DE3422210A1

DE3422210A1 - Verfahren und anordnung zum steuern einer turbine

Info

Publication number: DE3422210A1
Application number: DE19843422210
Authority: DE
Inventors: Kenneth Odell Cincinnai Ohio Johnson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1983-06-20
Filing date: 1984-06-15
Publication date: 1984-12-20
Also published as: IT8421300A0; GB2141785B; JPS6045734A; US4529887A; IT1178486B; JPH0468455B2; CA1210447A; GB8413004D0; FR2548267B1; GB2141785A; IT8421300A1; FR2548267A1

Description

342221fr

9372.1-13DV-07926 General Electric Company

Verfahren und Anordnung zum Steuern einer Turbine

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinenanlagen, die in der Lage sind, die abgegebene Leistung schnell zu ändern, und betrifft insbesondere Zweikreis- oder Zweiwellentriebwerke, die diese schnellen Änderungen ohne wesentliche Änderungen der Drehzahl des Gasgenerators vornehmen können. Die Erfindung kann insbesondere in elektrischen Energieerzeugungsanlagen Verwendung finden.

Bei einem elektrischen Netz, das durch einen Wechselstromgenerator gespeist wird, ist es im allgemeinen wichtig, daß die Frequenz des Generators stabil gehalten wird, beispielsweise innerhalb eines 5%-Bereiches einer Sollfrequenz von 60 Hz. Dieses Stabilitätserfordernis bringt ein Problem mit sich, wenn ein Zweikreis- oder Zweiwellengasturbinentriebwerk zum Antreiben des elektrischen Generators benutzt wird.

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(Ein Zweikreis- oder Zweiwellentriebwerk ist ein Triebwerk, das eine erste oder HD-Trommel hat, die mit der Erzeugung eines Gasstroms hoher Geschwindigkeit befaßt ist, weshalb die erste Trommel auch als Gasgeneratorstufe bezeichnet wird. Eine zweite oder Arbeitstrommel wird bei der Entnahme von mechanischer Energie aus dem Gasstrom mittels einer Arbeitsturbine benutzt. Die entnommene mechanische Energie wird zum ■ Antreiben des elektrischen Generators benutzt.)

Ein Problem ergibt sich, wenn sich die elektrische Belastung des elektrischen Generators ändert, beispielsweise wenn eine große elektrische Last entweder auf das Netz geschaltet oder vom Netz getrennt wird. Die Laständerung hat zur Folge, daß sich der Bedarf des elektrischen Generators an mechanischer Energie ändert, was eine Änderung der Energie in dem durch den Gasgenerator gelieferten Gasstrom erforderlich macht.

Im allgemeinen kann sich die durch den Gasgenerator gelieferte Energie nicht augenblicklich ändern, weil die in dem Gasstrom enthaltene Energie eine Funktion der Drehgeschwindigkeit der umlaufenden Teile des Gasgenerators ist. Diese Teile benötigen eine endliche Zeit, um ihre Geschwindigkeit zu ändern. Es gibt daher eine Zeitverzögerung zwischen der Änderung des elektrischen Lastbedarfes und der entsprechenden Änderung der Gasgeneratordrehzahl. Während dieser Zeitverzögerung weicht die Frequenz des elektrischen Generators von der SoIlfreguenz ab. Häufig ist diese Abweichung hinsichtlich der Größe und/oder der Dauer zu groß, als daß sie durch das elektrische Netz toleriert werden könnte.

Darüber hinaus werden die durch den Gasgenerator erzeugten Abgase gewöhnlich durch einen Wärmetauscher rückgewonnen, nachdem diese Gase Energie an die Arbeitsturbine abgegeben haben. Es ist bekannt, daß ein Wärmetauscher mit größerem Wirkungsgrad arbeitet, wenn der Temperaturgradient an dem Wärmetauscher zunimmt. Es ist jedoch auch bekannt, daß das Ändern der Drehzahl des Gasgenerators in einem Zweiwellentriebwerk zu einer

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Änderung der Abgastemperatur führt und daß die Größe dieser Änderung kleiner ist als die entsprechende Änderung, die bei einem Einwellentriebwerk auftritt/ wenn deren abgegebene Leistung geändert wird. Wenn beispielsweise die abgegebene Leistung bei einem Einwellentriebwerk verringert wird, um der Arbeitsturbine die richtige Energie zuzuführen, sinkt die Abgastemperatur beträchtlich, weil der Luftstrom im wesentlichen konstant bleibt, während die Brennstoffzufuhr abnimmt. In diesem Beispiel nimmt der Wirkungsgrad des Wärmetauschers entsprechend mehr ab als es der Fall wäre, wenn ein Zweiwellentriebwerk benutzt würde. Selbst wenn die Ansprechzeit des Einwellentriebwerks ausreicht, um die richtige Netzfrequenz aufrecht zu erhalten, tritt deshalb eine Wirkungsgradabnahme bei der Wärmerückgewinnung auf. Während die Frequenz aufrechterhalten werden kann, wird demgemäß der Betriebswirkungsgrad des Systems verringert.

