DE2353974A1

DE2353974A1 - Turbo-elektrische schiffsantriebsanlage mit der schweren gasturbine

Info

Publication number: DE2353974A1
Application number: DE19732353974
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Kranert
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1973-10-27
Filing date: 1973-10-27
Publication date: 1975-04-30
Also published as: IT1025088B; NL7413979A; DE2353974B2; US4007407A

Description

LIGENTIA. PATENT VER WALTÜNGS-G.m.b.H. 6 Frankfurt/Main 70* Theödor-Stern-KRi 1

HH 73/37 24. Okt. 1973

"Turbo-elektrische Schiffsantriebsanlage mit der Schweren Gasturbine"

Die Erfindung betrifft eine turbo-elektrische Schiffsantriebs«*· anlage mit einer drehzahlregelbaren Schweren Gasturbine, einem mechanisch mit dieser gekuppelten Synchronfahrgenerator und einem elektrisch mit dem Fahrgenerator gekuppelten Synchron- ' oder Asynchronpropellermotor, der über eine Welle einen Festpropeller antreibt, wobei bis zur Mindestdrehzahl der Turbine in Frequenzregelung und unterhalb der Mindestdrehzahl der Turbine in Schlupfregelung gefahren wird.

Turbo-elektrische Schiffsantriebsanlagen mit der Schweren Gasturbine als Energie-Erzeuger sind bekannt. Bei einer solchen ausgeführten Anlage ist die Turbine mit einem Synchronfahrgenerator mechanisch gekuppelt. Der Synchrongenerator speist den Propellermotor, der ein Synchron- oder Asynchronmotor sein kann. Dabei bilden Fahrgenerator und Propeller- ■ motor als elektrische Welle einen Getriebeersatz. Da die Turbine einerseits ständig mit Nenndrehzahl läuft, andererseits nicht umsteuerbar ist, muß als Propeller ein Verstellpropeller vorgesehen sein, der die Eegelung der Schiffsgeschwindigkeitund das Umsteuern durch Verstellung der

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Propellerflügel· ermöglicht. Vergleiche Zeitschrift "Shipbuilding and Shipping Eecord" vom 16.2.1973· Verstellpropeller sind aber nur bis zu bestimmten Leistungen, ca. 40.000 PS, wirtschaftlich einsetzbar.

Bei einer anderen Ausrührungsform einer solchen Antriebsanlage ist eine Schlupfkupplung in Verbindung mit einem Festpropeller vorgesehen, wobei Schiffsgeschwindigkeit und Umsteuerbetrieb über die Schlupfkupplung geregelt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine turbo-elektrische Schiffsantriebsanlage zu schaffen, die ohne Verstellpropeller bzw. ohne Schlupfkupplung in allen Fahrtbereichen gut regelbar, im Aufbau einfach und kostensparend und auch für große Leistungen verwendbar ist.

Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, daß die Turbinendrehzahl als Punktion der I>ropellerdrehzahl so geregelt ist, daß die von der Turbine abgegebene Leistung, bestehend aus Schlupfleistung, Ständerverlustleistung und abgegebener Leistung des Propellermotors, über der minimalen Leistungsgrenze ,der !Turbine liegt. Dabei wird jede Propeller drehzahl vom Stillstand bis zu einer Drehzahl entsprechend der minimalen Turbinendrehzahl durch eine der Propellerdrehzahlregelung unterlagerte Spannungsregelung im Schlupfbetrieb angesteuert.

Weiterbildungen, nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Me Schiffsantriebsanlage nach der Erfindung weist den besonderen Vorteil auf, daß sie in allen Drehzahlbereichen und Fahrtbereichen gut regelbar und auch für große Leistungen geeignet ist.

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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele nach der Erfindung dargestellt. Dabei zeigt

Figur 1 im Blockschaltbild den Regelkreis für den Schlupfbetrieb ,

Figur 2 die Leistungskurven,
Figur 3 den Schlupfbetrieb im Diagramm und Figur 4 eine weitere Ausführungsform für den Schlupfbetrieb.

