DE2816126C3 - Method for starting and reversing a gas turbo-electric propulsion system for icebreaking vessels - Google Patents
Method for starting and reversing a gas turbo-electric propulsion system for icebreaking vesselsInfo
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Abstract
Beim Propelleranfahren bei grossem Gegendrehmoment sowie zum Abbremsen des vorausdrehenden Propellers zwecks Umsteuerns wird die Minimalleistung der Gasturbine fest vorgegeben. Die Drehstromwicklung von Synchrongenerator und Synchron- oder Asynchronpropellermotor wird mittels beider Schalter kurzgeschlossen und die Erregung des Synchrongenerators so eingestellt, dass die Generatorfrequenz und die Drehzahl der Gasturbine auf geringe Werte absinken. Nach Verbindung der Drehstromwicklungen von Synchrongenerator und Synchron- oder Asynchronpropellermotor durch Aufhebung des Kurzschlusses wird eine Erhoehung des Drehmomentes der Gasturbine durch Erhoehen der Brennstoffvorgabe eingestellt und die Generatorspannung geregelt. Das Verfahren erlaubt ein beliebig haeufiges Anfahren und Umsteuern des Propellers. Trotz der erforderlichen hohen Drehmomente muss die Anlage nicht ueberdimensioniert werden und ist daher wirtschaftlich und preisguenstig. zahl von Neigungsmessgeraeten entlang der gesamten Riser-LaengWhen starting the propeller with a large counter torque and when braking the propeller rotating in front in order to reverse the direction, the minimum power of the gas turbine is fixed. The three-phase winding of the synchronous generator and the synchronous or asynchronous propeller motor are short-circuited using both switches and the excitation of the synchronous generator is set so that the generator frequency and the speed of the gas turbine drop to low values. After connecting the three-phase windings of the synchronous generator and the synchronous or asynchronous propeller motor by removing the short circuit, an increase in the torque of the gas turbine is set by increasing the fuel setting and the generator voltage is regulated. The process allows the propeller to be started and reversed as often as required. Despite the high torques required, the system does not have to be over-dimensioned and is therefore economical and inexpensive. number of inclination measuring devices along the entire riser length
Description
sinkt, wobei sKipp der Kippschlupf und fNe„„ die Nennfrequenz ist.where s Kipp is the tilt slip and f Ne "" is the nominal frequency.
3. Verfahren nach Anspruch 1 unter Verwendung eines Asynchronpropellermotors, dadurch gekennzeichnet, daß nach Aufhebung des Kurzschlusses die Generator Erregung stcßartig vergrößert wird.3. Method according to claim 1 using an asynchronous propeller motor, characterized in that after the short circuit has been eliminated, the generator excitation is increased abruptly.
4. Verfahren nach Anspruch 1 unter Verwendung eines Asynchronpropellermotors, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmoment der Gasturbine so erhöht wird, daß der Schlupf unterhalb eines Grenzwertes4. Method according to claim 1 using an asynchronous propeller motor, characterized in that the torque of the gas turbine is increased so that the slip is below a limit value.
65 Sgnm = sKlpp (f) ~ &Dgr; S 65 Sgnm = s Klpp (f) ~ &Dgr; S
bleibt, worin sKipp(f) den Kippschlupf in Abhängigkeit der Frequenz und &Dgr; s einen Sicherheitsabstand zum Kippschlupf bedeuten.remains, where s Kipp (f) is the tipping slip as a function of frequency and Δ s is a safety margin to the tipping slip.