Darüber hinaus fällt die Leistung, die bei einem Einwellentriebwerk mit nichtvariabler Geometrie geliefert wird, ungefähr mit der vierten Potenz der Drehzahl ab. Demgemäß kann eine Abbremsung, die aus einer Lastzunahme resultiert, das Triebwerk leicht bis zu einem Punkt verlangsamen, ab welchem eine Rückkehr wegen der stark verringerten Ausgangsleistung bei der niedrigeren Drehzahl unmöglich ist. Typisch werden bei der Erzeugung von elektrischer Energie mehrere Triebwerke benutzt. In einem System, in welchem mehrere Einwellentriebwerke benutzt werden, besteht das Ansprechen auf einen Oberlastzustand darin, daß Ausrüstung von den Generatoren schnell und im Idealfall innerhalb einer sehr kurzen Zeit von beispielsweise 30 ms getrennt wird (das heißt Last abgeworfen wird). Weil es schwierig ist, eine überlast zu erkennen und dann innerhalb einer sehr kurzen Zeit Last abzuwerfen, kann das Auftreten der überlast bewirken, daß die Triebwerke auf einen Arbeitspunkt verlangsamt werden, von welchem eine Rückkehr nicht möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues und verbessertes Gasturbinentriebwerk zu schaffen, das ein schnelles Energieansprechvermögen hat.

Weiter soll ein neues und verbessertes Zweiwellengasturbinentriebwerk geschaffen werden, das mit einer im wesentlichen konstanten Gasgeneratordrehzahl und mit im wesentlichen konstanter Arbeitsturbinendrehzahl trotz Änderungen in der durch die Arbeitsturbine an eine externe Last abgegebenen Leistung arbeitet.

Ferner soll ein neues und verbessertes Zweiwellengasturbinentriebwerk geschaffen werden, das bei unterschiedlichen Ausgangsleistungsbedingungen mit einer im wesentlichen konstanten Abgastemperatur arbeitet.

Schließlich soll ein neuer und verbesserter elektrischer Generator geschaffen werden, der einen größeren zeitlichen Spielraum für den Lastabwurf unter Überlastbedingungen gestattet.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Einrichtung vorgesehen zum Abfühlen von Änderungen in der elektrischen Leistung, die von einem elektrischen Generator verlangt wird, der durch ein Gasturbinentriebwerk angetrieben wird. Daraufhin ändern andere Einrichtungen die Brennstoffzufuhr und die Luftzufuhr zu dem Triebwerk im Verhältnis zu den Bedarfsänderungen und halten das Brennstoff/Luft-Verhältnis der Brennkammer im wesentlichen konstant.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Ausführungsform der Erfindung

und die

Fig. 2-5 das Verhalten von Triebwerksparametern

bei der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein Zweikreis- oder Zweiwellengasturbinentriebwerk 2, das eine erste Trommel 5 und eine zweite Trommel 8 hat. Die erste Trommel 5 enthält Verdichterstufen 10_f die die Einlaßluft 13 verdichten, welche mit Brennstoff vermischt (nicht dargestellt), der durch eine Brennstoffdüse 13A geliefert wird, und in einer Brennerstufe 16 gezündet wird. Verbrennungsgase 19 werden an eine Turbinenstufe 21 abgegeben, die durch eine Welle 24 mit den Verdichterstufen 10 mechanisch gekuppelt ist, um zusätzliche Einlaßluft 13 zu verdichten, damit der Verbrennungsprozeß weitergeht. Die Verbrennungsgase 19 werden nach dem Passieren der Turbinenstufe 21 der ersten Trommel 5 zu einer Arbeitsturbine 27 geleitet, die eine zweite Welle 30 antreibt, welche sich dreht, was durch einen Pfeil 33 dargestellt ist, und einen elektrischen Generator 36 antreibt. Die Verbrennungsgase werden zu einem Wärmetauscher 36A geleitet, in welchem den Verbrennungsgasen 19 weitere Energie entnommen wird. Der Wärmetauscher 36A kann eine Warmwasserversorgung (die beispielsweise zum Baden benutzt wird) unterstützen, wenn das in Fig. 1 gezeigte System an Bord eines Schiffes benutzt wird, um die elektrische Ausrüstung mit Strom zu versorgen.

Der elektrische Generator 36 gibt elektrische Energie an ein Netz 37 ab, welches durch Widerstände 38 dargestellt ist.Das Aufschalten einer Last auf das elektrische Netz 37 ist durch das Schließen eines Schalters 40 gezeigt, der einen zusätzlichen Widerstand 42 mit dem Netz 37 verbindet. Dadurch wird die Belastung des elektrischen Generators 36 vergrößert, die den elektrischen Generator 36 sowie die Arbeitsturbine 27, welche mit dem elektrischen Generator direkt gekuppelt ist, abbremst. Das heißt, kinetische Energie, die in dem umlaufenden elektrischen Generator 36 gespeichert ist, wird in elektrische Energie umgewandelt,

was zu einer Abbremsung des elektrischen Generators 36 führt. Um dieser Abbremsung entgegenzuwirken, muß mehr Energie durch die Verbrennungsgase 19 an die Arbeitsturbine 27 abgegeben werden.

