DE2353974C3 - Turbo-elektrische Schiffsantriebsanlage mit einer drehzahlregelbaren schweren Gasturbine - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine turbo-elektrische Schiffsantriebsanlage mit einer zweiwelligen drehzahl· regelbaren Schweren Gasturbine als Energieer/euger, einem mechanisch mit der Turbine gekuppelten Synclironfahrgenerator und einem vom Pulsgenerator gespeisten Synchron- oder Asynchronpropellermotor, der über eine Welle einen Peslpropellcr antreibt, wobei oberhalb einer der Turbinenmindestdrehzahl entsprechenden l'ropellerdrehzahl mit frec.uenzproportionalcr Drehzahleinstellung und unterhalb dieser Propellerdrehzahl im Schiupibetrieb mit Drehzahleinstellung über die Spannung gefahren wird. ss

Ls sind verschiedene turbo-elektrische Schiffsaniriebsanlagen mit einer zweiwelligen Schweren Gasturbine als F.nergie-Lrzeuger bekannt, Bei einer solchen ausgeführten Anlage ist die Turbine mit einem Synclironfahrgenerator mechanisch gekuppeil. Der <«> Synchrongenerator speist den l'ropellcrmotor, der ein Synchron- oder Asynchronmotor sein kann. Dabei bilden l-'ahrgenerator und l'ropellermolor als elektrische Welle einen Getriebeersaiz. Wenn die Turbine ständig mit Nenndrehzahl lauft, muß als Propeller ein '>s Verstellpropeller vorgesehen sein, der die Regelung der Schiffsgeschwindigkeit und das Umsleuern durch Verstellung der Propellerflügel ermöglicht (Zeitschrift »Shipbuilding and Shipping Record« vom 16.2. 1973, Seite 15 bis 19). Verstellpropeller sind aber nur bis zu bestimmten Leistungen, ca. 40 000 PS, wirtschaftlich einsetzbar.

Bei zweiwelligen drehzahlregelbaren Schweren Gasturbinen mit freilaufender Arbeitsturbine kann in Schiffsantriebsanlagen der eingangs genannten Art (Technische Rundschau v. 11.8. 72, Seiten 27, 29) die Drehzahl im Bereich zwischen 50 und 100% durch die Turbinendrehzahl und damit durch die Frequenz des Generators eingestellt werden. Kleine Drehzahlen zwischen 0 und 50% werden durch Schlupfregelung der Motoren über Spannungsverstellung der Generatoren eingestellt. In diesem Bereich treten erhöhte Schlupfverlusie in den Motoren auf. Der Schlupfbetrieb bei kleinen Propellerdrehzahlen ist deshalb erforderlich, weil die Gasturbine eine Mindestdrehzahl, die vom Turbinentyp abhangt, nicht unterschreiten kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schlupfverluste im unteren Drehzahlbereich zu reduzieren.

Aussehend von einer turbo-elektrischen Schiffs&ntriebsanlage der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemaß dadurch gelöst, daß im Bereich des Schlupfbetriebes die Turbinendrehzahl als Funktion der Propellerdrehzahl so geregelt ist, daß bei steigender Propcllerdrch/.ahl die Turbinendrehzahl in der Weise zurückgeht, daß die von der Turbine abgegebene Leistung, bestehend aus Schlupfleistung, Stiinderverlusileistung und abgegebener Leistung des Propellermotors dicht über der minimalen Leistungsgrenze der Turbine liegt, wobei die minimale Leistungsgrenze die drehzahlabhängige Mindestleistung angibt, die einen stabilen Betrieb ermöglicht.

Die Erfindung nutzt die Tatsache, daß eine kleinere Turbinenmindestdrehzahl gewählt werden kann, wodurch sich die Schlupfvcrluste vermindern lassen, wenn eine bestimmte minimale Leisiungsabnahme sichergestellt ist.

Die gute Regelbarkeit einer derartigen Anlage kann noch dadurch verbessert werden, daß gleichzeitig jede Propellerdrehzahl vom Stillstand bis zu einer Drehzahl entsprechend der Turbinenmindestdrehzahl durch eine einer Propellcrdrehzahlregelung unterlagerte Spannungsregelung im Schlupfbetrieb angesteuert wird. Darüber hinaus kann in an sich bekannter Weise als Istwert der Generatorspannungsregelung der Quotient aus dem Generatorspannungsistwert und dem Frequenzistwert dienen.

Die Schiffsantriebsanlage nach der Erfindung ist damit in allen Drchzahlbereichcn und Fahrtbereichen gut regelbar und auch für große Leistungen geeignet.

