches in einer praktisch linearen Beziehung mit der Geschwindigkeit des Schiffs und der gewünschten Einstellung der Leistung steht.
3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennze ichnet , daß der zusätzliche Regelkreis einen elektronischen Vervielfacher enthält, in dem die Drehzahl der Antriebswelle und das Brennstoffsteuersignal, welches dann die Einrichtung zur Brennstoffzufuhr in die Brennkammer der Gasturbine steuert, multipliziert werden, um ein Rückkopplungssignal zu erzeugen, das für die tatsächliche Brennstoffzufuhr kennzeichnend ist.
4. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, für eine Gasturbinenanlage mit zwei Wellen und für einen Schiffsantrieb, mit einer Verdichterwelle und einer Antriebswelle, an der ein Propeller befestigt ist, und mit einer Einrichtung zur Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer der Gasturbine in Abhängigkeit .von einem elektrischen Brennstoffsteuer-

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signal, gekennze ichnet durch eine Anzahl von Regelkreisen, von denen jeder auf einen anderen Betriebsparameter der Gasturbine anspricht und die ein betreffendes Brennstoffsteuersignal liefern, durch eine Einrichtung zur Einstellung eines gewünschten Leistungssollwerts für die Gasturbine, durch einen zusätzlichen Regelkreis zur Abgabe eines zusätzlichen Brennstoffsteuersignals in Abhängigkeit von dem gewünschten Leistungssollwert, durch eine auf das niedrigste Brennstoffsteuersignal der Regelkreise und des zusätzlichen Regelkreises ansprechende Torschaltung zur Steuerung der Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer, durch eine Einrichtung zur Erzeugung des Signals in Abhängigkeit von der Wellendrehzahl, durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines Temperatursignals, durch eine Düse und eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Winkels der Düse und zur anteiligen Verteilung der Energie, welche durch die Gasturbine abgegeben wird, auf die Verdichterwelle und die Antriebswelle, und durch das Ansprechen der Düsensteuereinrxchtung auf das Drehzahlsignal und das Temperatursignal, um dadurch den Winkel der Düse einzustellen.
5. Steuereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Minimalieistung-Signalen nacheinander dem zusätzlichen Regelkreis durch eine Betriebsart-Wähleinrichtung zugeführt werden, um eine Flexibilität der Manövrierfähigkeit der Gasturbine mit zwei Wellen zu ermöglichen.
6. Steuereinrichtung nach Anspruch 4, mit einer Gasturbinenanlage mit zwei Wellen und für einen Schiffsantrieb mit einer Verdichterwelle und einer Antriebswelle, mit einem steuerbaren Propeller mit umkehrbarer Neigung, welcher an der Antriebswelle befestigt ist, und mit einer Einrichtung zur Brennstoffzufuhr in die Brennkammer der Gasturbine in Abhängigkeit von einem elektrischen Brennstoffsteuersignal, gekennzeichnet durch eine Anzahl von Regelkreisen, von denen jeder auf einen anderen Betriebsparameter der Gasturbine anspricht, und die eine Zufuhr eines betreffenden Brennstoff Steuersignals ermöglichen, durch eine Einrichtung zur Einstellung einer gewünschten Leistungseinstellung für die Gasturbine, durch einen zusätzlichen geschlossenen JRegelkreis zur Zufuhr eines zusätzlichen BrennstoffSteuersignals in Abhängigkeit von der ge-

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wünschten Leistungseinstellung, durch eine auf das niedrigste Brennstoffsteuersignal der Regelkreise und des zusätzlichen Regelkreises ansprechende Torschaltung zur Steuerung der Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer, durch eine Einrichtung zur Ableitung eines Signals entsprechend der Drehzahl der Verdichterwelle, durch eine Einrichtung zur Ableitung eines Temperatursignals, durch eine Düse und eine Einrichtung zur Steuerung des Winkels der Düse und zur Verteilung der durch die Gasturbine erzeugten Energie auf die Verdichterwelle und die Antriebswelle, und durch das Ansprechvermögen der Düsensteuereinrichtung auf das Signal entsprechend der Drehzahl der Verdichterwelle und das Temperatürsignal, um dadurch den Winkel der Düse einzustellen.
7. Steuereinrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine erste Neigungssteuereinrichtung, die auf die gewünschte Leistungseinstellung anspricht und so ausgebildet ist, daß sie die Neigung von 0 bei einer Leistungseinstellung 0 auf die volle Neigung an einer Stelle in dem Bereich zwischen der Leistungseinstellung 0 und der vollen Leistungseinstellung ändert.
8. Steuereinrichtung nach Anspruch 7 ₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Lage mit vollständiger Neigung des Propellers einstellbar ist, um die wirksamste Neigung bei unterschiedlichen Seeverhältnissen einzustellen.
9. Steuereinrichtung nach Anspruch 6_S für eine Gasturbinenanlage mit zwei Wellen und für einen Schiffsantrieb, mit einem Propeller raife einer steuerbaren Neigung, der an der Antriebswelle befestigt ist, die mit der Gasturbine gekuppalt ist und mit einer gewünschten Dreiazahl angetrieben werden soll, mit· einer Einrichtung zur Brennstoffr zufuhr in eine Brennkammer der Gasturbine in abhängigkeit: von einem Brennstoff steuersignal; geken ία s~© lehne t durch, eine Brenns-toffsteuegeinrichtung mit einer Einrichtung zur Lsis-tungseiK-stellung* die eine von Hand betätigte Eingangseinrichtung aufweist und einen Funktionsgenerator enthält_ff um @ΐκ erstes Besugs-Brsnsistoffsteuersignal zu li@fern₂ damit die Lage, der Eingangs© inr ich ttmgpr&fctisch linear von- der gewünschten Geschwindigkeit des Schiff® sb~ ■hangt, äurefe mine Einrichtung ζναε Erzaugung eines erstes Eüelskopp*= ■

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. lungssignals, das für die tatsächliche Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer kennzeichnend ist, durch eine Einrichtung zum Vergleich des ersten Bezugssignals und des ersten Rückkopplungssignals und zur Steuerung der Brennstoffzufuhr, um den Unterschied zwischen den beiden Signalen auf 0 zu verringern, und durch eine NeigungsSteuereinrichtung, welche eine Einrichtung zur Zufuhr eines einstellbaren zweiten Bezugssignals enthält, das für die gewünschte Drehzahl der Antriebswelle kennzeichnend ist, eine Einrichtung zum Vergleich des zweiten Bezugssignals und des zweiten Rückkopplungssignals und zur Einstellung der Propellerneigung entsprechend der Differenz der Signale, um die tatsächliche Drehzahl der Antriebswelle praktisch gleich der gewünschten Drehzahl der Antriebswelle bei irgendeiner Leistung zu halten.
10. Steuereinrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Antriebssteuerung des Schiffs in der Vorwärtsrichtung und in der Rückwärtsrichtung, welche eine Vergleichseinrichtung zur Feststellung der Lage der Eingangseinrichtung aufweist, um zu bestimmen, ob Leistung in Vorwärtsrichtung oder in Rückwärtsrichtung erwünscht ist, sowie einen invertierenden Verstärker, der auf die Vergleichseinrichtung anspricht und angeordnet ist, um die Polarität des Ausgangssignals der Neigungssteuereinrichtung in Abhängigkeit von der gewünschten Antriebsrichtung für das Schiff zu ändern.

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