5. Verfahren nach Anspruch 1 unter Verwendung eines Asynchronpropellermotors, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmoment der Gasturbine so erhöht wird, daß ein vorgegebener Stromgrenzwert5. Method according to claim 1 using an asynchronous propeller motor, characterized in that the torque of the gas turbine is increased so that a predetermined current limit value
'g'G
'Kipp'Tilt
nicht überschritten wird.is not exceeded.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 zum Umsteuern aus Vorausfahrt unter Verwendung eines Asynchronpropellermotors, dadurch gekennzeichnet, daß nach Einstellen der kleinstmöglichen Generatordrehzahl im Kurzschluß und nach Erreichen der Schleppdrehzahl des Propellermotors die Phasenlage zwischen Generator (3) und Motor (6) getauscht und der Kurzschluß aufgehoben wird, daß die Generatorerregung so eingestellt wird, daß die Motordrehzahl auf Null sinkt und der Motor (6) in Rückwärtsrichtung anläuft und daß das Drehmoment der Gasturbine (1) durch die Brennstoffvorgabe so erhöht wird, daß die Drehzahl des Generators (3) auf den untersten Betriebswert gebracht und während des Anlaufvorganges auf diesem Wcrl gehalten wird.6. Method according to claims 1 to 3 for reversing from forward travel using an asynchronous propeller motor, characterized in that after setting the smallest possible generator speed in the short circuit and after reaching the towing speed of the propeller motor, the phase position between generator (3) and motor (6) is swapped and the short circuit is removed, that the generator excitation is set so that the motor speed drops to zero and the motor (6) starts up in the reverse direction and that the torque of the gas turbine (1) is increased by the fuel specification so that the speed of the generator (3) is brought to the lowest operating value and is kept at this value during the start-up process.
7. Verfahren nach Anspruch I unter Verwendung eines Synchronpropellcrmotors, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Drehstromwicklungen von Motor (6) und Generator (3) durch Aufhebung des Kurzschlusses dieser Wicklungen in Abhängigkeit von der Polradlage des Generators in Bezug auf den Motor erfolgt.7. Method according to claim 1 using a synchronous propeller motor, characterized in that the connection of the three-phase windings of the motor (6) and generator (3) is carried out by removing the short circuit of these windings depending on the position of the magnet wheel of the generator in relation to the motor.
8. Schaltungsanordnung zur Ausführung der Schaltmaßnahmen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten beiden Schalter (4,5) zweipolig sind und daß ein dritter Schalter (10) vorgesehen ist, der zweipolig ist, zu dessen Polen jeweils ein Widerstand (11,12) in Reihe geschaltet ist derart, daß beim Schließen des ersten und dritten Schalters (4,10) oder des zweiten und dritten Schalters (5, 10) zwei zweisträngige Kurzschlüsse über Widerstände zwischen jeweils zwei Strängen der Drehstromwicklungen eingeschaltet sind (Fig. 1).8. Circuit arrangement for carrying out the switching measures according to claim 1, characterized in that the first two switches (4, 5) are two-pole and that a third switch (10) is provided which is two-pole, with a resistor (11, 12) connected in series to each pole in such a way that when the first and third switches (4, 10) or the second and third switches (5, 10) are closed, two two-phase short circuits are switched on via resistors between two phases of the three-phase windings (Fig. 1).
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Schalter (10) vorgesehen ist, der dreipolig ist, zu dessen Polen jeweils ein Widerstand (13,14,15) in Reihe geschaltet ist derart, daß beim Schließen des ersten und dritten Schallers (4, 10) oder des zweiten und dritten Schalters (5,10) ein dreisträngiger Kurzschluß über Widerstände zwischen den Strängen der Drehstromwicklungen eingeschaltet ist (Fig. 2).9. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that a third switch (10) is provided which is three-pole, with a resistor (13, 14, 15) connected in series to each pole in such a way that when the first and third switches (4, 10) or the second and third switches (5, 10) are closed, a three-phase short circuit is switched on via resistors between the phases of the three-phase windings (Fig. 2).
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.The invention relates to a method according to the preamble of the main claim.
Bislang wurden Eisbrecher mit Gleichstromantrieben ausgerüstet. Bei den für die Zukunft konzipierten Schiffen mit Wellenleistungen der Propeller von 000 WPS je Welle und höher würden aur diese Leistungen ausgelegte Glcichstrommaschincn jedoch viel zu groß, zu schwer und zu teuer werden.Until now, icebreakers have been equipped with direct current drives. However, for ships designed for the future with propeller shaft powers of 1,000 WPS per shaft and higher, direct current engines designed for these powers would be far too large, too heavy and too expensive.