Die Energie, die an die Arbeitsturbine 27 abgegeben wird, ist eine Funktion der Energie der Verbrennungsgase 19. Ein Maß für diese Energie wird durch die Gleichung E =1/2 MV² ausgedrückt, in der E die Energie, M die Masse des in die Arbeitsturbine 27 eintretenden Gases und V² das Quadrat der Geschwindigkeit des die Masse M aufweisenden Gases ist. Auf die Abbremsung des elektrischen Generators 36 hin wird versucht, diese Größe E zu vergrößern.

Die Notwendigkeit für diese Vergrößerung wird durch einen Frequenzzähler 45 festgestellt, der die Frequenz der elektrischen Energie überwacht, welche über die Ausgangsleitungen 48 des Generators 36 abgegeben wird. Der Frequenzzähler 45 stellt somit die Zunahme des Bedarfes an elektrischer Energie fest, die sich in einer Abbremsung des Generators 36 äußert. Auf eine Abnahme der Frequenz hin erzeugt eine Steuereinrichtung 51, die mit dem Frequenzzähler 45 verbunden ist. Signale, welche durch einen Stator- oder Leitradstellantrieb 53 und durch einen Brennstoffregler 55 empfangen werden. Der Leitradstellantrieb 53 dreht verstellbare Leiträder 57, um den Einlaßluftstrom 13 zu vergrößern. Das heißt, der Stator- oder Leitradwinkel wird verkleinert. Der Brennstoffregler 55 vergrößert auf die Steuereinrichtung 51 hin die Brennstoffzufuhr zu der Brennerstufe 16 durch Vergrößern der Abgabemenge eines Brennstoffventils 61. Die kombinierten Auswirkungen des Vergrößerns des Einlaßluftstroms 13 des Verdichters 10 zusammen mit dem Vergrößern der Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer 16 werden so synchronisiert, daß das Brennstoff/Luft-Verhältnis der Brennkammer 16 im wesentlichen konstant bleibt, wenn die Ausgangsleistung des Triebwerks vergrößert wird. Das ergibt eine Zunahme der Energieabgabe des Gasgenerators, das heißt der Energie in den

Verbrennungsgasen 19 (in Kilogramm pro Sekunde), so daß fast augenblicklich mehr Energie der Arbeitsturbine 27 zugeführt wird. Die Einzelheiten über die Auslegung der Steuereinrichtung 51 werden nicht als Teil der hier beschriebenen Erfindung angesehen, sondern sind bekannt. Weiter ist das Ausmaß der Verstellung der Leiträder, das bei einem besonderen Gasturbinentriebwerk erforderlich ist, um einen bestimmten Luftstrom bei einer bestimmten Verdichterdrehzahl zu erzielen, eine bekannte Kenngröße des Triebwerks. Das besondere Verfahren zum Aufrechterhalten eines konstanten Brennstoff/Luft-Gemisches wird nicht als Teil der Erfindung betrachtet. Diese allgemeinen Prinzipien der Brennstoff/ Luft-Steuerung werden ausführlicher unter Bezugnahme auf die Figuren 2A-2H erläutert.

Die Figuren 2A-2H zeigen verschiedene Triebwerksbetriebsparameter auf den vertikalen Achsen und die Zeit auf den horizontalen Achsen. Fig. 2A veranschaulicht eine Zunahme des elektrischen Energiebedarfes, die aus dem Schließen des Schalters 40 in Fig. 1 resultiert. Das heißt, die verlangte-Endleistung steigt fast augenblicklich von null oder Leerlauf auf 100% Nennleistung an. Das bewirkt eine sofortige Abbremsung des Generators 36 und bewirkt somit einen Frequenzabfall, was in Fig. 2B gezeigt ist. Der Frequenzabfall wird durch den Frequenzzähler 45 in Fig. 1 festgestellt, welcher die Steuereinrichtung 51 in Betrieb setzt. Die Steuereinrichtung 51 ändert daraufhin sowohl die Brennstoffzufuhr als auch die Leitradpositionen, was in den Figuren 2C und 2D dargestellt ist. Die Brennstoffzufuhr wird ab einer nominellen Leerlaufbrennstoffzufuhr von 30% auf 100% Nennbrennstoffzufuhr vergrößert. Die Leiträder werden von einem nominellen Wert von 18° bei Leerlauf auf -1° verstellt, damit 100% Nennleistung geliefert werden.

