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Regelanordnung für Gasturbinenanlagen mit gleichbleibender Drehzahl
Die Erfindung geht von einer Gasturbinenanlage mit gleichbleibender Drehzahl aus,
bei der das Treibgas für -die die Nutzarbeit leistende Turbine durch eine ihr vorgeschaltete
und von ihr getrennte, mit einem Luftverdichter .gekuppelte und mit Aufladung, arbeitende
Brennkraftkolbenmaschine erzeugt wird, die mit einem mit demAbgasdruck sich deckenden
Druck aufgeladen wird und die Verbrennungsenergie des Brennstoffes im Gleichgewichtszustand
der Kolbenmaschine nur zur Deckung des Leistungsbedarfes des Verdichters, aber nicht
zur Abgabe äußerer Arbeit ausnutzt. Dabei wird die Brennstoffzufuhr und gegebenenfalls
gleichzeitig die Luftzufuhr zur Brennkraftkolbenmaschine selbsttätig in Abhängigkeit
von derTurbinenbelastung geregelt. . ' Das Arbeitsverfahren eines solchen Maschinensatzes
sei an Hand des Diagrammes der Abb. z erläutert, und zwar sei vom Punkt D des Diagrammes
ausgegangen. Es ist dabei eine Maschine mit Steuerung des Auslasses durch ein Ventil
angenommen, das im Punkt G öffnet und im Punkt D wieder abschließt; es ist ferner
angenommen, daß der Verdichter in einen Raum fördert, der` mit dem Brennkraftzylinder
durch Einlaßschlitze in Verbindung gebracht bzw. gegen diesen abgesperrt wird. Ini
Punkt D beginnt die Verdichtung der Ladung der Brennkraftkolbenmaschine. Die Verdichtung
wird bis zu einem Druck p2 getrieben und dann im Punkt B Brennstoff eingespritzt,
der verbrennt. Die Gase expandieren bis zum Punkt G, wo die Ausströmung beginnt,
und entspannen sich-sehr schnell bis zumPunktH. Wäre derEntspannungsvorgang nicht
durch die Ausströmung bei G unterbrochen worden, so hätte sich die Entspannung bis
zum Punkt E fortgesetzt. Das Volumen, das der Strecke H-E' und dem Druckabfall zwischen
G und E entspricht, ist also, wenn der Kolben bis zum Punkt H gelangt ist, bereits
aus dein Zylinder ausgeströmt. Im Punkt H während des Arbeitshubes wird z. B. durch
kolbengesteuerte Schlitze Luft in den Zylinder eingeführt, die auf dem Wege HEI
und zurück auf dem -Wege JEH einen Teil der im Zylinder . befindlichen Verbrennungsgase
ausschiebt. Während des Verdichtungshubes wird dann bei H die Luftzufuhr wieder
abgeschlossen. Man muß sich vorstellen, <daß jetzt im Zylinder eine bestimmte
Luftmenge und dieser vorgglagert noch eine bestimmte Gasmenge enthalten ist. Auf
dem Wege von H nach D drückt der Kolben über die vorgelagerte Luftmenge
die noch im Zylinder verbliebenen Gase aus .diesem .durch das Ausl.aßventil heraus.
Die Ausschubbewegung ist im Punkt D: beendet, wo wieder der Verdichtungsvorgang
beginnt. Es ergibt sich also
eine schraffierte Diagrammfläche I
als Arbeitsfläche der Kölbenxiläschine. Mit dieser Kolbenmaschine ist ein Verdichter
gekuppelt, der die Luftmenge 0A ansaugt und sie von A
nach D verdichtet. -
Es steht dann ein Luftvolumen DF vom Druck p, zur Verfügung. Dieses Luftquantum
ist es, das auf dem Wege HEI-IEH in den Brennkraffzylinder hineingelangt und diesen
auflädt. Dabei ist angenommen, daß die verdichtete Luftmenge lediglich gleich der
Aufladeluftmenge ist, also kein besonderer Spülluftüberschuß zur Anwendung gelangt.
Bei der tatsächlichen Ausführung des Maschinensatzes wird es sich wahrscheinlich
nicht umgehen lassen, mit einer zusätzlichen Spülluftmenge zu arbeiten, doch kann,dieser
Fall außer acht bleiben, da er grundsätzlich an der Arbeitsweise des Treibgaserzeugers
der Brennkraftkolbenmaschine und des Verdichters nichts ändert.