Bei Drehstromantrieben konventioneller Bauart für normale Schiffe unter Verwendung eines Synchronpropellermptors oder eines Asynchronpropellermotors mitFor conventional three-phase drives for normal ships using a synchronous propeller motor or an asynchronous propeller motor with
Schlupfbetrieb stehen vom Stillstand bis zur kleinsten einstellbaren Frequenz, die durch minimale Drehzahl der Gasturbine von ca. 33% bis 40% ihrer Neandrehzahl bedingt ist, nur Aialaufmomente bis ca. 80% des Nennmomentes zur Verfügung. Die für den Betrieb eines eis- S brechenden Schiffes geforderten Drehmomente von ca. 130% bis 160% des Nennmomentes und höher konnten ohne Überdimensionierung der Maschinen nicht aufgebracht wc-den. Dann aber würden die Maschinen wiederum zu groß und zu teuer sein. Ohne erhebliche Überdimensionierung wäre eisbrechender Betrieb gar nicht möglich; denn bei normaler Auslegung wären infolge der hohen Schlupfverluste nur eine geringe Anzahl von Anfahrmanövern pro Stunde zulässig, ohne daß die Maschinen thermisch überlastet würden. Stoßartige Überlast bei dauernden Wechseln von Freifahrt zu Eisfahrt und eine hohe Anzahl von Anfahr- und Reserviermanövern ist jedoch bei einem eisbrechenden Schiff notwendig.In slip mode, only starting torques of up to approx. 80% of the nominal torque are available from standstill to the smallest adjustable frequency, which is determined by the minimum speed of the gas turbine of approx. 33% to 40% of its base speed. The torques of approx. 130% to 160% of the nominal torque and higher required for the operation of an ice-breaking ship could not be achieved without over-dimensioning the machines. But then the machines would be too big and too expensive. Without significant over-dimensioning, ice-breaking operation would not be possible at all; because with a normal design, only a small number of starting maneuvers per hour would be permissible due to the high slip losses without the machines being thermally overloaded. However, sudden overloading during constant changes from free travel to ice travel and a high number of starting and reserving maneuvers are necessary for an ice-breaking ship.
Im Jahrbuch STG, 67. Band, 1973, Seiten 211-228 wird über Untersuchungen an gas-turbo-elektrischen Propellerantrieben berichtet, bei denen eine leichte oder schwere Gasturbine einen Synchrongenerator direkt antreibt, der wiederum mit einem Propellermotor elektrisch verbunden ist. Dieser kann ein Synchron- oder ein Asynchronmotor sein. Insbesondere ging es bei den Untersuchungen um das Verhalten der einzelnen Komponenten des Antriebskreises während des Anfahrens, Abbremsens und Umsteuerns.The STG yearbook, Volume 67, 1973, pages 211-228, reports on investigations into gas-turbo-electric propeller drives in which a light or heavy gas turbine directly drives a synchronous generator, which in turn is electrically connected to a propeller motor. This can be a synchronous or an asynchronous motor. In particular, the investigations focused on the behavior of the individual components of the drive circuit during starting, braking and reversing.
Aus der DE-PS 9 72 689 ist ein Verfahren zum Umsteuern eines elektrisch angetriebenen Schiffes bekannt, bei dem Propellermotoren von Kraftwerksgeneratoren angetrieben werden. Als Kraftwerksmaschinen werden Dampfturbinen oder Dieselmotoren genannt. Zum Umsteuern werden Generator und Motor entregt, die Ständerwicklungen elektrisch voneinander getrennt und die Ständerwicklung des Propellermotors auf einen Widerstand geschaltet oder kurzgeschlossen und der Motor wieder erregt. Durch die Widerstandsbremsung sinkt die Schiffsgeschwindigkeit auf einen vorbestimmten Wert, wonach Generator und Motor abermals entregt, der Widerstand vom Ständer des Motors abgeschaltet und durch Phasenumschalter Generator und Motor elektrisch wieder verbunden werden. Wenigstens der Generator wird wieder erregt. Durch Gegenstrombremsung wird jetzt der Motor zum Stillstand kommen und in umgekehrter Drehrichtung hochlaufen. Während der Widerstandsbremsung wird der Drehzahlregler der Kraftwerksmaschine auf den Drehzahlwert eingestellt, mit dem der Propellermotor in umgekehrteir Drehrichtung wieder anlaufen soll. Durch die Trennung des Motors vom Generator während der Widerstandsbremsung kann der Bremswiderstand kleiner bemessen werden, weil er nur die Propellerleistung aufzunehmen hat. Die Drehzahl des Kraftwerksgenerators wird durch die ohne Dampfzufuhr arbeitende Kraftwerksmaschine langsam abgesenkt. Für Schiffe mit gegebenenfalls vielen Umsteuervorgängen innerhalb kurzer Zeit ist dieses bekannte Verfahren zu langsam. 