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Regelanordnung für Gasturbinen mit vorgeschalteter Verbrennungsmaschine
zur Erzeugung der Treibgase Es ist vorgeschlagen worden, einen aus vorgeschalteter
Kolbenverbrennungsmaschine und nachgeschalteter Gasturbine bestehenden Maschinensatz
in der Weise auszubilden, daß die vorgeschaltete Kolbenmaschine im wesentlichen
nur als Energieumformer, zur Erzeugung von Treibgasen, dient, während die Nutzleistung
an der Welle der Gasturbine abgenommen wird.
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Die vorliegende Erfindung betrifft die Ausgestaltung einer Regelanordnung
für derartige Anlagen, und zwar wird gemäß der Erfindung bei Änderung der Turbinenbelastung
Brennstoff- oder Luftzufuhr zum Treibgaserzeuger oder beide in Abhängigkeit von
der Turbinenbelastung so eingeregelt, daß der Treibgasdruck hinter dem Treibgaserzeuger
im wesentlichen gleichbleibend erhalten wird. Die Regelanordnung kann dabei in der
Weise ausgestaltet werden, daß der Treibgaserzeuger außer auf gleichbleibenden Gegendruck
auch noch auf gleichbleibende Drehzahl eingeregelt wird.
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Die sich hierbei ergebenden Verhältnisse seien an Hand der Diagramme
nach den Abb. i und a erläutert. Die von dein stark ausgezogenen Linienzug
A D B F_ C K A umschriebene Diagrammfläche stellt das Arbeitsdiagramm einer
Dieselmaschine dar, unter der Voraussetzung, daß die Ausdehnung der Verbrennungsgase
bis zur Atmosphäre ausgenutzt wird. Wenn nun die Dieselmaschine als Treibgaserzeuger
für eine Gasturbine dienen und diese allein die Nutzleistung abgeben soll, muß die
Dieselmaschine mit einem Verdichter gekuppelt werden, der die Verbrennungsluft in
die Dieselmaschine hineindrückt und gerade so viel Arbeit verbraucht, als die Dieselmaschine
zu leisten vermag. In den Diagrammen wird dies dadurch zum Ausdruck gebracht, daß
eine horizontale Trennlinie a-a in einem solchen Abstand von der Atmospbärenlinie
gezogen ist, daß der oberhalb liegende, mit I bezeichnete Teil der Fläche des Dieseldiagramms
inhaltsgleich ist der unterhalb liegenden, mit II bezeichneten. Arbeitsfläche des
Verdichters. Der Verdichter saugt ein Luftvolumen O A an, verdichtet es auf
den Druck p1 und drückt das Fördervolumen F D in die Dieselmaschine hinein.
Diese verdichtet es weiter auf den Druck p2. Dann folgt in bekannter Weise die Brennstoffeinspritzung
in B, Verbrennung und Ausdehnung bis zum Punkt G, wo das Auslaßventil
öffnet.
Der Druckinder Dieselmaschine sinkt auf den Druck p1 ab. Im Punkte H öffnen die
Einlaßschlitze, und während der Kolben der Dieselmaschine sich bis zum Hubende
I bewegt und bis H zurückkehrt, strömt das vom Verdichter geförderte
Luftvolumen F D ein, ein gleich großes Volumen Treibgase aus dem Zylinder
verdrängend. Der Rest der Treibgase wird von dem Kolben auf seinem weiteren Rückgang
ausgeschoben, bis im Punkt D das Auslaßventil schließt, womit ein neues Arbeitsspiel
beginnt. Die Dieselmaschine wirkt hierbei in Verbindung mit dem Verdichter als Energieumformer
zur Erzeugung eines Treibgasvolumens F E, das zur Gasturbine strömt und in ihr eine
Nutzarbeit entsprechend der Diagrammfläche FE CKOF leistet. Ein großer
Vorteil dieses an sich bekannten Verfahrens liegt darin, daß das Hubvolumen Ih der
hierbei verwendeten Dieselmaschine nur einen Bruchteil des Hubvolutnens V" bildet,
das eine gewöhnliche Dieselmaschine gleich großer Nutzleistung erhalten müßte.