Auf die Änderungen der Brennstoffzufuhr und der Leitradposition hin, was in Fig. 2E gezeigt ist, nimmt der Gasgeneratorluftstrom zu (das heißt, die Energie in den Ver-

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brennungsgasen 19 in Fig. 1 nimmt zu). Die Änderungen der Brennstoffzufuhr und der Leitradposition werden so miteinander koordiniert, daß das Brennstoff/Luft-Verhältnis im wesentlichen konstant bleibt, was in Fig. 2F gezeigt ist. Gemäß Fig. 2G bleibt die Gasgeneratordrehzahl ebenfalls im wesentlichen konstant. Deshalb resultiert der größere Gasgeneratorluft strom, welcher der Arbeitsturbine 27 in Fig. 1 zugeführt wird, nicht aus einer Zunahme der Gasgeneratordrehzahl, sondern aus der Erzeugung von heißeren Abgasen, die sich mit einer größeren Geschwindigkeit bewegen. Weiter wird auch eine größere Menge an Brennstoff und Luft verbrannt, was durch die Figuren 2C und 2F gezeigt ist, so daß die Masse der Abgase ebenfalls vergrößert wird.

Um es zu wiederholen, die Brennstoffzufuhr und die Leitradposition werden so eingestellt, daß sich eine Vergrößerung der Masse der Verbrennungsgase sowie der Geschwindigkeit derselben ergibt, damit der Arbeitsturbine 27 mehr Energie geliefert wird. Wenn das richtig gemacht wird, wird die Arbeitsturbinendrehzahl innerhalb der zulässigen Grenzen, plus oder minus 5%»gehalten, was in Fig. 2H gezeigt ist. Die richtige Ausführung wird von den Betriebskenndaten des verwendeten besonderen Triebwerks abhängen. Da das Brennstoff/Luft-Verhältnis konstant gehalten wird, bleibt weiter die Temperatur der Verbrennungsgase 19 in Fig. 1 konstant, weil diese Temperatur weitgehend eine Funktion dieses Verhältnisses ist. Daher wird der Wirkungsgrad des Wärmetauschers 36A nicht durch eine Verringerung der Abgastemperatur verringert. Ein anderes Konzept des Verhaltens dieser Triebwerksparameter ist in den Figuren 3A-3E gezeigt.

In diesen Figuren sind ausgewählte Triebwerksparameter als Funktionen der Kernleitradposition zu einer Zeit, zu der der Gasgenerator mit 100% der Nenndrehzahl läuft, aufgetragen. In Fig. 3A ist zu erkennen, daß die Brennstoffzufuhr (die manchmal auch als spezifischer Brennstoffverbrauch bezeich-

net wird) mit dem Leitradwinkel abnimmt; das Verhältnis des Verdichterenddruckes zu dem Verdichtereingangsdruck (das heißt das Verdichterverhältnis) in Fig. 3B nimmt mit zunehmendem Leitradwinkel ab; die Gasgeneratordrehzahl nach Fig. 3C bleibt in bezug auf den Leitradwinkel konstant; die Gasgeneratoreinlaßtemperatur nach Fig. 3D bleibt in bezug auf den Leitradwinkel konstant; aber die Gasgeneratorluftströmung in Kilogramm pro Sekunde nach Fig. 3E nimmt mit dem Leitradwinkel ab.

Die oben beschriebene besondere Art des Triebwerkbetriebes führt zu einer Art von Triebwerksbetrieb, die in den Fig. 4 und 5 weiter veranschaulicht ist. Fig. 4 zeigt ein verallgemeinertes Diagramm des Verdichterdruckverhältnisses in Abhängigkeit von der Luftströmung (in Masse pro Zeiteinheit) , welche durch den Gasgenerator 5 in Fig. 1 geliefert wird. Die konkaven Linien 101A-101I zeigen unterschiedliche Brennstoffzufuhren. Die Linie 103 zeigt eine Strömungsabrißgrenze, oberhalb welcher (beispielsweise in einem Punkt 105) das Triebwerk nicht arbeiten kann, weil es in einem Strömungsabrißbetrieb ist.

Wenn das Triebwerk in einem Punkt 107 arbeitet, um die Gasgeneratorluftströmung durch Vergrößern des zugeführten Brennstoffes zu vergrößeren, kann ein Weg von dem Punkt 107 zu einem Punkt 108 auf einer höheren Brennstoffzufuhrlinie 101E genommen werden. Diese Auswanderung bringt jedoch den Arbeitspunkt nahe an die Strömungsabrißgrenze 103, was nicht erwünscht ist. Weiter beinhaltet diese Auswanderung von dem Punkt 107 zu dem Punkt 108 eine Vergrößerung im Druckverhältnis, das auf der vertikalen Achse aufgetragen ist. Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann jedoch, wenn eine Auswanderung von dem Anfangsarbeitspunkt 107 insgesamt horizontal längs der Linie 109 zu einem Arbeitspunkt erfolgt, eine viel größere Brennstoffzufuhrerhöhung zugelassen werden, die trotzdem noch unter der Strömungsabriß-

