DE585967C

DE585967C - Power control of a gas turbine

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Publication number: DE585967C
Application number: DEW86840D
Authority: DE
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Priority date: 1931-08-27
Filing date: 1931-08-27
Publication date: 1935-01-16

Description

Leistungsregelung einer Gasturbine Die verlustlose, vollkommene Regelung der Leistung einer Dampfturbine, die mit gleichbleibender Drehzahl und gleichbleibendem Anfangs- und Endzustand arbeitet, könnte dadurch erzielt werden, daß sämtliche Durchflußquerschnitte im geraden Verhältnis der Leistung verändert würden. Dieser Forderung kann man jedoch höchstens bei einstufigen Turbinen nahekommen, während man sich bei mehrstufigen Turbinen im allgemeinen mit der Regelung der ersten Druckstufe begnügen und je nach dem Grade der Unterteilung in einzelnen Düsengruppen Verluste von 7;5 bis r2 % der Gesamtleistung in Kauf nehmen muß (vgl. S t o d o 1 a, 5. Aufl., S.448).Power control of a gas turbine The lossless, perfect control the power of a steam turbine that operates at a constant speed and constant Initial and final state works, could be achieved that all flow cross-sections would be changed in an even ratio of performance. However, this requirement can be met at most with single-stage turbines come close, while with multi-stage Turbines are generally content with the regulation of the first pressure stage and depending on the degree of subdivision into individual groups of nozzles losses from 7; 5 to r2% of the Total performance must be accepted (cf. S t o d o 1 a, 5th edition, p.448).

Im Gegensatz hierzu läßt sich bei solchen Gasturbinen, die mit einem unter dem Atmosphärendruck liegenden -Enddruck der Expansion arbeiten, mit einfachsten Mitteln eine vollkommene Regelung durchführen. Gegenstand vorliegender Erfindung bildet eine solcheRegelurig. DieErfindung besteht darin, daß bei im wesentlichen gleichbleibendem Wärmegefälle der Anfangsdruck der Arbeitsgase vor der Turbine und der Enddruck der Arbeitsgase hinter der Turbine im gleichen Verhältnis verändert werden. Hierbei soll im allgemeinen die Höchsttemperatur unverändert bleiben, während sich das spezifische Volumen der Arbeitsgase ändert, so daß die durchfließende Gasmenge sich im gleichen Verhältnis wie das spezifische Volumen verändert.- Hierdurch wird auch die von der Turbine geleistete Arbeit, die das Produkt aus dem Wärmegefälle und der Durchflußmenge ist, unmittelbar beeinflußt.In contrast, in such gas turbines with a below atmospheric pressure - the final pressure of the expansion work, with the simplest Means carrying out a perfect settlement. Subject of the present invention forms such a regular. The invention consists in that at essentially constant heat gradient the initial pressure of the working gases upstream of the turbine and the final pressure of the working gases behind the turbine changes in the same ratio will. In general, the maximum temperature should remain unchanged during this the specific volume of the working gases changes, so that the amount of gas flowing through changes in the same proportion as the specific volume also the work done by the turbine, which is the product of the heat gradient and the flow rate is directly influenced.

In Abb, r ist eine Turbinenanlage dargestellt. Der Vorverdichter A, der durch die Turbine T2 oder auch beispielsweise durch eine mit dem Arbeitsgas betriebene, umlaufende Kolbenmaschine angetrieben wird, saugt durch den Stutzen S Frischluft an und verdichtet diese bis auf einen bestimmten Druck. Darauf strömt die verdichtete Luft in die Brennkammer B und wird hier erhitzt. Alsdann werden die Gase durch die Turbinen oder Kolbenmaschinen T1 und T2 geleitet. In diesen erfolgt die Ausdehnung der Gase, und zwar in der Turbine T1 so weit, daß die restliche Ausdehnungsarbeit in der Turbine T= für die Vor- und Nachverdichtung der Gase ausreicht. Schließlich strömen die Gase, nachdem sie zuvor in dem Kühler K noch abgekühlt worden sind, in den Nachverdichter C, in dem sie möglichst isothermisch; auf den Druck der Außenluft verdichtet werden.A turbine system is shown in Fig, r. The pre-compressor A, by the turbine T2 or also, for example, by one with the working gas operated, rotating piston machine is driven, sucks through the nozzle S Fresh air and compresses it down to a certain pressure. Flows on it the compressed air enters the combustion chamber B and is heated here. Then become the gases passed through the turbines or piston engines T1 and T2. In these takes place the expansion of the gases, in the turbine T1 so far that the remaining expansion work in the turbine T = is sufficient for the pre- and post-compression of the gases. In the end the gases flow after they have previously been cooled in the cooler K, in the booster C, in which it is as isothermal as possible; on the pressure of the outside air be condensed.