6UDE-PS 9 72 689 describes a method for reversing an electrically driven ship, in which propeller motors are driven by power plant generators. Steam turbines or diesel engines are referred to as power plant machines. To reverse, the generator and motor are de-energized, the stator windings are electrically separated from one another and the stator winding of the propeller motor is connected to a resistor or short-circuited and the motor is re-energized. The resistance braking causes the ship's speed to drop to a predetermined value, after which the generator and motor are de-energized again, the resistor from the stator of the motor is switched off and the generator and motor are re-energized electrically by a phase switch. At least the generator is re-energized. The motor will now come to a standstill through countercurrent braking and start up in the opposite direction of rotation. During the resistance braking, the speed controller of the power plant machine is set to the speed value at which the propeller motor should start up again in the opposite direction of rotation. By separating the engine from the generator during resistive braking, the braking resistance can be made smaller because it only has to absorb the propeller power. The speed of the power plant generator is slowly reduced by the power plant engine operating without a steam supply. For ships that may have to make many reversing maneuvers within a short period of time, this known method is too slow. 6U
Zum Stand der Technik wird weiterhin folgende Literatur genannt: Aufsatz über den Ostsee-Eisbrecher »Hanse« in der Zeitschrift »Schiff und Hafen« 1967, Heft 3, Seite 156 ff; Aufsatz »Arctic Tanker« Marine technology July 1971, Seite 361 ff.The following literature is also cited on the state of the art: Article on the Baltic Sea icebreaker "Hanse" in the magazine "Schiff und Hafen" 1967, issue 3, page 156 ff; Article "Arctic Tanker" Marine technology July 1971, page 361 ff.
Wenn beispielsweise für eine Antriebsanlage für eisbrechende Polargastanker mit einer Gesamtantriebsleistung von 150 000 WPS, verteilt auf drei Wellen, und als Primärantrieb leichte Split-Shaft-Gasturbinen eingesetzt werden sollen, die mechanisch direkt mit Synchrongeneratoren gekuppelt sind und diese wiederum elektrisch mit Synchron- und Asynchronpropellermotoren verbunden sind, so sind die bekannten Antriebsanlagen hierfür nicht ohne weiteres einsetzbar.If, for example, a propulsion system for ice-breaking polar gas tankers with a total propulsion power of 150,000 WPS, distributed over three shafts, and light split-shaft gas turbines are to be used as the primary drive, which are mechanically coupled directly to synchronous generators and these in turn are electrically connected to synchronous and asynchronous propeller motors, the known propulsion systems cannot be used for this purpose without further ado.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anlage zu schaffen, dsren Antrieb nicht überdimensioniert ist, jedoch ein beliebig häufiges Anfahren des Propellers ermöglicht (Eisbrechen durch Gegenanfahren), ohne daß der Motor thermisch überlastet wird. Da die Drehzahl der Gasturbine nur bis auf ca. 30% bis 40% ihrer Nenndrehzahl herab regelbar ist (nrmiB), im unteren Drehzahlbereich The object of the invention is to create a system whose drive is not over-dimensioned, but which allows the propeller to be started as often as desired (breaking ice by counter-starting) without the engine being thermally overloaded. Since the speed of the gas turbine can only be regulated down to approx. 30% to 40% of its nominal speed (n rmiB ), in the lower speed range
(nT <nT m,„) (n T <n T m ,”)
jedoch ein hohes Drehmoment
(Md > Md Nmn) but a high torque
(M d > M d Nmn )
zur Verfügung stehen soll, muß ein besonderes Anfahr- und Umsteuerverfahren gefunden werden.is to be available, a special starting and reversing procedure must be found.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden die im Kennzeichen des Hauptanspmches genannten Merkmale angegeben. To solve this problem, the features mentioned in the characterizing part of the main claim are specified.
Das Verfahren gemäß der Erfindung erlaubt ein beliebig häufiges Anfahren und Umsteuern des Propellers. Trotz der erforderlichen hohen Drehmomente muß die Anlage nicht überdimensioniert werden und ist daher wirtschaftlich und preisgünstig.The method according to the invention allows the propeller to be started and reversed as often as required. Despite the high torques required, the system does not have to be over-dimensioned and is therefore economical and inexpensive.