Es soll vorausgeschickt werden, daß die Schiffsantriebsanlage nach der Erfindung eine zweiwellige, drehzahlregelbare Schwere-Gasturbine als Energie-Erzeuger aufweist. Die Drehzahlregelung der Turbine beeinflusst die Propellerdrehzahl, und zwar bedeutet eine Drehzahlerhöhung der Turbine eine Frequenzerhöhung des Fahrgenerators. Über den Erregerstrom wird die Generatorankerspannung so erhöht, daß ein konstanter Wert für das Verhältnis Generatorspannung/Generatorfrequenz eingestellt wird. Das bedeutet, daß bei vollem Fluß im Fahrmotor unveränderte Antriebsmomente an der Propellerwelle anstehen.. Diese Regelung gilt für den oberen und mittleren Fahrtbereich bis hinab zur minimalen Drehzahlgrenze der Schweren Gasturbine·

Diese minimale Drehzahlgrenze liegt bei etwa 0,33 n™ nenn* Ni^," z. B. durch Überlast, diese Grenze unterschritten, bricht der Betrieb der Gasturbine zusammen. Daher erfolgt die Propellerdrehzahlregelung im unteren Drittel des Fahrtbereiches über den Schlupfbetrieb des Fahrmotors« .

Für den Schlupfbetrieb sind zwei kritische Punkte zu beachten: Zum einen dürfen die Rotorschlupf Verluste die Rotornennverluste des Motors nicht wesentlich überschreiten (siehe Figur 3), zum anderen können bei der Gasturbine bestimmte Turbinendrehzahlen nur eingeregelt werden, wenn die abgegebene Leistung über der

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minimalen Leistungsgrenze liegt (Figur 2).

Damit nun die Ro tor schlupf Verluste die Rotornennverluste nicht wesentlich überschreiten, müßte mit möglichst kleiner Turbinendrehzahl gefahren werden, also bei der minimalen Turbinendrehzahlgrenze von z. B. 0,33 η™ nenn * ^^ne Regelung auf konstante Turbinendrehzahl von 0,33 Um _nenn ^{fur das} Fahren des Motors bei Schiupfdrehzahlen im unteren Drittel des Fahrtbereiches ist jedoch, wie oben beschrieben, nicht möglich, denn die Turbinendrehzahl würde jeweils zu dem Punkt auf der minimalen Leistungsgrenze hindriften (νοηβί 0,56 zu „_βν,_Λ bis zu 0,33 n™ „«„„) ι der leistungsmässig der aufgenommenen Motorleistung (gleich der Summe aus Schlupfverlustleistung und abgegebener Propeller leistung) entspricht .

Das ungeregelte Driften der Turbinendrehzahl führt bei Laststößen zu unerwünschten Drehzahlschwingungen und da sich die minimale Leistungsgrenze im Bereich von ca. 0,3 n^ _nenn ^b^-^s 0,36 n™ _nenn kaum ändert, bedeutet ein Laststoß in diesem Bereich eine große Turbinendrehzahlverringerung. Wegen der hohen Turbinenzeitkonstanten kann das zur Unterschreitung der minimalen Drehzahl führen, da die schnelle Drehzahländerung nicht mehr abgefangen werden kann.

Dieses Schwingen der Turbinendrehzahlen und ein Unterfahren des Grenzbereiches wird vermieden, wenn die Turbinendrehzahl als Funktion der Propellerdrehzahl so geregelt wird, daß zum einen die Rotorschlupfverluste die Rotornennverluste des Motors nicht wesentlich überschreiten, zum anderen die abgegebene Turbinenleistung stets über der minimalen Leistungsgrenze liegt.

Es wird also von vornherein eine höhere Turbinendrehzahl gewählt, als die minimale Leistungskurve angibt und die

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Turbinendrehzahl als Funktion der Propelleristdrehzahl geregelt. Hierfür gilt die Beziehung

In Figur 2 ist beispielsweise als Turbinenausgangsdrehzahl 0,66 n^, _nenn gewählt. Damit ergibt sich die folgende Beziehung: . : " ·

[pus]

[pus] = f_G [pusj =0,66 - n_prop

Damit liegt die abgegebene Turbinenleistung über der minimalen Leistungsgrenze. Durch entsprechend langsame Sollwertvorgabe der Propellerdrehzahl regelt die Turbinendrehzahl unkritisch nach. Figur 3 zeigt, daß bei der vorgenannten Hegelung der Turbinendrehzahl die RotorschlupfVerluste die Rotörnennverluste nicht wesentlich übersehreiten.