Im I-S-Diagramm (Abb.2) ergibt sich unter Annahme verlustloser Verdichtung und Ausdehnung bei Vollast folgender Verlauf der. Zustandsänderungen: Vorverdichtung bis auf beispielsweise 5 at (z-2), Wärmezufuhr bis auf beispielsweise 6oo° C (2-3), adiabatische Ausdehnung bis auf beispielsweise o,5 at (3-4), Abkühlung bis auf etwa 30° C (4-5) und schließlich isothermische Verdichtung bis auf den Druck der Außenluft (5-z). Bei Vollast beträgt die Füllung des Vorverdichters A ioo °/o, d. h. es tritt während des ganzen Ansaugehubes ohne nennenswerte Drosselung Luft in den Zylinder ein, so daß bei Beginn des Verdichtungshubes der Druck der angesaugten Luft etwa i at beträgt. Teillasten werden gemäß dein bereits Gesagten dadurch erzielt, daß das spezifische Volumen des Gases vergrößert wird, damit ein geringeres Gasgewicht durch die Turbine strömt. Das ist auf verschiedene Weise möglich: i. Soll z. B. eine Leistung erzielt werden, die etwa 40 °/o der normalen beträgt, so wird mittels eines Expansionsschiebers der Lufteinlaß so gesteuert, daß nur während des ersten Teils des Hubes Luft eintritt, so daß diese bis zum Hubende auf einen Bruchteil des Anfangsdruckes adiabatisch expandiert (Abb.2, 1-6) und während des folgenden Verdichtungshubes gleichfalls adiabatisch auf 2 at verdichtet wird (6-7). Nach erfolgter Wärmezufuhr bis auf wiederum 6oo' C haben nunmehr die Gase ein 5j2 - 211.., mal größeres spezifisches Volumen wie bei Vollast. Vorausgesetzt, daß dafür gesorgt wird, daß das spezifische Volumen am Ende der Expansion in der Turbine gleichfalls 21/2inal so groß ist wie bei Vollast, der Druck somit o,2 at beträgt, strömen also nur =j;, der Gase durch die Turbine (8-9), womit dann die Leistung bei gleichgebliebenem Wärmegefälle nur rund 40 °/o beträgt. Es folgt die Wärmeabfuhr bei gleichbleibendem Druck (9-io) und darauf die isothermische Verdichtung (io-i) auf den Atmosphärendruck. Der Verdiclitersatz behält bei allen Teillasten die gleiche Drehzahl wie bei' Vollast bei. Der Nachverdichter arbeitet stets mit ioo °1a Füllung und verarbeitet damit bei allen Belastungen das gleiche Volumen. Es wird sich also, wenn der Vorverdichter nur beispielsweise die Hälfte der normalen Luftmenge liefert, vor dem Nachverdichter auch nur ein halb so großer Druck einstellen. Bei etwa 1/5 Last beträgt die Füllung 2o °/o, der Höchstdruck i at und der niedrigste o,i at. Der Verlauf der Zustandsänderungen ist hierbei folgender: i-i r-1-12-13-14-1. Bei noch kleineren Teillasten liegt der Höchstdruck unter i at, und die Füllung wird dementsprechend geringer als 20 Nun ist es eine Tatsache, daß der theoretische thermische Wirkungsgrad bei Volllast am günstigsten ist und bei kleiner werdender Last abnimmt, da auch die mittlere Temperatur, bei der die Wärmezufuhr erfolgt, bei Teillast abnimmt (a. Hauptsatz der Wärmelehre). Die Folge davon würde sein, daß die geleistete Arbeit nicht im geraden Verhältnis zu den Drücken stünde, sondern vom thermischen Wirkungsgrad abhängig wäre. Es kann indessen dieser Einfluß dadurch wieder annähernd ausgeglichen werden, daß die bei größerer Belastung _ an sich größere theoretischeVerdichtungsarbeit durch den Wirkungsgrad der Verdichtung noch weiter vermehrt wird.In the IS diagram (Fig. 2), assuming lossless compression and expansion at full load, the following curve results . Changes in state: precompression down to, for example, 5 at (z-2), heat supply up to, for example, 600 ° C (2-3), adiabatic expansion up to, for example, 0.5 at (3-4), cooling down to about 30 ° C ( 4-5) and finally isothermal compression down to the pressure of the outside air (5-z). At full load, the charge of the pre-compressor A is 100%, ie air enters the cylinder during the entire intake stroke without significant throttling, so that at the beginning of the compression stroke the pressure of the intake air is approximately i at. According to what has already been said, partial loads are achieved by increasing the specific volume of the gas so that a lower gas weight flows through the turbine. You can do this in a number of ways: i. Should z. If, for example, an output which is about 40% of the normal can be achieved, the air inlet is controlled by means of an expansion valve so that air only enters during the first part of the stroke, so that it adiabatically to a fraction of the initial pressure until the end of the stroke expands (Fig. 2, 1-6) and is also adiabatically compressed to 2 atm during the following compression stroke (6-7). After heat has been supplied up to 600 ° C again, the gases now have a specific volume 5j2-211 ..., times larger than at full load. Provided that it is ensured that the specific volume at the end of the expansion in the turbine is also 21/2inal as large as at full load, the pressure is 0.2 at, so only = j ;, of the gases flow through the turbine (8-9), with which the output is then only around 40% with the same heat gradient. This is followed by heat dissipation at constant pressure (9-io) and then isothermal compression (io-i) to atmospheric pressure. The Verdicliter set maintains the same speed with all partial loads as with full load. The booster always works with 100 ° 1a filling and thus processes the same volume under all loads. If the pre-compressor only delivers half the normal amount of air, for example, only half the pressure will be set up in front of the post-compressor. At about 1/5 load the filling is 20%, the maximum pressure i at and the lowest o, i at. The course of the changes in state is as follows: ii r-1-12-13-14-1. At even smaller partial loads, the maximum pressure is below i at, and the filling is accordingly less than 20 the supply of heat takes place, decreases at partial load (a. main law of thermodynamics). The consequence of this would be that the work done would not be in direct proportion to the pressures, but would be dependent on the thermal efficiency. However, this influence can be more or less compensated for by the fact that the theoretical compression work, which is greater in itself, is increased even further by the efficiency of the compression when the load is greater.