In der Zeichnung sind Anlagenbeispiele nach der Erfindung dargestellt. Die Fig. 1 und 2 zeigen je einen Antriebssatz für eine Propellerwelle mit unterschiedlichen schaltungstechnischen Maßnahmen.The drawing shows examples of systems according to the invention. Figures 1 and 2 each show a drive set for a propeller shaft with different circuitry measures.
In Fig. 1 ist eine leichte Gasturbine 1 über eine Antriebswelle 2 mit einem Synchrongenerator 3 starr gekuppelt. Der Synchrongenerator 3 ist mit einem Synchron- oder Asynchronpropellermotor 6 elektrisch durch die Leitungen RISIT verbunden. In den Leitungen RIS sind Schalter 4 und 5 angeordnet. Sie dienen in bekannter Weise dem Reversierbetrieb durch Phasentausch. Der Schalter 4 ist bei Vorausfahrt eingeschaltet, der Schalter 5 bei Rückwärtsfahrt.In Fig. 1, a light gas turbine 1 is rigidly coupled to a synchronous generator 3 via a drive shaft 2. The synchronous generator 3 is electrically connected to a synchronous or asynchronous propeller motor 6 via the RISIT lines. Switches 4 and 5 are arranged in the RIS lines. They are used in a known manner for reversing operation by phase exchange. Switch 4 is switched on when driving forward, switch 5 when driving backward.
Um eine Kurzschlußbremsung realisieren zu können, sind zwei Widerstände 11,12 durch einen zweipoligen Schalter 10 zwischen die drei Phasen schaltbar.In order to be able to implement short-circuit braking, two resistors 11, 12 can be switched between the three phases using a two-pole switch 10.
Der Propellermotor 6 treibt über eine Antriebswelle 7 den Propeller 8 an. Je nach Größe der Antriebsanlage ist eine entsprechende Anzahl von Antriebssätzen vorgesehen. The propeller motor 6 drives the propeller 8 via a drive shaft 7. Depending on the size of the propulsion system, a corresponding number of drive sets is provided.
Die leichte Gasturbine 1 wird mittels eines nicht dargestellten Anwurfmotors angefahren und stellt sich bei unerregtem Generator 3 auf eine Leerlaufdrehzahl von ca. 30% bis 40% der Nenndrehzahl ein entsprechend ihrer Minimalleistungskennlinie.The light gas turbine 1 is started by means of a starting motor (not shown) and, when the generator 3 is not excited, adjusts itself to an idle speed of approximately 30% to 40% of the nominal speed in accordance with its minimum power characteristic.
Der Anfahrvorgang wird realisiert, indem je nach Anfahrrichtung des Propellermotors Schalter 4 oder 5 mit Schalter 10 eingelegt und damit der TurbogeneratorThe start-up process is carried out by engaging switch 4 or 5 with switch 10, depending on the direction of start of the propeller motor, and thus the turbo generator
gg
auf einen Kurzschluß über Widerstäggg
to a short circuit across resistors
g
de gefahren wirdG
de is driven
Zur Erzielung eines Anfahrens des Motors gegen große Losbrechmomente des Eisbrechens wird jetzt das Leistungsniveau des Gasturboaggregates erhöht, indem bei möglichst kleiner Drehzahl des Aggregates der Brennstoff der Turbine und die Erregung des Generators erhöht werden.In order to achieve engine start-up against the high breakaway torques of ice breaking, the power level of the gas turbo unit is now increased by increasing the turbine fuel and the generator excitation at the lowest possible unit speed.
Bei ca. 3 bis 6% der Drehzahl bzw. der Frequenz wird dann Schalter 10 geöffnet. In Abhängigkeit der relativenAt approximately 3 to 6% of the speed or frequency, switch 10 is opened. Depending on the relative
PolwinkeldifTerenz zwischen Motor und Generator (ca. O°bis 10° el) wird dann ein Zusynchronisieren von Motor zum Generator innerhalb einer Polteilung erreicht.Pole angle difference between motor and generator (approx. 0° to 10° el) then synchronization of motor to generator within one pole pitch is achieved.