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In den Diagrammen ist durch die stark ausgezogenen Ausdehnungslinien
B E C K die
Diagrammfläche bei der Nennleistung oder Normalleistung
des Maschinensatzes bestimmt; die Ausdehnungslinien bei kleinerer oder größerer
Belastung sind dagegen gestrichelt gezeichnet. Es sei nun angenommen, daß die Belastung
der Gasturbine sinke. Die Regelung soll gemäß der Erfindung in der Weise durchgebildet
sein, daß der Gegendruck p1 im wesentlichen gleichbleibt. Die der verminderten Belastung
der Gasturbine angepaßte Arbeitsfläche der Verbrennungsmaschine wird durch die gestrichelte
Linie b umschrieben, die durch Verringerung der Brennstoffzufuhr zur Verbrennungsmaschine
herbeigeführt wird. Dann ist die Fläche I um einen gewissen Betrag kleiner als die
Fläche II, denn das Ansaugvolumen O A und der Gegendruck p, der Fläche II
haben sich nicht geändert. Zwischen den Flächen I und II besteht also eine gewisse
Arbeitsdifferenz. Diese kann dadurch ausgeglichen werden, daß man Verbrennungsmaschine,
Verdichter und Gasturbine miteinander kuppelt, so daß gewissermaßen ein rückwärts
gerichteter Leistungsfluß von der Gasturbine zum Treibgaserzeuger eintritt. Ein
Teil der Gasturbinenleistung wird also in Verdichterleistung umgesetzt. Mit anderen
Worten bedeutet das, daß einer verringerten Brennstoffmenge eine relativ größere
Luftmenge zugeordnet, der Luftüberschuß also vergrößert wird.
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Im umgekehrten Fälle, also bei einer Vergrößerung der Belastung der
Gasturbine und entsprechend einer Vergrößerung der Fläche I bis zur Begrenzungslinie
b' steht einer vergrößerten Brennstoffmenge eine relativ kleinere Luftmenge gegenüber.
Der Luftüberschuß wird also verringert. Der Leistungsüberschuß der Fläche I gegenüber
der Fläche II geht unmittelbar in die Welle der Gasturbine über.
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Bei dem Regelverfahren nach dem Diagramm der Abb. 2 wird ebenfalls
wieder der Druck p1 nahezu gleichbleibend gehalten, jedoch wird einer veränderten
Belastung der Gasturbine und damit einer veränderten Brennstoffzufuhr zum Treibgaserzeuger
auch eine veränderte Luftzufuhr angepaßt. Die Veränderung der Luftzufuhr kann z.
B. durch Drosselung der angesaugten Luftmenge herbeigeführt werden. Im Diagramm
ist angenommen, daß der Ausdehnungslinie b eine Verdichtung nach der Linie d und
dementsprechend ein verringertes Ansaugevolumen O A' zugeordnet sei, das
ebenfalls wieder bis zum Druck P1 verdichtet wird. Bei dieser Art der Regelung ist
eine Kupplung der einzelnen Maschinen des Maschinensatzes nicht unbedingt erforderlich,
doch kann es in vielen Fällen zweckmäßig sein, die Kupplung doch vorzunehmen, um
etwaige Differenzen zwischen der Leistung der Verbrennungsmaschine und dem Energiebedarf
des Verdichters auszugleichen.
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Bei einer gemäß der Erfindung auf gleichbleibenden Treibgasdruck eingestellten
Regelung wird in der Verbrennungsmaschine bei unverändert bleibender Steuerung der
Ein-und - Auslaßventile immer annähernd der gleiche Verdichtungsdruck erreicht und
damit die erforderliche Zündtemperatur auch bei kleinen Belastungen sichergestellt.