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Der Arbeitsbedarf des Verdichters ist durch die schraffierte Fläche
II dargestellt, und zwar sind die Flächen I und II praktisch flächengleich, so .daß
also Verdichter und Brennkraftmaschine eine in sich geschlossene Maschinengruppe
darstellen, bei .der eine freie Wellenleistung theoretisch überhaupt nicht, praktisch
nicht in nennenswertem Umfange zur Verfügung steht.
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Die in der Gasturbine- arbeitende Gasmenge vom Druck p1 setzt sich
aus folgenden Teilbeträgen zusammen: i. der Gasmenge, die bei der Ausströmung von
G nach H aus dem Zylinder auspufft; sie entspricht angenähert dem Volumen
HE,
z. der Gasmenge,, die durch Auffüllen des Brennkraftzylirnders mit demLuftvolumenFD
ausgeschoben wird; diese Gasmenge. muß gleich dieser Luftmenge sein, wenn man von
der Erwärmung der frischen Luftladung bei ihrem Eintritt in den Zylinder absieht,
und 3. der Gasmenge, die durch den Kolben auf dem Wege HD ausgeschoben wird.
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Die Summierung .dieser drei Teilmengen ergibt angenähert die Gesamtmenge
FE. Der Entspannungsverlauf in der Gasturbine würde .dann vom Punkt E über den Punkt
C nach der Diagrammspitze verlaufen, die wegen der Länge .des Diagrammes nur arige-.deutet
werden konnte.
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Der aus "Kolbenbrennkraftrnaschine und Verdichter bestehende Maschinensatz
entspricht bei einer Dampfkraftanlage,dem Kessel. Es' ist jedoch nicht möglich oder
jedenfalls nicht zweckmäßig, die von Dampfkraftmaschinen her bekannten Regelungsmöglichkeiten
bei Maschinensätzen, wie sie der Erfindung zugrunde liegen,' anzuwenden. Eine Kesselanlage
regelt man nämlich so, daß der Kesseldruck bzw. die Dampftemperatur annähernd konstant
bleibt. Gemäß der Erfindung ist die Anordnung in .der Weise ausgebildet, daß bei
Lastanstieg selbsttätig die Drehzahl gesteigert, gleichzeitig aber auch -der Aufladedruck
erhöht wird. Hieraus ergibt sich eine Steigerung des Ver-.dichtungsenddruckes in
,der Verbrennungsmaschine und gleichzeitig eine Erhöhung des Treibgasdruckes vor
der Turbine. Die Turbine arbeitet .dabei mit gleichbleibenden Öff-
nungsquerschnitten,
d. h. es werden nicht, wie bei einer Dampfkraftmaschine, mit steigender Belastung
größere Einlaßquerschnitte freigegeben, sondern diese bleiben konstant. Daß es unter
bestimmten Voraussetzungen zweckmäßig ist, auch eine Treibgasmengenregelung unter
Querschnittsv eränderung an der Turbine vorzunehmen, wird später erläutert werden.
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Die Regelung wird in der Weise durchgeführt, daß bei Laständerungen
der Gasturbine die Brennstoffzufuhr und gegebenenfalls auch die Luftzufuhr beeinflußt
werden, und zwar selbsttätig von einem oder mehreren die Turbinenbelastung mittelbar
oder unmittelbar, messenden Reglern.
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Der Vorteil einer derartigen selbsttätigen Regelung liegt in folgendem:
Wird, wie oben auseinandergesetzt, .der Treibgasdruck konstant gehalten, so ist
ein-,sehr starke Drehzahländerung an der Brennkr.aftmaschine erforderlich: Wird
dagegen die Drehzahl konstant gehalten, so ändert -sich, wie eben dargel#-gt, die
Diagrammhöhe sehr stark. Dadurch, daß weder(der Rufladedruck noch die Drehzahl konstant
gehalten werden, wird einerseits eine zu weitgehende Drehzahländerung vermieden,
andererseits bei allen Belastungen eine genügende Höhe des Arbeitsdiagrammes der
Brennkraftmaschine sichergestellt. Für die Turbine ergibt sich als wesentlicher
Vorteil dieser Regelung, daß Laständerungen nicht durch Beeinflussung ihrer Einlaßorgane,
sondern unmittelbar .durch Änderung des Treibgasdruckes bzw. der Treibgasmenge ausgeglichen
werden.