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

Fig. I im Blockschaltbild den Regelkreis für den .Schlupfbetrieb,

I·' i g. 2 die Leistungskurven.

I·" i g. 3 den Schlupfbetrieb im Diagramm und

I·'i g. 4 eine weitere Ausführungsform des Blockschaltbildes für den Schlupfbetrieb.

Fs soll vorausgeschickt werden, daß die Schiffsantriebsanlage nach der Erfindung eine zweiwellige, drehzahlregelbare Schwere Ciasturbine als Energie-Erzeuger aufweist. Im oberen Propellerdrehzahlbereich beeinflußt die Drehzahl der Turbine die Propellerdrehzahl proportional. Eine Drehzahlerhöhung der Turbine bedeutet eine Frequcnzerhöhung des Fahrgeneralors. Über den Erregerstrom wird die Generatorankerspan-

nung so beeinflußt, daß ein konstanter Wert für das Verhältnis Generatorspannung/Generatorfrequenz eingestellt wird. Das bedeutet, daß bei vollem Fluß im Fahrmotor unveränderte Antriebsmomente an der Propellerwelle zur Verfügung stehen. Diese Regelung gilt bis hinab zur Mindestdrehzahl der Schweren Gasturbine.

Diese minimale Drehzahlgrenze liegt b»\ etwa 0,33 πγ,κ,,π, wobei nj„_L,_nn die Nenndrehzahl der Turbine ist. Wird 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 im unteren Propellerdrehzahl-Bereich sind zwei kritische Punkte zu beachten: Zum einen dürfen die Rotorschlupfverluste die Rotornennverluste des Motors nicht wesentlich überschreiten (s. Fig. 3), zum anderen können bei der Gasturbine bestimmte Turbinendrehzahlen nur eingeregelt werden, wenn die abgegebene Leistung über der minimalen Leistungsgrenze liegt. Diese minimale Leistungsgrenze ist in Fig. 2 als Funktion der Turbinendrehzahl (in % der Nenndrehzahl) eingetragen.

Damit nun die Rotorschlupfverluste die Rotornennverluste nicht vesentlich überschreiten, müßte mit möglichst kleiner Turbinendrehzahl gefahren werden, also bei der minimalen Turbinendrehzahlgrenze von z. B. 0,33 iiTnan- Eine Regelung auf konstante Turbinendrehzahl von 0,33 iiTnenn für das Fahren des Motors bei Schlupfdrehzahlen im unteren Drittel des Fahrtbereiches ist jedoch nicht möglich, denn die Turbinendrehzahl würde jeweils zu dem Punkt auf der minimalen Leistungsgrenze hindriften (von « 0,56 ητηαη bis zu 0,33 ητηαη), der leistungsmäßig der aufgenommenen Motorleistung (gleich der Summe aus Schlupfverlustleistung und abgegebener Propellerleistung) entspricht.

Das ungeregelte Driften der Turbinendrehzahl führt bei Laststößen zu unerwünschten Drehzahlschwingungen. Da sich die minimale Leistungsgrenze im Bereich von ca. 0,3 nmenn bis 0,36 nmcnn kaum ändert, bedeutet ein Laststoß in diesem Bereich eine große Turbincndrehzahlvcrringerung. Wegen der hohen Turbinen/.eiikonstanten kann das zur Unterschreitung der minimalen Drehzahl führen, da die schnelle Drehzahländerung nicht mehr abgefangen werden kann.

Dieses Schwingen der Turbinendrehzahlcn und ein Unterfahren des Grenzbereiches wird vermieden, wenn die Turbinendrehzahl als Funktion der Propellerdrehzahl so geregelt wird, daß die abgegebene Turbinenleistung stets etwas über der minimalen 1 cistungsgrenze liegt, jedoch soll diese möglichst wenig überschritten werden, damit die Rolorschlupfverluste gering bleiben.

In F i g. 2 ist beispielsweise als Turbinenausgangsdrehzahl 0,66 ηr„enn gewählt. Danvt ergibt sich die folgende Beziehung:

η ι = 0,66 η man - n,,,,,,,

Damit liegt die abgegebene Turbinenleistung über der minimalen Leistungsgrenze. Durch entsprechend langsame Sollwertvorgabe der Propellerdrehzahl regelt die Tiirbinendrehzahl unkritisch nach. F i g. 3 zeigt, daß bei der vorgenannten Regelung der Tiirbinendrehzahl die Rolorsclilupfverlusie die Rotornennverliisie nicht wesentlich überschreiten.

Im Ausführungsbeispiel nach I·" i g. I isl iiui ti eine Schwere Gasturbine bezeichnet, die über eine Welle 1 3 einen Synchronfahrgencrator 12 antreibt. Die Ttirbinendrehzahl 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 s Festpropeller 23 antreibt. Ferner ist an der Propellerwelle 22 ein Tachogenerator 24 angeschlossen.