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grenze 103 liegt. Das heißt, wenn das Druckverhältnis konstant gehalten wird oder nur geringfügig mit zunehmender Brennstoffzufuhr zunimmt, dann kann eine schnelle Auswanderung auf Zustände mit hoher Brennstoffzufuhr und hoher Luftströmung erzielt werden. Dieses Abdecken des Druckverhältnisses wird durch die Leitradverstellung erzielt, die in Verbindung mit Fig. 3B erläutert ist. Das Druckverhältnis in Fig. 4 ist eine Funktion des Leitradwinkels in Fig. 3B. Das Verringern des Leitradwinkels in dem Gebiet 114 in Fig. 3B bewirkt keine nennenswerte Änderung des Druckverhältnisses, es bewirkt aber gemäß der Darstellung in Fig. 3E eine Vergrößerung der Gasgeneratorluftströmung.

Anders betrachtet, die Brennstoffzufuhr wird bei der Auswanderung von dem Punkt 107 zu dem Punkt 110 vergrößert, die Verdichterluftströmung wird durch Verringern des Leitradwinkels vergrößert, aber die Verringerung des Leitradwinkels führt zu einer minimalen Änderung des Druckverhältnisses, was Fig. 3B zeigt, und das Brennstoff/Luft-Verhältnis wird konstant gehalten. Daher kann eine horizontale Auswanderung in Fig. 4 als ein konstantes Druckverhältnis angesehen werden. Die Auswanderung zwischen den Punkten und 110 ist nur ein Beispiel. Aus Gründen, zu denen der Triebwerksbetriebswirkungsgrad gehört, wäre ein bevorzugter Weg derjenige, der durch die gestrichelte Linie 109A gezeigt ist, die zu der Strömungsabrißgrenze 103 insgesamt parallel ist, weil ganz allgemein Wege konstanten Betriebswirkungsgrades im allgemeinen parallel zu der Strömungsabrißgrenze in Fig. 4 verlaufen.

Eine weitere Möglichkeit des Beschreibens des Verhaltens der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt, die ein Diagramm der Leitradposition in Abhängigkeit von der Gasgeneratordrehzahl zeigt. Die Linie 117 ist eine Strömungsabrißgrenze. Die gekrümmten Linien 121A-121E stellen verschiedene Gasgeneratorluftströmungen dar, wobei die oberen Linien (zum

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Beispiel 121A) kleinere Strömungen als die unteren Linien (z.B. 121E) darstellen. Daher wird beim Zurücklegen eines Weges von einem Punkt 125 zu einem Punkt 129 ein Zustand niedriger Brennstoffzufuhr und großen Leitradwinkels in dem Punkt 125 mit einem Zustand kleinen Leitradwinkels und hoher Brennstoffzufuhr in dem Punkt 129 vertauscht, während die Gasgeneratordrehzahl konstant gehalten wird.

Die vorstehende Beschreibung befaßt sich mit einer ersten Änderung des elektrischen Bedarfes von Leerlauf auf 100% . Es wird nun eine zweite Änderung von 100% auf 150% betrachtet, die in Fig. 2A dargestellt ist. Im Gegensatz zu der ersten Änderung ist die zweite Änderung nur vorübergehend und resultiert aus einer Störung, beispielsweise aus einem Versagen eines Generators in einem mehrere Generatoren umfassenden Generatorsatz. Ein solches Versagen führt zu einer vorübergehenden überlastung der übrigen, richtig arbeitenden Generatoren, aber nur für eine Zeitspanne, bis elektrische Ausrüstung von dem Netz getrennt werden kann (üblicherweise automatisch), um den Gesamtenergiebedarf zu verringern. Während dieser Zeitspanne geben die richtig arbeitenden Generatoren gemäß der Erfindung eine Leistung, die über ihrer Nennleistung liegt, und innerhalb eines zulässigen Bereiches der Sollfrequenz ab, so daß die frequenzempfindliche Ausrüstung während der automatischen Abschaltperiode nicht gestört wird.

Gemäß der Darstellung in Fig. 2B wird der Generator 36 nach Fig. 1 durch die Oberlast abgebremst, und es ergibt sich ein Frequenzabfall. Der Frequenzabfall kann unter diesen Überlastbedingungen 7% erreichen, was in Fig. 2B gezeigt ist, ohne daß die Stromversorgungserfordernisse von vielen Arten an elektrischer Ausrüstung beeinträchtigt werden. Der Frequenzzähler 45 in Fig. 1 erkennt die Frequenzabnahme und signalisiert der Steuereinrichtung 51 entsprechend. Die