Die weitere Steigerung der Propellerdrehzahl erfolgt durch Übergang zur Drehzahlregelung der Turbine. Die Spannung des Generators wird dabei auf einen WertThe further increase in the propeller speed is achieved by switching to the speed control of the turbine. The voltage of the generator is then set to a value
U ä U11n. ■ U ä U 11n . ■
/Nenn/Nominal
1010
1515
geregelt, gegebenenfalls wird die Erregung des Synchronpropellermotors so eingestellt, daß der Leistungsfaktor oder daß der Polradwinkel des Motors konstant ist.regulated, if necessary the excitation of the synchronous propeller motor is adjusted so that the power factor or the rotor angle of the motor is constant.
Bei Abstoppen des Schiffes und Umsteuern verläuft der Vorgang umgekehrt. Bei Abgabe eines Stoppkommandos werden Generator 3 und gegebenenfalls der Motor 6entregt bzw. die Erregung auf kleine Werte eingestellt. Die Turbinendrehzahlregelung wird abgelöst durch Festvorgabe der Minimalbrennstoffzufuhr.When the ship is stopped and the ship changes course, the process is reversed. When a stop command is given, generator 3 and, if applicable, engine 6 are de-energized or the excitation is set to low values. The turbine speed control is replaced by a fixed minimum fuel supply.
Durch Einlegen des Schalters 10 wird eine Kurzschlußbremsung für Generator und Motor erreicht. Mit den Schaltern 4und 5wird ein Phasentausch vorgenommen. Anschließend wird das Turbinendrehmoment erhöht und mit Erhöhung der Erregung des Generators die Drehzahl des Turboaggregates auf kleine Werte (3 bis 6% nN) gehalten.By engaging switch 10, a short-circuit braking is achieved for the generator and motor. Switches 4 and 5 are used to swap the phases. The turbine torque is then increased and the speed of the turbo unit is kept at low values (3 to 6% n N ) by increasing the excitation of the generator.
Durch Freischalten des Kurzschlusses unter Beachtung der Polradlagedifferenz von Motor und Generator wird dann eine Synchronisierung beider Maschinen erreicht.By isolating the short circuit while taking into account the rotor position difference of the motor and generator, synchronization of both machines is achieved.
Danach wird eine Drehzahlregelung der Turbine bei weiterer Erhöhung des Brennstoffes durchgeführt. Die Spannung wird dabei auf einen WertThe speed of the turbine is then regulated by further increasing the fuel. The voltage is set to a value
U &dgr; UNrm U δ U Nrm
JNennJNominal
geregelt.regulated.
Das Drehmoment hängt von der Polradlage des Generators in Bezug auf den Motor ab. Es erreicht bei Polradwinkeln von ca. 90° ein Minimum und sinkt dann, um bei Polradwinkeln zwischen 180° und 360° negativ zu werden. Es wird deshalb vorgesehen, den Kurzschluß der Drehstromwicklungen in Abhängigkeit von der Polradlage des Generators in Bezug auf den Motor so aufzuheben, daß das Drehmoment des Motors den Propeller in diesem Augenblick in der gewünschten Drehrichtung beschleunigt.The torque depends on the position of the generator's rotor in relation to the motor. It reaches a minimum at rotor angles of around 90° and then decreases to become negative at rotor angles between 180° and 360°. It is therefore planned to cancel the short circuit of the three-phase windings depending on the position of the generator's rotor in relation to the motor so that the motor torque accelerates the propeller in the desired direction of rotation at that moment.
Nach Beendigung des Einschaltvorganges durch Intrittfallen des Synchronpropelilermotors erfolgt die weitere Vergrößerung der Drehzaihlen von Generator und Propellermotor durch Erhöhung der BrennstoffVorgabe der Turbine. Das von der Gasturbine entwickelte Drehmoment dient zur Beschleunigung von Generator, Motor und Propeller und zur Überwindung des Gegendrehmomentes des Propellers. Dieses Propellerdrehmoment kann insbesondere bei Eisbrechern stark schwanken, da Eisschollen in den Propeller geraten können. Um während dieses Vorganges genügend Sicherheit gegen Außertrittfallen des Synchronpropellermotors zu haben, ist vorgesehen, die Erhöhung der Brennstoffvorgabe der Turbine so zu begrenzen, daß vorgegebene Polradwinkel des Generators in Bezug auf den Motor nicht überschritten werden.After the switch-on process has been completed by the synchronous propeller motor falling into step, the speed of the generator and propeller motor is increased further by increasing the fuel supply to the turbine. The torque developed by the gas turbine serves to accelerate the generator, motor and propeller and to overcome the counter torque of the propeller. This propeller torque can fluctuate greatly, particularly in icebreakers, as ice floes can get caught in the propeller. In order to have sufficient security against the synchronous propeller motor falling out of step during this process, the increase in the fuel supply to the turbine is limited so that the specified rotor angle of the generator in relation to the motor is not exceeded.