Ein Wert für die Turbinenausgangsdrehzah! von beispielsweise 0,66 ητnan (F i g· 2) ist an einem Sumrnierungspunkt 31 fest als erster Sollwertanteil vorgegeben.

κ. Als zweiter Sollwertanteil wird die Drehzahl des Propellers /?,„„,,„, herangezogen. Das vom Summierungspunkt 31 ausgegebene Signal stellt demnach die Differenz zwischen der Propelleristdrehzahl und 0,66 ηrnenn dar. Dieses Signal dient dem folgenden

is Turbinendrehzahlregler 32 als Turbinendrehzahlsollwert riTsiM dem vom Tachogenerator 16 der Turbinendrehzahlistwert nr.,_s, zugeführt wird. Aus dem Vergleich der beiden Signale ergibt sich die Regelabweichung Δηγ, die einem Block 33 vorgegeben wird, der ein Stellsignal zur Veränderung der Brennstoffzufuhr der Turbine ausgibt. Das geschieht in der Weise, daß mit der Erhöhung des Propellerdrehzahlistwertes die Turbinendrehzahl langsam von 0,66 n_Tnan auf einen kleineren Drehzahlwert zuläuft, aber oberhalb der kritischen Turbii.enleistungsgrenze bleibt.

Ein Rechenbeispiel soll diesen Vorgang verdeutlichen. Die Propellerdrehzahl wird langsam von iipmpM = Null auf beispielsweise n_/)mp,₅, = 0,10 gesteigert. Damit steht am Summierungspunkt 31 ein Istwertsignal n_propisi = 0,10 an bei einer festen Sollwertvorgabe von 0,66 nrncnn· Damit wird sich der Turbinendrchzahlsollwert nrsoii langsam von 0.66 nach 0,56 entsprechend der geänderten Istwerteingabe, hin verändern. Das am Ausgang des Reglers 32 erschcinende Signal wird dem Block 33 zugeführt, dessen Steilsignal jetzt die Brennstoffzufuhr der Turbine so festhält, daß die Turbinendrehzahl oberhalb der kritischen Leistungsgrenze der neuen Drehzahl von 0,56 η τ nenn zuläuft. Bei weiterer Steigerung der Pmpellerdrehzahl läuft in dieser Weise die Turbinendrehzahl langsam und geregelt auf den Minimalwert von 0,33 η r nenn ZU.

Wie bereits vorstehend angedeutet, wird die Propellerdrehzahl über den Schlupf des Fahrmotors

4s geregelt. Die Propelleristdrehzahl wird gleichzeitig mit der Eingabe auf den Summierungspunkt 31 auch einen Propellerdrehzahlregler 34 als Istwert vorgegeben, wobei die Sollwertvorgabe zumeist vom Maschinentelcgraphcn erfolgt. Die Regelabweichung Δη,,,-,ψ wird in

so einen Block 35 eingegeben, dessen ausgegebenes Stellsignal einem Spannungsregler 36 als Sollwert dient. Als Istwert (7(,-.„, wird von einem Spannungswandler 25 ein der Generatorspannung proportionaler Wert abgenommen und ebenfalls dein Regler 36 zugeführt.

ss Die Regelabweichung ΔUc wird von einem Block 37 aufgenommen, der ein Stellsignal //.- für einen Erregerglcichrichtcrsatz 15 der Erregerwicklung 14 des Fahrgenerators 12 ausgibt. Damit wird über den Erregerstrom die Spannung im Ankerkreis des Fahr-

Ίο generators verstellt.

Wenn noch einmal das Beispiel der Istwerteingabe einer Propellerdrehzahl von n_nn,,,_M = ⁽⁾ herangezogen wird, so bedeutet die Differenz /wischen dem vom Maschinentülegraphen vorgegebenen Sollwert n,„,,,,..,,ii

(>s tind Hp₁₁₁,,μ = 0 eine hohe Sollwertvorgabe für den Spannungsregler 36. Damit ergibt sich eine große Regelabweichung. Das bedeutet für den Erregerstroni in der Erregerwicklung 14 des l-'ahrgcncrators 12 eine

Erhöhung, die aber eine Spannungserhöhung im Ankerkreis des Fahrgenerators zur Folge hat. Damit wird der Schlupf im Propellermotor 21 im Sinne einer höheren Drehzahl verstellt, was wiederum eine Erhöhung der Propelleristdrehzahl bedeutet. Damit ergibt sich am Summierungspunkt 31 und am Regler 34 eine Vergrößerung der Islwertvorgabe. Diese wirkt über den Regler 32 auf die Turbinendreh/.ahl derart ein, daß bei langsamer Veränderung die Turbinendrehzahl ebenso langsam und oberhalb der kritischen Leistungsgrenze in Richtung auf die Turbinenmindestdrehzahl von 0,33 ητnenn 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 nmcnn hochgefahren ist. Die Turbinendrehzahl ist dann stets oberhalb der kritischen Leistungsgrenze bleibend von 0,66 flrmvmauf 0,31 /7m™i abgesunken.