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Die Verhältnisse, die sich bei einer Regelungsvorrichtung gemäß der
Erfindung ergehen, seien wiederum an Hand .des Diagrammes der Abb. i erläutert.
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Es sei angenommen, daß im Punkt B des Diagrammes der von der Turbinenbelastung
ausgehende Regelimpuls eine kleinere Brennstoff zufuhr zur Kolbenmaschine einstelle.
Die. Folge davon ist, @daß .das Diagramm I während-dieses Hubes schmäler wird, so
daß der Punkt G um eine bestimmte Strecke sich senkrecht nach unten verschiebt.
An der Diagrammfläche II hat sich aber zunächst noch nichts geändert, so daß die
Flächengleichheit zwischen den Diagrammflächen I und II gestört ist, und zwar zuungunsten
der Brennkraftmaschine.
Die Folge hiervon ist, wie ohne weiteres
einzusehen ist, ein Drehzahlabfall des aus Brennkraftmaschine und Verdichter bestehenden
Maschinensatzes. Wenn nun im Punkt G, der, wie bereits erwähnt, etwas tiefer liegt
als in dem ausgezogenen Diagramm, die Verbindung mit der Turbine hergestellt wird,
so tritt folgendes ein: Die Einlaßquerschnitte der Turbine sollten sich voraussetzungsgemäß
nicht ändern. Es fehlt zwischen Treibgaserzeuger undTurbine jeder Regelkörper. Die
- zur Turbine strömende sekundliche Treibgasmenge ist aber durch die angenommene
Verringerung der Brennstoffmenge und den darauffolgenden Drehzahlabfall verkleinert
worden, so daß also jetzt einer verkleinerten Gasmenge nach wie vor der große Eintrittsquerschnitt
vor der Turbine, bei etwas größerer Turbinendrehzahl, zur Verfügung steht, die jedoch
auf das Schluckvermögen .des Eintrittsquerschnitts so gut wie keinen Einfluß ausübt.
Die Folge .davon ist, daß der Druck, auf ,den sich die im Zylinder befindlichen
Gase in die Treibgasleitung entspannen, jetzt niedriger liegt als bei vorangegangenem
Hub. Wenn nun jetzt im Punkt H die Verbindung zwischen Brennkraftzylinder und dem
Verdichter hergestellt wird, so arbeitet der Verdichter auf einen geringeren Aufladedruck
als p1, d. h. auch der Aufladedruck sinkt. Die Verringerung der Diagrammfläche II
geht aber zunächst nicht so weit, wie die Verminderung der Diagrammfläche I, die
durch die Verkleinerung der Brennstoffmenge hervorgerufen wurde. Die Drehzahl des
Treibgaserzeugers sinkt daher weiter selbsttätig, und es wird sich erst allmählich
wieder ein Gleichgewicht einstellen, wenn der Drück p1 auf pl abgesunken ist, das
Diagramm also die gestrichelt eingezeichnete Form angenommen hat. In diesem Falle
ist mit sinkender Belastung der Rufladedruck abgesunken, der Verdichtun:gsenddruck
in der Kolbenbrennkraftmaschine ist kleiner geworden, und die Drehzahl hat sich
gleichsinnig mit der Lastverkleinerung verringert, d. h. das ganze Energieniveau
.des Maschinensatzes (Drücke. und Drehzahlen) sind mit der Lastverringerung verkleinert
worden. Bei Wiederanstieg der Last geht der Regelvorgang. dann in umgekehrtem Sinne
vor sich, d. h. eine Vergrößerung .der Brennstoffzufuhr führt zu einer Vergrößerung
der Diagrammfläche I gegenüber ,der Diagrammfläche II. Der Maschinensatz beschleunigt
sich infolge der hierdurch entstehenden Überschußleistung, und zwar dauert diese
Beschleunigung so lange an, bis wiederFlächengleichheit zwischen den Diagrammen
I und II hergestellt ist, d. h. bis der Rufladedruck so weit angestiegen ist, daß
die Linie a-a wieder die Flächenmittellinie des Diagrammes ist. Die Aufwärtsverschiebung
der Liniea-a, d: h. die Steigerung des Aufladedruckes, kommt dadurch zustande, daß
bei unverändert bleibendem Eintrittsquerschnitt der Turbine durch diesen gleichbleibenden
Querschnitt gewissermaßen ein Aufstauen des Druckes vor der Turbine entsteht, d.
h. die vergrößerte Treibgasrrienge, die sich durch Erhöhung der Brennstoffzufuhr
ergibt, kann nur dann in die Turbine eintreten, wenn ihr Anfangsdruck entsprechend
ansteigt. Die Turbine kann bei allen diesen Betrachtungen als ein Drosselorgan von
im wesentlichen gleichbleibendem Ouerschnitt angesehen werden.