Im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist mit 11 eine Schwere ' Gasturbine bezeichnet, die über eine Welle 13 einen Synchronfahrgenerator 12 antreibt. Die Turbinendrehzahl wird mit Hilfe eines Tachogenerators 16 abgenommen. Der Fahrgenerator 12 speist einen Propellermotor 21, der ein Synchron- oder Asynchronmotor sein kann und über eine Welle 22 einen Festpropeller 23 antreibt. Ferner ist an der Propellerwelle 22 ein Tachogenerator 24· angeschlossen.

Die Turbinenausgangs drehzahl von beispielsweise 0,66 np _nemi (Figur 2) ist dem Regier y\ fest als Sollwert vorgegeben. Als Istwert wird die Drehzahl des Propellers n__r_ ^. herangezogen. Das vom Regler 31 ausgegebene Signal stellt demnach die 'Differenz zwischen der Propelleristdrehzahl und 0,66 n^ _nenn dar. Dieses Signal dient dem folgenden Regler 32 als Turbinendrehzahlsollwert, dem vom Tachogenerator 16 der ,Turbinendrehzahlistwert zugeführt wird. Aus dem Vergleich der beiden Signale ergibt

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sich die Regelabweichung ^'L,, die dem Block 33 vorgegeben wird, der ein Stellsignal zur Veränderung der Brennstoffzufuhr der Turbine ausgibt. Pas geschieht in der Weise, daß mit der Erhöhung des Propellerdrehzahlistwertes die Turbinendrehzahl langsam von 0,66 H_n, __ÄT1T. auf einen kleineren Drehzahl wert zuläuft, aber oberhalb der kritischen Turbinenleistungsgrenze bleibt.

Ein Rechenbeispiel soll diesen Vorgang verdeutlichen. Die Propellerdrehzahl wird langsam von η ₀ . . = Null auf beispielsweise η _o J^ =0,10 gesteigert. Damit steht am Regler y\ ein Istwertsignal η . . = 0,10 an bei einer festen Sollwertvorgabe von 0,66 % «_Λ1-_· Damit wird sich die Regelabweichung am Reglerausgang langsam von 0,66 nach 0,56, entsprechend der geänderten Ist wert eingabe, hin verändern. Das bedeutet für den Sollwert eingang des Seglers 32 eine langsame Verringerung. Das am Regler 32 erscheinende Signal wird dem Block 33 zugeführt, dessen Stellsignal jetzt die Brennstoffzufuhr der Turbine so festhält, daß die Turbinendrehzahl oberhalb der kritischen Leistungsgrenze langsam und geregelt einer Drehzahl von beispielsweise 0,33 η™ _ηαην> zuläuft.

Wie bereits vorstehend angedeutet, wird die Propellerdrehzahl über den Schlupf des Fahrmotors geregelt. Die Propelleristdrehzahl wird gleichzeitig mit der Eingabe auf den Regler 31 auch dem Propellerdrehzahlregler 34· als Istwert vorgegeben, wobei die Sollwertvorgabe zumeist vom Maschinentelegraphen erfolgt. Die Regelabweichung Δη wird in den Block 35 eingegeben, dessen ausgegebenes Stellsignal dem Spannungsregler 36 als Sollwert dient. Als Istwert wird vom Spannungswandler ein der Generatorspannung proportionaler Wert abgenommen und ebenfalls dem Regler 36 zugeführt. Die Regelabweichung A Uq wird vom Block 37 aufgenommen und ein Stellsignal I_£ für den

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Erregergleichrichtersatz 15 der Erregerwicklung 14· des Fahrgenerators 12 ausgegeben. Damit wird über den Erregerstrom die Spannung im Ankerkreis des Fahrgenerators verstellt.