Mit abnehmender Belastung sinkt zwar die in die Brennkraftmaschine eingeblasene
Luftmenge infolge der vorgesehenen Luftregelung unter die zum Füllen des Zylinders
erforderliche Menge H D, und es bleiben demzufolge destomehr Verbrennungsrückstände
im Zylinder zurück, je niedriger die Belastung wird. Unter diesen Umständen könnte
die Zündfähigkeit trotz genügend hoher Zündtemperatur bei kleinen Belastungen leiden.
Infolgedessen wird man etwas andere Diagramme verwirklichen, als in den Abb. i und
-9 dargestellt sind. Man wird nämlich bei Vollast erheblich mehr Luft in den Zylinder
einblasen, als der eigentlichen Zylinderfüllung H D entspricht, um die Temperatur
der Treibgase auf einen für die Gasturbine geeigneten Betrag zu senken, und erhält
dann auch bei kleinen Belastungen im Verhältnis mehr Frischluft und demzufolge weniger
Verbrennungsrückstände, als unter Zugrundelegung der Diagramme nach den Abb. i und
Z zu erwarten ist.
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Der Treibgasdruck hinter dem Treibgaserzenger
entspricht
annähernd dein Eintrittsdruck der Treibgase in die Turbine. Dadurch, daß dieser
Druck im wesentlichen gleichbleibend für alle Turbinenbelastungen erhalten bleibt,
wird der Vorteil erreicht, daß die Gase die Turbine immer mit nahezu derselben Geschwindigkeit
beaufschlagen, so daß die Turbine trotz wechselnder Belastung mit gutem Wirkungsgrad
arbeiten kann. Im übrigen ergeben sich aus der Regelung auf gleichbleibendem Treibgasdruck
für den Betrieb der Gasturbine ähnlich günstige Bedingungen wie für Dampfturbinen,
die mit konstantem Dampfdruckvor ihrenEinlaßventilen arbeiten.
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In den Abb. 3 bis io sind schematisch einige Beispiele dargestellt,
die zeigen, auf welchen Wegen die Regelung durchgeführt werden kann. Die Beispiele
erschöpfen selbstverständlich die Regelmöglichkeiten der Erfindung nicht, sondern
geben nur einige Sonderfälle, die besonders zweckmäßig erscheinen, In den Abbildungen
ist durchgehend mit B der Brennstoffbehälter, mit U die Verbrennungsmaschine, mit
K der Verdichter, mit T
die Turbine, mit G ein Generator, mit V das
Brennstoffventil der Verbrennungsmaschine, mit D ein Ventil in der Tr eibmittelleitung
und mit A ein Ventil in der Ansaugeleitung des Verdichters K bezeichnet.
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In allen Abbildungen wird der Brennstoff aus dem Behälter B der Verbrennungs=
maschine U durch die Leitung a zugeführt. Der Treibmittelstrom gelangt durch die
Leitung b zur Turbine T. Die Luft wird durch die Leitung c angesaugt und durch die
Leitung d der Verbrennungsmaschine U zugeführt. R ist ein Übersetzungsgetriebe zwischen
Verbrennungsmaschine U und Verdichter K. F ist der Fliehkraftregler der Turbine
T und C eine Kupplung zwischen Verdichter und Turbine.
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In der Abb. 3 ist eine Regelung auf gleichbleibenden Gegendruck des
Treibgaserzeugers und auf gleichbleibende Fördermenge des Verdichters h: bei gleichbleibender
Drehzahl angenommen. Der Fliehkraftregler F wirkt, wie angedeutet, auf das Ventil
L' ein, während ein Überströmimpuls zur Steuerung des Ventils D dient. Bei steigender
Belastung z. B. vergrößert der FliehkraftreglerF, dessen Ausschlag sich infolge
der ein wenig absinkenden Drehzahl der Turbine T verringer t, die Brennstoffzufuhr
zur Verbrennungsmaschine U. Infolgedessen entsteht in der Leitung b vor dem Ventil
D ein Druckanstieg, der das Ventil D
weiter öffnet und dadurch die
Treibmittelzufuhr zur Turbine T vergrößert.