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Steuereinrichtung 51 aktiviert sowohl den Brennstoffregler 55 als auch den Leitradstellantrieb 53, um die Brennstoffzufuhr auf 150% zu erhöhen, was in Fig. 2C gezeigt ist, bzw. den Leitradwinkel auf ungefähr -8° zu verkleinern, was in Fig. 2D gezeigt ist. Diese Änderungen führen zu einer Vergrößerung der Gasgeneratordrehzahl auf 108%, was in Fig. 2G gezeigt ist. Gemäß der Darstellung in Fig. 2F steigt das Brennstoff/Luft-Verhältnis während der vorübergehenden überlast nach Fig. 1 kurz an. ELe in Verbindung mit den Fig. 2C-G beschriebenen Änderungen führen zu einer Zunahme der Arbeitsturbinendrehzahl auf 107% der Drehzahl, die der Solldrehzahl für 60 Hz entspricht. Das Einstellen der Brennstoffzufuhr und der Leitradpositionen gestattet daher dem Zweiwellentriebwerk, auf eine kurze elektrische Belastung von 150% anzusprechen. Die in Verbindung mit den Diagrammen von Triebwerksparametern als Funktion des Leitradwinkels beschriebenen allgemeinen Prinzipien gelten für die vorstehend beschriebene Überlastsituation.

Es ist eine Erfindung beschrieben worden, bei der ein Zweiwellengasturbinentriebwerk einen elektrischen Generator antreibt, welcher ein elektrisches Netz speist. Auf Zunahmen /-ν. der elektrischen Last hin vergrößert die Erfindung die Brennstoffzufuhr und außerdem die Luftzufuhr zu dem Verdichter durch öffnen der Leitschaufeln. Diese Änderungen führen, wenn sie so synchronisiert sind, daß das Brennstoff AiUft-Verhältnis der Brennkammer konstant bleibt, zu einer Vergrößerung der durch den Gasgenerator an die Arbeitsturbine abgegebenen Leistung, während die Gasgeneratordrehzahl im wesentlichen konstant gehalten wird. Der Triebwerkswirkungsgrad wird verbessert, weil das Triebwerk auf einen hohen Wirkungsgrad bei einer einzelnen Betriebsdrehzahl abgestimmt werden kann. In dem Fall von Überlastbedingungen von ungefähr 150% der normalen Bedingungen wird die Brennstoffzufuhr vergrößert, die Luft-

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strömung wird vergrößert, aber das Brennstoff/Luft-Verhältnis nimmt zu, die Gasgeneratordrehzahl nimmt zu, und die Generatorfrequenz nimmt ab, aber nur für wenige Sekunden, bis die überlast durch den Abwurf von elektrischer Last reduziert ist.

Unter einem anderen Gesichtspunkt ist die an die Arbeitsturbine abgegebene Energie eine im wesentlichen lineare Funktion des zugeführten Brennstoffes, teilweise deshalb, weil keine Energie benötigt wird, um den Gasgenerator in dem Bereich bis zu 100% Nennleistung zu beschleunigen, da die Gasgeneratordrehzahl in diesem Bereich nahezu konstant gehalten wird. Weiter bleibt die Abgastemperatur im wesentlichen konstant, weil bekanntlich diese Temperatur im wesentlichen eine Funktion des Brennstoff/Luft-Verhältnisses ist, das in dem Bereich bis zu 100% Nennleistung ungefähr konstant gehalten wird. Weiter macht die Erfindung die der Arbeitsturbine zugeführte Luftströmung zu einer Funktion des Leitradwinkels, und, da keine Energie (in dem Bereich bis zu 100% Nennleistung) zur Beschleunigung von Teilen benutzt wird, wird die Energie als Funktion dieses Winkels fast augenblicklich an die Arbeitsturbine abgegeben.

Vorstehend ist das Ansprechen der Erfindung auf Vergrößerungen des Bedarfes an elektrischer Leistung beschrieben. Die Erfindung spricht jedoch auch auf Bedarfsverringerungen an. Ein solches Ansprechen ist durch die obige Beschreibung gedeckt, wenn der Leser die Zeit in den Fig. 2A-2H als von rechts nach links laufend, statt wie beschrieben, von links nach rechts laufend betrachtet.

Vorstehend ist das Ansprechen der Erfindung auf schrittweise Änderungen des Bedarfes an elektrischer Energie beschrieben. Das dient jedoch nur zu Erläuterungszwecken.

In der Praxis werden die Änderungen vermutlich allmählich und stetig sein, wenn auch vielleicht schnell, statt schrittweise.

Vorstehend ist die Verwendung der Erfindung in Verbindung mit einem "Zweiwellen"-Gasturbinentriebwerk beschrieben. Der Begriff "Zweiwellen" ist jedoch der Einfachheit halber benutzt worden, denn es kann allgemein ein Mehrwellentriebwerk benutzt werden, welches von diesem Begriff ebenfalls umfaßt wird.