Der Abbremsvorgang der Turbine und ihre Leistungserhöhung bei kleiner Drehzahl wird nach Fig. 1 mit einem zweipoligen Schalter 10 durchgeführt. Das bedeutet eine geringfügig unsymmetrische Kurzschlußbelastung für Generator und beim Reversieren auch für den Motor. Durch einen dreipoligen Schalter 10 mit drei in Reihe zu den Schalterpolen liegenden Widerständen 13,14,15 nach Fig. 2 wird ein günstigerer Abbremseffekt erreicht.The braking process of the turbine and its increase in power at low speed is carried out with a two-pole switch 10 as shown in Fig. 1. This means a slightly asymmetrical short-circuit load for the generator and also for the motor when reversing. A more favorable braking effect is achieved by using a three-pole switch 10 with three resistors 13, 14, 15 in series with the switch poles as shown in Fig. 2.
Bei Verwendung eines Asynchronmotors ist zu beachten, daß er wohl überlastbar ist, daß aber das Lastmoment nicht größer werden darf als das Kippmoment des Motors. Um ein großes Anfahrmoment zu erreichen, wird die Anfahrregelung so ausgelegt, daß der Kippschlupf Sicipp des Propellermotoirs nicht überschritten wird. Nach Einschalten des Kurzschlusses für Motor und Generator und Festvorgabe der Minirnalbrer.nstoffmenge an die Turbine wird dazu die Generatorerregung so geregelt, daß die Generatorfrequenz annähernd auf sKl„ ■ fNem sinkt.When using an asynchronous motor, it must be noted that it can be overloaded, but that the load torque must not be greater than the breakdown torque of the motor. In order to achieve a high starting torque, the starting control is designed so that the breakdown slip Sicipp of the propeller motor is not exceeded. After switching on the short circuit for the motor and generator and setting the minimum fuel quantity to the turbine, the generator excitation is controlled so that the generator frequency drops to approximately s Kl „ ■ f Nem .
Nach Aufheben des Kurzschlusses, Ablösen der Festvorgabe der Minimalbrennstoffzufuhr und Drehmomenterhöhung der Turbine mittels erhöhter Brennstoffzufuhr wird für den Generator Stoßerregung vorgegeben, um den Schlupf des Asynchronmotors so schnell wie möglich zu verkleinern und dadurch unnötige Läufererwärmung zu vermeiden.After removing the short circuit, removing the fixed minimum fuel supply and increasing the torque of the turbine by increasing the fuel supply, shock excitation is specified for the generator in order to reduce the slip of the asynchronous motor as quickly as possible and thus avoid unnecessary rotor heating.
Bei einer Asynchronmaschine mit frequenzabhängigen Läuferwiderstand verändert sich bei konstantem Ulf der Kippschlupf sKipp in Abhängigkeit von der Frequenz /. Der sich je nach Gegendrehmoment ergebende Schlupf darf in keinem Fall den Kippschlupf erreichen oder überschreiten. Daher ist eine Grenzwertregelung vorgesehen, welche gewährleistet, daß ein gewisser Sicherheitsabstand zum Kippschlupf gewahrt ist. Da der Kippschlupf frequenzabhängig ist, wird der GrenzschlupfIn an asynchronous machine with frequency-dependent rotor resistance, the tilt slip s tilt changes depending on the frequency / at constant Ulf . The slip resulting from the counter torque must under no circumstances reach or exceed the tilt slip. Therefore, a limit control is provided which ensures that a certain safety margin from the tilt slip is maintained. Since the tilt slip is frequency-dependent, the limit slip
SGreni SGreni == SKipp (f)~AsSKipp (f)~As
vorgegeben, wobei As ein konstanter Sicherheitsabstand ist. Unter Vorgabe dieses Grenzwertes erfolgt die Drehmomentenerhöhung der Gasturbine, so daß gewährleistet ist, daß in keinem Fall der Kippschlupf erreicht wird.where As is a constant safety margin. The torque of the gas turbine is increased by specifying this limit value, so that it is guaranteed that the tipping slip is never reached.