2. Ein einfacheres Mittel zur Erzielung der Druckveränderung vor der Turbine stellt die Verwendung eines Drosselorgans an Stelle des Expansionsschiebers am Vorverdichter dar. Es bleibt in diesem Falle der Kreisprozeß bei Vollast (Abb. 3, 1-2 3-4 5-1) der gleiche wie vorhin. Bei beispielsweise 2j,, Last jedoch tritt zunächst Drosselung bis auf etwa 0,4 at (1-6) ein und darauf die Vorverdichtung auf 2 at (6-7). Der weitere Verlauf des Kreisprozesses (7-8-9-1o-1) ist der gleiche wie im Beispiel i. Bei noch geringerer Belastung, beispielsweise 1l$ Last, wird die in den Vorverdichter eintretende Frischluft noch weiter - bis auf etwa 0,2 at - gedrosselt. Im übrigen ist der Verlauf des Kreisprozesses ähnlich 1-11-12-10--14-15-1-Bezogen auf die Anfangspunkte 1, 6 und i i sind die theoretischen thermischen Wirkungsgrade aller drei Kreisprozesse annähernd gleich. Wenn also die Wärinezu-und -abfuhr auf dem Wege des Wärmetausches vorgenommen werden könnte, würde dieser Fall eintreten. Dadurch jedoch, daß wegen des Austausches der zur Verbrennung benötigten Frischluft einerseits ohne Arbeitsgewinn die Luft expandiert (gedrosselt), andererseits jedoch die verbrauchten Gase über die eigentlichen Endpunkte der Kreisprozesse 6 und i i hinaus verdichtet werden, entsteht ein zusätzlicher Arbeitsverlust. Dieser wächst mit kleiner werdendem Anfangsdruck, also mit kleiner werdender Last. Es stehen demnach auch hier, wenn man die Verbrennung in den Arbeitsgasen- selbst vornimmt, Druck und Arbeitsleistung nicht in geradem Verhältnis zueinander. Es wird jedoch hier im Gegensatz zum Beispiel i die Verdichtungsarbeit bei abnehmender Last größer, so daß sich hier der Verdichterwirkungsgrad nach der anderen Seite, also nicht ausgleichend auswirkt.2. A simpler means of achieving the pressure change before Turbine uses a throttle in place of the expansion valve on the pre-compressor. In this case, the cycle remains at full load (Fig. 3, 1-2 3-4 5-1) the same as before. For example, 2j ,, load occurs first throttling down to about 0.4 at (1-6) and then the pre-compression on 2 at (6-7). The rest of the cycle (7-8-9-1o-1) is the same as in example i. If the load is even lower, for example 1l $ load, the fresh air entering the pre-compressor even further - down to about 0.2 at - throttled. Otherwise, the course of the cycle is similar to 1-11-12-10--14-15-1-related on the starting points 1, 6 and i i are the theoretical thermal efficiencies all three cycle processes approximately the same. So when the heat in and out could be made by way of heat exchange, this would occur. However, because of the exchange of the fresh air required for combustion on the one hand the air expands (throttled) without gain in work, on the other hand however the consumed gases through the actual endpoints of the cycle 6 and i i are compressed, there is an additional loss of work. This grows with decreasing initial pressure, i.e. with decreasing load. It stands accordingly here, too, if the combustion is carried out in the working gases itself, pressure and work performance not in proportion to one another. However, it gets here in contrast to example i the compression work increases with decreasing load, so that here the compressor efficiency is on the other side, i.e. not compensating affects.