Weiter sind vorstehend Leitradwinkel beschrieben, die diskrete Werte haben, beispielsweise von 18°. Dies dient nur zur Veranschaulichung, weil es bekannt ist, daß Triebwerke mit verstellbaren Leiträdern im allgemeinen viele Stufen von verstellbaren Leiträdern haben, wobei jeder Stufe vielleicht ein anderer Winkel zugeordnet ist. Die Art der Aufrechterhaltung des richtigen Brennstoff/Luft-Verhältnisses durch Leitradverstellung ist jedoch bekannt, weshalb auch die Arbeitsweise der hier beschriebenen Erfindung verständlich sein dürfte.

Die Verwendung des Begriffes "konstant", beispielsweise in Verbindung mit dem Konstanthalten des Brennstoff/Luft-Verhältnisses, ist im ingenieurmäßigen Sinn und nicht in einem streng wörtlichen Sinn zu verstehen. Ein vorübergehendes überschwingen und kleine Abweichungen einer Variablen von einem Sollwert hindern daher nicht daran, die Variable als Konstante aufzufassen.

Zahlreiche Abwandlungsmöglichkeiten sind im Rahmen der Erfindung möglich. Insbesondere braucht kein Frequenzzähler zum Erkennen von Änderungen der Frequenz des elektrischen

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Netzes benutzt zu werden, denn irgendeine bekannte Vorrichtung kann diese Punktion erfüllen. Beispielsweise führt das Arbeiten des FrequenzZählers, wie es oben beschrieben ist, zur Steuerung der Brennstoffzufuhr in Abhängigkeit von der gelieferten elektrischen Energie. Deshalb könnte ein Wattmeter den Frequenzzähler ersetzen. In dieser Hinsicht kann die Erfindung als das Steuern der Brennstoffzufuhr in direktem Verhältnis zu dem Energiebedarf, wobei das Brennstoff/Luft-Verhältnis der Brennkammer im wesentlichen konstant gehalten wird, charakterisiert werden.

Darüber hinaus sind die in den Fig. 2, 3 und 4 angegebenen Diagramme von Triebswerkparametern verallgemeinerte Beschreibungen des Triebwerksverhaltens. Die spezifischen Änderungen in der Brennstoffzufuhr und in der Leitradposition, auf die oben Bezug genommen worden ist, werden von Triebwerk zu Triebwerk verschieden sein. Dem Fachmann ist jedoch bekannt, wie die Brennstoffzufuhr und der Leitradwinkel zu ändern sind, um ein konstantes Brennstoff/Luft-Verhältnis aufrechtzuerhalten. Beispielsweise kann eine mechanische Verbindung zwischen einem Brennstoffsteuerventil und einem Brennkammerluftventil hergestellt werden, um ein konstantes Verhältnis der Strömungen durch beide aufrechtzuerhalten. Als ein weiteres Beispiel kann ein bekannter Rückführungskreis benutzt werden, um das Brennstoff/ Luft-Verhältnis abzufühlen und die Brennstoffzufuhr sowie die Leitradposition einzustellen, damit das Brennstoff/Luft-Verhältnis konstant gehalten wird.

Darüber hinaus kann das Steuerverfahren, welches in dem Bereich benutzt wird, in welchem die Leistung 100% übersteigt, ein bekanntes Verfahren sein, d.h. ein Standardverfahren der Brennstoff/Luft-Steuerung. Ein Grund dafür

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ist, daß die der Arbeitsturbine zugeführte Luftströmung insgesamt eine Funktion des Quadrats der Gasgeneratordrehzahl ist. Das Beschleunigen des Gasgenerators von 100% Nenndrehzahl auf 110% Nenndrehzahl ergibt daher eine größere Luftströmung als eine gleiche Drehzahlvergrößerung, aber bei einer niedrigeren Drehzahl. Infolge dessen ist die Ansprechzeit bei höheren Gasgeneratordrehzahlen kürzer, und die Notwendigkeit der Eigenschaft des schnellen Ansprechens gemäß der Erfindung nimmt ab. Daher kann die Erfindung in Betriebsbereichen bis zu 100% Nennleistung benutzt werden, und auf bekannte Steuerungen kann oberhalb von 100% zurückgegriffen werden.

Das Triebswerk-Brennstoff/Luft-Verhältnis ist beschrieben worden. Die Anmelderin weist darauf hin, daß die Kenntnis der Arbeitsturbineneinlaßtemperatur (die manchmal mit T44 bezeichnet wird) zusammen mit der Kenntnis der Brennstoffzufuhr die Berechnung des Brennstoff/Luft-Verhältnisses gestattet. Diese Tatsache kann bei der Erfindung ausgenutzt werden, um das Brennstoff/Luft-Verhältnis zu berechnen. Weiter ermöglicht diese Tatsache ein Verfahren zum Konstanthalten des Brennstoff/Luft-Verhältnisses: das Ver- ■^ hältnis wird auf diese Weise gemessen, eine bekannte Steuereinrichtung wird benutzt, um eine Abweichung von der Konstanz festzustellen, und, wenn eine Abweichung festgestellt wird, modifiziert die Steuereinrichtung entweder die Brennstoffzufuhr oder die Luftströmung, wie oben beschrieben, um das Brennstoff/Luft-Verhältnis konstant zu halten. Diese Modifizierung erfolgt gleichzeitig mit jeder Modifizierung, die durch Frequenzänderungen diktiert wird. D.h. in dieser Ausführungsform wird eine gleichzeitige, doppelte Rückführung benutzt: die Frequenz wird zu dem Brennstoffregler rückgekoppelt, um die Brennstoffzufuhr