Es ist allerdings auch möglich, bei eingeschränkten Anforderungen an die Dynamik des Antriebes eine Grenzwertvorgabe mittels einer Stromerfassung zu erzielen, derart, daß ein Stromwert lGrcnz < IKipp nicht überschritten wird.However, it is also possible, if the requirements for the dynamics of the drive are limited, to set a limit value by means of current detection in such a way that a current value l Grcnz < I Kipp is not exceeded.
Beim Umsteuern des Schiffes aus Vorausfahrt wird zunächst der Generator entregt bzw. die Erregung auf sehr kleine Werte eingestellt und die Drehstromwicklung des Generators kurzgeschlossen. Für die Gasturbine wird die Minimalbrennstoffmenge vorgegeben. Jetzt wird der Kurzschlußstrom in der Drehstromwicklung des Generators so eingestellt, daß sich die kleinstmögliche Generatordrehzahl ergibt. Diese kleinstmögliche Drehzahl ist bedingt durch die für die Aufrechterhaltung des Kurzschlußstromes erforderliche induzierte Spannung, welche bei konstantem Maximalfluß proportional der Drehzahl ist.When the ship turns from a forward position, the generator is first de-energized or the excitation is set to very low values and the three-phase winding of the generator is short-circuited. The minimum amount of fuel is specified for the gas turbine. The short-circuit current in the three-phase winding of the generator is now set so that the generator speed is as low as possible. This lowest possible speed is determined by the induced voltage required to maintain the short-circuit current, which is proportional to the speed at a constant maximum flow.
Wenn nun nach Erreichen der Propellerschleppdrchzahl der Kurzschluß durch Öffnen des Schalters 10 aufgehoben wird, steht ein hohes Drehmoment zur Verfügung, um im Gegenstrombremsbetrieb den Propellermotor auf Null abzubremsen und in Gegendrehrichtung zu beschleunigen. Durch erhöhte Brennstoffzufuhr wird das Drehmoment der Gasturbine so erhöht, daß die Generatordrehzahl auf einen unterstenIf, after reaching the propeller drag speed, the short circuit is removed by opening switch 10, a high torque is available to brake the propeller motor to zero in countercurrent braking mode and accelerate it in the opposite direction. By increasing the fuel supply, the torque of the gas turbine is increased so that the generator speed is reduced to a minimum.
Betriebswert gebracht und auf diesem gehalten wird, bis der Schlupf des Motors seinen stationären Wert erreicht hat. Erst nach erfolgtem Rückwärtsanlauf erfolgt der Regellvorgang wie bei Vorausfahrt. Der unterste Betriebswert der Generatordrehzahl ist bedingt durch s die für die Aufrechterhaltung des Anlaufstromes erforderliche induzierte Spannung, welche bei konstantem Maximalfluß proportional der Drehzahl ist.operating value and is kept at this value until the slip of the motor has reached its stationary value. Only after the reverse start is the control process carried out as when driving forward. The lowest operating value of the generator speed is determined by s the induced voltage required to maintain the starting current, which is proportional to the speed at a constant maximum flow.
Da die Turbine bei Minimalbrennstoffeinstellung und auf Werte nahe Null abgebremsten Drehzahlen ein äußerst geringes Moment von ca. 6,0% MdNen„ bereitstellt, wird die Brennstoffmenge vor Aufhebung des Kurzschlusses erhöht, um ein genügend hohes •Drehmoment zum Anfahren zur Verfügung zu haben.Since the turbine provides an extremely low torque of approximately 6.0% Md Nen " at minimum fuel setting and speeds braked to values close to zero, the fuel quantity is increased before the short circuit is removed in order to have a sufficiently high torque available for starting.
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Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| DE4340747C1 (en) * | 1993-11-30 | 1995-04-27 | Nord Systemtechnik | Ship propulsion system with two propellers rotating in an opposed manner |
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