Wenn noch einmal das Beispiel der Istwerteingabe einer Propellerdrehzahl von ^ ₀_ i_st ⁼ ° herangezogen wird, so bedeutet die Differenz zwischen dem vom Maschinentelegraphen vorgegebenen Sollwert n_{prop öoll} und n._{prop ist} * 0 eine kohe Sollwertvorgabe für den Spannungsregler 36. Damit ergibt sich eine große Hegelabweichung. Das bedeutet für den Erregerstrom in der Erregerwicklung 14· des Fahrgenerators 12 eine Erhöhung, die aber eine* Spannungserhöhung im Ankerkreis des Fahrgenerators zur Folge hat. Damit wird der Schlupf im Fahrmotor 21 im Sinne einer höheren Rotordrehzahl verstellt, was wiederum eine Erhöhung der Propelleristdrehzahl bedeutet. Damit ergibt sich an den Reglern 31 und 34 eine Vergrößerung der Istwertvorgabe. Diese wirkt am Regler 31 auf die Turbinendrehzahl derart ein, daß bei langsamer Veränderung die Turbinendrehzahl ebenso langsam und oberhalb der kritischen Leistungsgrenze auf beispielsweise 0,33 afp _nenn zuläuft. Die Vergrößerung der Istwertvorgabe am Regler 34- wird mit einer erneuten langsamen Vergrößerung der Sollwertvorgabe vom Maschinentelegraphen verglichen und die Differenz dem Spannungsregler 36 erneut zugeführt. Somit wird die Ankerspannung im Fahrgeneratorkreis beeinflusst. Der Fahrmotor wird solange im Schlupfbetrieb weitergefahren, bis die Propellerdrehzahl auf 0,33 ¹¹T)P₀₁, nenn ^nochgefahreⁿ ist. Die Turbinendrehzahl ist dann oberhalb der kritischen Leistungsgrenze von 0,66 n^j, _neim auf 0,33 n^ _nerm abgesunken.

Beim Abbremsen des Schiffes wird der eben beschriebene Regelvorgang unterhalb der Propellerdrehzahl von 0,33 ¹^ _ot) i_at kht Si i Pllidhhl 0

umgekehrten Sinne bis zur Propelleristdrehzahl 0 ablaufen.

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Eine Umsteuerung von Vorwärts- auf Rückwärtsfahrt kann mit Hilfe eines nicht dargestellten Fahrtwenders durch. Phasentausch im Ankerkreis des Propellermotors vorgenommen werden, wodurch lediglich die Drehrichtung geändert wird.

Die Wahl einer höheren Turbinendrehzahl von beispielsweise 0,66 um _nenn ermöglicht beim Propeller anfahr en eine höhere Leistungsabgabe der Turbine, so daß das Losbrechmoment an der Propellerwelle gut aufgebracht ist. Bei einem Wert von n™ = 0,33 η™ ist beispielsweise die zur Verfügung stehende Leistung etwa P = 0,5 P_nenn) während bei einem Drehzahlwert von n^ = 0,66 n™ ____ die zur Verfugung stehende Leistung P = 0,9 P__Qr,_ beträgt.

Diese. Wahl der n™ - Sollvorgabe ermöglicht erst eine freizügige Konzipierung derartiger Antriebsanlagen. Da aus Redundanzgründen häufig die Motorantriebsleistung auf zwei Gasturbinengeneratorsätze je zur Hälfte aufgeteilt wird, so daß bei Ausfall eines Aggregates das verbleibende den Propellermotor antreiben kann, muß gleicherweise gewährleistet sein, daß in einem solchen Havariefall ein Antriebsaggregat den Propellermotor aus dem Stillstand hochfahren kann. Dabei wird der Turbine des verbliebenen Aggregates zum Beginn des Propelleranfahrens etwa 90 % der Nennleistung abverlangt. Es ist aber auch möglich, derartige Antriebsanlagen so auszulegen, daß die Motorantriebsleistung nicht zur Hälfte auf die beiden Gasturbinengeneratorsätze aufgeteilt ist. Damit stünde ein Hauptfahraggregat und ein Hilfsaggregat geringerer Leistung, z. B. für den "takehome-Betrieb" bei Ausfall des Hauptaggregates zur Verfügung. Hier ist nun der Fall denkbar, daß bei Ausfall des Fahraggregates beim Anfahren des Motors aus dem Stand mit dem verbliebenen Hilfsaggregat die kritische Leistungsgrenze unterschritten und damit das Anfahren des Motors unmöglich, wird.