Da aus Redundanzgründen häufig die Motorantriebslcistung 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. Es ist aber auch möglich, derartige Antriebsanlagen so auszulegen, daß die Motorantriebslcistung nicht zur Hälfte auf die beiden Gasturbinengeneralorsätze aufgeteilt ist. Damit stünde ein Hauptfahraggregat und ein Hilfsaggrcgat geringerer Leistung, z. B. für den »takehomc-Bctrieb« bei Ausfall des 'Hauptaggregates zur Verfügung. Hier ist nun der Fall denkbar, daß bei Ausfall des Fahraggregates das Anfahren des Motors aus dem Stand mit dem verbiiebenden Hilfsaggrcgat, dessen Belastbarkeit wesentlich geringer ist, erfolgen muß.

Für diesen Betriebsfall hai sich die Rcgclungsdynamik einer Schaltungsanordnung nach Fig. 4 als günstig erwiesen. Hierin wird die Regelabweichung Δπ_ρηψ von Propcllcrsollwcrt und Propclleristwert als Sollwertvorgabe für eine Spannung/Frequenz-Regelung benutzt. Als Istwert wird aus der Turbinenistdrehzahl, die zugleich der Generatorfrequenz proportional ist. und

ίο dem Gencraiorspannungsistwert der Quotient

U₁

G ist

Jl! ist

gebildet. Am Spannungsregler 36 nach F i g. 4 steht als Sollwert die Regelabweichung An_pmp an. Vom Tachogenerator 16 der Turbine wird der der Generatorfrequenz proportionale Turbinendrehzahlistwert dem Quotientenbildner 38 eingegeben, vom Spannungswandler 25 steht der Generatorspannungsistwert an. Aus diesen beiden Werten wird der Quotient

gebildet und als Istwert 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 Istwertvorgabc und für den Reglerausgang eine kleinere Regelabweichung, die über den Erregergleichrichtersatz 15 auf die Erregerwicklung 14 des Fahrgenerators 12 einwirkt.

is Damit verkleinert sich der Erregerstrom und die Spannung im Ankerkreis. Im Propellermotor wird der Schlupf im Sinne kleinerer Rotordrehzahlen verstellt und damit eine Entlastung der Turbine bewirkt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

ι Jo'

Claims (2)

Pa'entansprüche:

1. Turbo-elektrische Schiffsantriebsanlage mit einer zweiwelligen drehzahlregelbare! '"hweren Gasturbine als Energie-Erzeuger, einem . nanisch mit der Turbine gekuppelten Synchroni.iiirgenerntor und einem vom Fahrgcneralor gespeisten Synchron- oder Asynchronpropellermotor, der über eine Welle einen Festpropeller antreibt, wobei oberhalb einer der Turbinenmindesidrehzahi einsprechenden Propellerdrehzahl mit frequenz-proportionaler Drehzahleinstellung und unterhalb dieser Propellerdrehzahl im Schlupfbetrieb mit Drehzahleinstellung über die Spannung gefahren wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Schlupfbetriebes die Turbinendrehzahl als Funktion der Propellerdrehzahl so geregelt ist, daß bei steigende! Propolierdrehznh! die Turbinendrehzahl in der Weise zurückgeht, d;iß die von der Turbine abgegebene Leistung, bestehend aus Schlupfleistung, Ständerverlustleistung und abgegebener Leistung des Propellermotors, dicht über der minimalen Leistungsgrenze der Turbine liegt, wobei die minimale Leistungsgrenze die drchzahlabhängige Mindestleistung angibt, die einen stabilen Betrieb ermöglicht.

2. Turbo-elektrische Schiffsantricbsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Propellerdrehzahl vom Stillstand bis zu einer Drehzahl entsprechend der Turbinenmindestdrehzahl durch eine einer Propcllerdrehzahircgelung unterlagerte Spannungsregelung i.n Schlupfbetrieb ansteuerbar ist.

J. Turbo-clekinsche Schiffsantriebsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Istwert der Generatorspannungsregelung der Quotient aus dem Gencnuorspamiungsistwert und dem Requenzistwert dient.

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