Da in den bisher beschriebenen beiden Fällen der Verdichtersatz gleichbleibende Drehzahl hat, kann er natürlich mit der Hauptturbinenwelle T, starr oder über ein Zahnradgetriebe gekuppelt sein. Voraussetzung hierfür ist selbstverständlich, daß auch die Drehzahl der Turbine T, konstant bleibt.Since in the two cases described so far, the compressor set remains the same Speed, it can of course be connected to the main turbine shaft T, rigidly or via a Gear transmission be coupled. The prerequisite for this is, of course, that also the speed of the turbine T remains constant.

3. Eine weitere Möglichkeit, die Gasmenge zu regulieren, besteht darin, die Drehzahl der Vorverdichter zu verändern. Setzt man den Vor- und Nachverdichter je auf getrennte Wellen und versieht man sie finit getrennten Antrieben, so besteht z. B. die Möglichkeit, die Drehzahl des Vorverdichters entsprechend der Last zu verändern und die Drehzahl des Nachverdichters konstant zu lassen. Damit entsteht genau die gleiche Regelwirkung wie in Abb. 2 dargestellt (Veränderung der Füllung). Bei Vollast erreicht die Drehzahl ihren Höchstwert entsprechend roo % Füllung, und bei etwa % Last erreicht die Drehzahl nur 2j.5 ihres Höchstwertes entsprechend Füllung. Bei 1i5 Höchstdrehzahl saugt der Vorverdichter die Luft an und schiebt sie unter dem gleichen Druck (z at) wieder hinaus, und bei noch niedrigeren Anfangsdrücken bewirkt der Vorverdichter lediglich, daß nur die gewünschte Luftmenge durch denselben hindurchströmt bei gleichzeitiger Arbeitsleistung entsprechend einer zoo°/oigen Füllung. Dieses Verfahren besitzt den Vorteil, daß am Vorverdichter keine baulichen Anerdnung@en, wie Expansionsschieber oder Dros.s,elorgane, vorgesehen werden müssen; es hat jedoch andererseits den Nachteil, daß für den Vorverdichter eine besondere Antriebsmaschine notwendig ist. Ferner ist es von ungünstigem Einfluß auf den Wirkungsgrad, daß die Antriebsleistung für Vor- und Nachverdichtung sehr schwankt, und zwar in dem Sinne, daß die Vorverdichterleistung ihren Höchstwert erreicht, wenn die Nachverdichterleistung den niedrigsten Wert hat und umgekehrt.3. Another way of regulating the amount of gas is to change the speed of the supercharger. If the pre-compressor and post-compressor are each set on separate shafts and if they are provided with finitely separate drives, there is z. B. the possibility to change the speed of the supercharger according to the load and to keep the speed of the booster constant. This creates exactly the same control effect as shown in Fig. 2 (change in the filling). At full load, the speed reaches its maximum value corresponding to roo % full load, and at around% load the speed only reaches 2j.5 of its maximum value corresponding to full load. At 1.55 maximum speed, the pre-compressor sucks in the air and pushes it out again under the same pressure (z at), and at even lower initial pressures, the pre-compressor only ensures that only the desired amount of air flows through it with simultaneous work performance corresponding to zoo% Filling. This method has the advantage that no structural connections, such as expansion valves or Dros.s, elorgane, have to be provided on the pre-compressor; On the other hand, however, it has the disadvantage that a special drive machine is necessary for the supercharger. Furthermore, it has an unfavorable influence on the efficiency that the drive power for pre-compression and post-compression fluctuates greatly, in the sense that the pre-compression capacity reaches its maximum value when the post-compression capacity has the lowest value and vice versa.