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Diesem Betriebsfall kann durch. Anwendung-"der Maßnahme nach Figur 4- abgeholfen werden. Hierin wird die Regelabweichung Δ ** _o von -Propellersollwert und Propelleristwert als Sollwertvorgabe für eine Spannung/Frequenz-Regeliing benutzt. Als Istwert wird aus der Turbinenistdrehzahl, die zugleich der Generatorfrequenz proportional ist, und dem Generatorspannungsistwert der Quotient ^G ist gebildet. Am Spannungs-

■'.'-■.. ^fG ist

regler 36 nach Figur 4 steht demnach als Sollwert die Regelabweichung An. an. Vom Tachogenerator 16 der Turbine wird der der Generatorfrequenz proportionale Turbinendrehzahlistwert dem Quotientenbildner 38 eingegeben, vom Spannungswandler steht der Generatorspannungsistwert an. Aus diesen beiden Werten wird der Quotient G ist gebildet und als Istwert

- ^fG ist_r

auf den Spannungsregler 36 gegeben. Wenn die Turbinendrehzahl beim Anfahrmanöver einzubrechen droht, d.h.. kleinen Drehzahlen zuläuft, wird sich der Wert für die Frequenz verkleinern. Damit wird der Quotient größer.. Das bedeutet für den Eingang des Reglers 36 eine größere Istwertvorgabe und für den Reglerausgang eine kleinere Regelabweichung, die über den Erregergleichrichtersatz 15 auf die Erregerwicklung 14- des Fahrgenerators einwirkt. Damit verkleinert sich der Erregerstrom und die Spannung im Ankerkreis. Im Propellermotör wird der Schlupf im Sinne kleinerer Rotordreh.zah.len verstellt und damit eine Entlastung der Turbine bewirkt.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

urbo-elektrische Schiffsantriebsanlage mit einer drehzahlregelbaren Schweren Gasturbine als Energie-Erzeuger, einem mechanisch mit der Turbine gekuppelten Synchronfahrgenerator und einem elektrisch mit dem Fahrgenerator gekuppelten Synchron- oder Asynchronpropellermotor, der über eine Welle einen Pestpropeller antreibt, wobei bis zur Mindestdrehzahl der Turbine in Frequenzregelung und unterhalb der Mindestdrehzahl in Schlupfregelung gefahren wird, dadurch gekennzeichnet, daß die iurbinendrehzahl als Funktion der Propellerdrehzahl so geregelt wird, daß die von der Turbine abgegebene Leistung, bestehend aus Schlupf leistung, Ständerverlustleistung und abgegebener Leistung des Propellermotors, über der minimalen Leistungsgrenze der Turbine liegt.

2. ScMffsantriebsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 3ede Propellerdrehzahl vom Stillstand bis zu einer Drehzahl entsprechend der minimalen Turbinendrehzahl durch eine der Propellerdrehzahlregelung unterlagerte Spannungsregelung im Schlupfbetrieb ansteuerbar ist.

3. Scniffsantriebsanlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelabweichung der Propellerdrehzahlregelung der Generatorspannungsregelung als Sollwert dient.

4. Scbiffsantriebsanlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelabweichung der Propellerdrehzaßlregelung als Sollwert und der Quotient aus dem Generatorspasnungsistwert und dem Frequenzistwert als Istwert der Generatorspannungsregelung dient*

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Schiffsantriebsanlage nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine beim Anfahren des !Propellers mit einer höheren Drehzahl n™ als der minimalen Leistungskurve entspricht, läuft und für den Schlupfbetrieb die Beziehung D₁ = 1^_x -f (n_{prop ist}.)-gilt.

6. Schiffsantriebsanlage nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß für den Schlupfbetrieb die Beziehung n™ £pusj = 0,66 ⁿprop ist

Lic entta Pat ent-Yerwaltungs-G.m.b.H.

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