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Aus .den vorstehenden Betrachtungen geht hervor, daß eine besondere
Regelung für die zu verdichtende Luftmenge nicht unbedingt erforderlich ist. Es
kann jedoch in manchen Fällen erwünscht sein, die zu verdichtende Luftmenge sich
zusätzlich mit der Belastung ändern zu lassen; in diesem Falle ist außer der Regelung
der Brennstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine auch eine Luftregelung vorzusehen.
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Es war bereits angedeutet, .daß der Einlaßquerschnitt der Turbine
zweckmäßig nicht bei allen Belastungen konstant gehalten wird, und zwar liegt der
Fall bei kleinen Turbinenbelastungen vor. Im Zusammenhang mit der Regelung auf gleichbleibende
Drehzahl war darauf hingewiesen worden, daß infolge zu starken Absinkens des Aufladedruckes
die Gefahr besteht, daß der erforderliche Verdichtungsenddruck in derBrennkraftmaschine
nicht erreicht wird. Ähnliche, wenn auch bei weitem nicht so starke Erscheinungen
könnten auch bei der Regelung gemäß der Erfindung auftreten. Es ist deshalb zweckmäßig,
im Bereich geringer Belastungen des Maschinensatzes -die Treibgaszufuhr zur Turbine
zusätzlich zu regeln, um eine gewisse Rufstauung.des Treibgasdruckes und .damit
auch des Rufladedruckes zu ermöglichen. Ein solches Regelorgan läßt sich dabei gleichzeitig
als Schnellschlußventil ausbilden, das bei unzulässig hohem Drehzahlanstieg .durch
einen Sicherheitsregler geschlossen wird.
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In den Abb. 2 bis 5 sind schematisch einige Regelungsvorrichtungen
gemäß derErfindung dargestellt. In allen Abbildungen bezeichnet U,die Brennkraftkolbenmaschine,
K den Verdichter, T die Gasturbine, G den von ihr angetriebenen Generator, B den
Brennstoffbehälter, Il ein Regelorgan zur Einregelung der Brennstoffzufuhr zur Maschine
U, a die $rennstoffleitung, b dieTreibgasleitung, c ,die Luftansaugeleitung,
d dieDruckluftleitung, F den Drehzahlregler der Turbine T. Es ist angenommen, daß
der Verdichter ein Schnelläufer, insbesondere ein Kreiselverdichter, sei, der
durch
ein. Übersetiungsgetriebe R von der Maschine U arigetrielieii *i`td. Es ändert sich
naturgemäß nichts - an den Verhältnissen, wenn der Verdichter K ummittelbar mit
der Maschine U als Kolbenverdichter gekuppelt ist. Im Falle der Abb.2 ist die einfachste
Art der Regelung dargestellt, nämlich die Steuerung des Ventils V unmittelbar vom
Drehzahlregler F der Turbine T aus. Es ergibt sich .dann das Betriebsverfahren,
das an Händ des Diagrammes erläutert wurde. Bei der Anlage nach Abb.3 ist zusätzlich
eine Luftregelung vorgesehen, und zwar ist -angenommen, @daß ein Regelorgan A in
der Frischluftleitung c vom Regler F aus verstellt würde. Die Art der Luftregelung
ist in der Abb. q. in der Weise abgeändert, daß die Luftregelung der Brennstoffregelung
nachgeschaltet ist und durch einen Druckimpuls gesteuert wird. Wenn nämlich mehr
Brennstoff in die Maschine U eingegeben wird, so steigt, wie oben näher auseinandergesetzt
wurde, der Treibgasdruck. Man kann dann vom steigenden Treibgas.druck@ aus einen
Impuls auf die Ansaugemenge im Sinne von deren Vergrößerung geben.
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Bei der Ausführungsform nach der Abb. 5 schließlich ist die Regelung
zwar auch der Brennstoffregelung nachgeschaltet, jedoch wird sie in diesem Falle
durch einen besonderen . Drehzahlmesser der Maschine U gesteuert.