q.. Schließlich läßt sich durch Veränderung der Drehzahl der miteinander gekuppelten Vor- und Nachverdichter eine Regelung erzielen. Es bleibt jedoch in diesem Falle das Gesamtgefälle nicht konstant, sondern es steigt finit zunehmender Last (Abb. 4). Das ergibt sich deshalb, weil der Nachverdichter nicht wie in den obigen Beispielen stets das gleiche Volumen zu bewältigen hat, sondern ein der Drehzahl entsprechendes. Die Gefällsveränderung, erzeugt durch eine nicht proportionale Druckveränderung, hat zur Folge, daß die Gefällsverteilung in der Turbine sich in an sich unerwünschter Weise ändert. Beträgt z. B. die Gasmenge, für welche die Turbine berechnet ist, % der größtmöglichen entsprechend 2/5 der Höchstdrehzahl bei z at Höchstdruck, so wird bei Höchstlast das Gefälle in den letzten Turbinenstufen wegen des 2112 mal so großen Gasvolumens, das hindurchströmen muß, ein Mehrfaches .des Normalen sein. Die Folge davon ist wiederum, daß sich auch der Anfangsdruck bei Höchstlast etwas steigert und höher als 5 at liegen wird. Aus demselben Grunde wird sich andererseits bei 1/;, der Normaldrehzahl der Anfangsdruck auf unter z at senken.q .. Finally, by changing the speed of the each other coupled pre- and post-compressor achieve control. However, it stays in In this case, the total gradient is not constant, but increases finitely with increasing rate Load (Fig. 4). This is because the booster is not like in the The above examples always have to cope with the same volume, but one of the speed corresponding. The change in slope, generated by a disproportionate change in pressure, has the consequence that the gradient distribution in the turbine is undesirable in itself Way changes. Is z. B. the amount of gas for which the turbine is calculated, % of the highest possible corresponding to 2/5 of the maximum speed at z at maximum pressure, see above at maximum load the gradient in the last turbine stages is due to the 2112 times such a large volume of gas that has to flow through it must be a multiple of the normal. The consequence of this is, in turn, that the initial pressure also changes slightly at maximum load increases and will be higher than 5 at. For the same reason will be the other hand at 1 /;, the normal speed, lower the initial pressure to below z at.

Der Vorteil dieses Verfahrens besteht in der einfachen Ausführung der Verdichter und in der einfachen Schaltung, der Nachteil in dem schlechteren thermischen Wirkungsgrad bei Teillasten. Es dürfte besonders für Schiffsantriebe geeignet sein.The advantage of this method is that it is simple to carry out the compressor and in the simple circuit, the disadvantage in the worse thermal efficiency at partial loads. It is particularly likely for marine propulsion be suitable.

Claims

PATENT CLAIM: Power control of a gas turbine with relaxation under atmospheric pressure and precompression of the working air, characterized in that that with an essentially constant heat gradient, the initial pressure of the working gases in front of the turbine and the final pressure of the working gases behind the turbine in the same Vet ratio can be changed.