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In der Abb. d. liegt ebenfalls eine Regelung auf gleichbleibende Drehzahl
und gleichbleibenden Gegendruck und gleichbleibende Luftmenge vor, bei der jedoch
der Fliehkraftregler F auf das Ventil D einwirkt und der Impuls für das Brennstoffventil
V dein Drehzahlimpuls nachgeschaltet ist. Einer weiteren Öffnung des Ventils D bei
steigender Belastung der Turbine T folgt ein Druckabfall in der Leitung b. Dieser
Druckabfall wirkt als Impuls auf eine weitere Öffnung des Ventiles h hin.
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Von den eben beschriebenen Regelungen nach den Abb. 3 und q. unterscheidet
sich die Regelung nach den Abb. 5 bis io dadurch, daß die der Verbrennungsmaschine
U zugeführte Luftmenge veränderlich ist. Es ist angenommen, daß die Veränderung
der Luftmenge durch Drosselung der angesaugten Menge herbeigeführt würde. Es kann
selbstverständlich zu diesem Zwecke auch jede andere Regelungsmöglichkeit angewandt
werden, z. B. in der Weise, daß man die überschüssig vom Verdichter K geförderte
Luftmenge abbläst oder zurückschiebt. Bei dieser Regelung sind drei verschiedene
Impulse angenommen, und zwar wie im Falle der Abb. 5 ein Impuls vom Fliehkraftregler
F auf das Brennstoffventil V, ein Überströmimpuls für das Ventil D und zusätzlich
ein Drehzahlimpuls auf das Ventil A. Einer vergrößerten Belastung der Turbine T
wird eine erhöhte Brennstoffzufuhr durch das Ventil L' und eine erhöhte Luftzufuhr
durch das Ventil A zugeordnet. Bei dieser Anordnung ist übrigens die Kupplung C
zwischen den Maschinen K und T nicht unbedingt erforderlich.
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Die Anordnung nach der Abb.6 unterscheidet sich von der Anordnung
nach Abb. 5 dadurch, daß der Impuls für das Ventil A nicht unmittelbar von der Belastung
der Maschine T abgenommen wird, sondern als mittelbarer Impuls dadurch gewonnen
wird, daß man einen Druckimpuls aus der Leitung b, und zwar hinter dem Ventil D"
abnimmt. Bei einer vergrößerten Belastung der Turbine T steigt der Druck in der
Leitung b hinter dein Ventil D. Der Druckanstieg wirkt als Impuls auf das Ventil
A ein und verstellt dieses im Sinne einer vergrößerten Luftzufuhr zur Verbrennungsmaschine
U.
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Während bei den bisherigen Regelanordnungen immer nur ein Fliehkraftregler
vorhanden war, nämlich der der Turbine T, ist bei den Anordnungen nach den Abb.
; und 8 die Kupplung zwischen der Maschine K und Z' gelöst und außerdem die Verbrennungsmaschine
U mit einem Fliehkraftregler F' ausgerüstet. Der Impuls für die Brennstoffzufuhr
zur Verbrennungsmaschine U wird wieder von der Turbine T abgenommen, und zwar entweder
unmittelbar (Abb. 7) oder mittelbar (Abb. 8), während in beiden Fällen der Impuls
für die Regelung der Luftzufuhr zum Verdichter vom Fliehkraftregler F' der Verbrennungsmaschine
Uabgenommen wird. Dabei
brauchen die beiden Fliehkraftregler nicht
denselben Ungleichförmigkeitsgrad zu besitzen, sondern es kann im Gegenteil zweckmäßiger
sein, dem Fliehkraftregler der Verbrennungsmaschine einen erheblich größeren Ungleichförmigkeitsgrad
zu geben.
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Die Regelanordnung nach den Abb.9 und io ähnelt der Anordnung nach
den Abb. 5 und 6, nur sind Drehzahlregler und Druckimpuls in ihrer Wirkung auf die
Brennstoffzufuhr T>' und Treibmittelzufuhr D miteinander vertauscht.