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zu steuern, und die Temperaturinformation (die das Brennstoff/Luft-Verhältnis angibt) wird rückgekoppelt, um die Luftströmung zu steuern, beispielsweise durch Verstellen der Leitschaufeln.

Claims

Patentansprüche

MJAnordnung zum Steuern einer Gasturbinenanlage, welche einen elektrischen Generator (36) antreibt, gekennzeichnet durch:

a) eine Einrichtung (45) zum Abfühlen von Änderungen in der aus dem Generator (36) aufgenommenen Leistung,

b) Einrichtungen (51, 55, 61) zum Ändern der Brennstoffzufuhr zu der Turbine im Verhältnis zu den Änderungen nach a) und

c) Einrichtungen (53, 57),mittels welchen das Brennkammer-Brennstoff/Luft-Verhältnis im wesentlichen konstant haltbar ist.
2. Anordnung zum Steuern einer Gasturbinenanlage, die eine Gasgeneratorstufe (5) zum Abgeben von Abgasen (19) an eine Arbeitsturbinenstufe (27), welche einen elektrischen Generator (36) antreibt, hat, wobei die Gasgeneratorstufe verstellbare Leiträder (57) aufweist,

gekennzeichnet durch:

a) eine Fühleinrichtung (45) zum Abfühlen der Frequenz der durch den elektrischen Generator (36) erzeugten elektrischen Leistung und zum Erzeugen eines diese angebenden Frequenz s ignals;

b) Steuereinrichtungen (51, 55, 61), die das Frequenzsignal empfangen und auf das Frequenzsignal hin sowohl die Brennstoffzufuhr zu der Turbine (2) als auch die verstellbaren Leiträder (57) in dem Triebwerk beeinflussen, um das Brennkammer-Brennstoff/Luft-Verhältnis im wesentlichen konstant zu halten, um

i) die Gasgeneratordrehzahl im wesentlichen konstant zu halten und

ü) die Drehzahl des elektrischen Generators im wesentlichen konstant zu halten.
3. Anordnung zum Steuern einer Gasturbinenanlage mit einer Gaserzeugungsstufe (5), die nacheinander eine Arbeitsturbinenstufe (27), welche einen elektrischen Generator (36) antreibt, und dann eine Wärmetauscherstufe (36A) mit Abgasen (19) versorgt, gekennzeichnet durch:

a) eine Fühleinrichtung (45) zum Abfühlen der Frequenz der durch den elektrischen Generator (36) erzeugten Leistung und zum Erzeugen eines diese angebenden Frequenzsignals;

b) Steuereinrichtungen (51, 53, 55, 61), die das Frequenzsignal empfangen und auf das Frequenzsignal hin die Brennstoffzufuhr zu dem Triebwerk (2) beeinflussen und dabei das Brennstoff/Luft-Verhältnis der Brennkammer (16) im wesentlichen konstant halten, um

i) die Gaserzeugerdrehzahl im wesentlichen konstant

zu halten,
ii) die Drehzahl des elektrischen Generators (36) im wesentlichen konstant zu halten, und

iii) die Abgastemperatur im wesentlichen konstant zu halten.
4. Verfahren zum Steuern einer Gasturbinenanlage, welches einen elektrischen Generator antreibt, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Zuführen von Brennstoff zu der Turbine im Verhältnis zu dem Bedarf an elektrischer Leistung und

b) im wesentlichen Konstanthalten des Brennkammer-Brennstoff /Luf t-Verhältnisses .
5. Verfahren zum Steuern eine Gasturbinenanlage _f

das eine Gaserzeugungsstufe hat, die verstellbare Leiträder aufweist und eine Arbeitsturbinenstufe mit Abgasen versorgt, welche einen elektrischen Generator antreibt, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Abfühlen der Drehzahl des elektrischen Generators;

b) Ermitteln einer Abweichung der Drehzahl gemäß a) von einer vorbestimmten Drehzahl;

c) auf die Abweichung gemäß b) hin, Beeinflussen der verstellbaren Leiträder und der Brennstoffzufuhr zu dem Triebwerk, so daß

i) das Brennkammer-Brennstoff/Luft-Verhältnis im wesentlichen konstant bleibt,

ii) die Drehzahl der Gaserzeugerstufe im wesentlichen konstant bleibt, und

iii) die Abweichung gemäß b) reduziert wird.