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Gasturbinenanlage mit Gleichdmckverbrennung Es ist bekannt, die Leistung
von Gasturbinenanlagen mit Gleichdruckverbrennung mit Hilfe eines Reglers zu regeln,
der bei Veränderung der Belastung die Brennstoffzufuhr verändert. Diese Leistungsregelung
ist wegen ihrer Einfachheit zu bevorzugen, jedoch nicht frei von Mängeln. Da nämlich
die Anfangstemperatur des Treibmittels bei dieser Art von Leistungsregelung im wesentlichen
unverändert bleibt, so kann bei geringen Belastungen und entsprechend geringen Verdichterleistungen
die Austrittstemperatur unzulässig hohe Werte erreichen, welche die Lebensdauer
der Turbine zu gefährden geeignet sind.
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Um diesen Nachteilen zu begegnen, ist schon früher vorgeschlagen worden,
mit der Verminderung des Betriebsdruckes gleichzeitig eine Verminderung der Austrittsspannung
herbeizuführen, um das ursprüngliche Ausdehnungsverhältnis und damit die zulässigen
Temperaturwerte im wesentlichen zu wahren. Indessen ist dieses Verfahren schwer
ausführbar, da es sehr verwickelte Regelungseinrichtungen erfordert.
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Bei Gasturbinenanlagen mit Gleichdruckverbrennung, in denen zwei oder
mehr Turbinen hintereinandergeschaltet sind, "kann der Fall eintreten, daß die Turbinen
mangels ausreichenden Wärmegefälles nicht mehr die erforderlichen Leistungen abzugeben
in der Lage sind. Durch die Erfindung sollen die vorhandenen Schwierigkeiten dadurch
beseitigt werden, daß in einer Gasturbinenanlage mit Gleichdruckverbrennung mit
wenigstens einer Nutzleistungsturbine und wenigstens einer auf anderer Welle arbeitenden
Verdichterantriebsturbine zwei Regelvorrichtungen vorgesehen sind, von denen die
eine, im folgenden der Einfachheit wegen Leistungsregler genannt, in bekannter Weise
durch Veränderung der Brennstoffzufuhr die Gesamtleistung regelt, während die andere,
im folgenden Zusatzregler genannt, die Auslaßtemperaturen mittelbar oder unmittelbar
einstellt bzw. das Verhältnis der Einzelleistungen der Turbinen zueinander regelt.
Voraussetzung für die Anwendbarkeit dieser Regelung ist, daß die einzelnen Turbinen
bzw. Turbinenstufen der Anlage auf getrennten Wellen laufen. Die Regelung der Auslaßtemperatur
bzw. die Verlagerung der Einzelleistungen durch den Zusatzregler kann in verschiedener
Weise erfolgen.
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Die Zusatzregelvorrichtung kann gesteuert werden durch Einlaß- oder
Auslaßtemperaturen, durch die Drücke vor oder hinter den Turbinen oder elektrisch,
z. B. von dem von der Nutzleistungsturbine angetriebenen elektrischen Stromerzeuger
aus, oder auch in Abhängigkeit von der Umdrehungszahl der Turbine oder durch mehrere
dieser Einflüsse gleichzeitig. Die Zusatzregelung kann zur
Veränderung
der' Temperaturen des Treibmittels benutzt werden, z. B. durch Einspritzen von Wasser
in das Treibmittel oder in die Verbrennungskammer. Sie kann sich' ferner auswirken
in einer Vermehrung odereiner Verminderung der Leistung der Veri., dichterantriebsturbine
oder auch der Lei-' stungsturbine bzw. der Verdichterantriebsturbinen und der Leistungsturbinen.
Der Zusatzregler kann auch auf eine zusätzliche Brennstoffzuführung einwirken, durch
deren Ein- oder Ausschaltung bzw. Vermehrung oder Verminderung das Verhältnis der
Einzelleistungen der Turbinen gegeneinander verändert wird. Die aus dieser Veränderung
einer zusätzlichen Brennstoffzuführung entstehenden Veränderungen der Gesamtleistung
werden wiederum durch den Leistungsregler ausgeglichen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
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Fig. i zeigt die Abhängigkeit der Eintritts-und Austrittstemperaturen
einer Gasturbine und der Verdichterle'istung von der Belastung der Anlage. Es sind
als Abszissen die Belastung einer Gasturbinenanlage mit Gleichdruckverbrennung und
als Ordinaten die Eintrittstemperatur t1 in die Turbine, die Austrittstemperatur
t2 .und die Leistung L des Verdichters aufgetragen. Wie aus dem Diagramm ersichtlich,
ändert sich die Eintrittstemperatur bei verschiedenen Belastungen nur sehr umwesentlich.
Bei Abnahme der Belastung sinkt sie etwas, um dann infolge des geringeren Wirkungsgrades
des Verdichters bei kleineren Belastungen wieder etwas anzusteigen. Dagegen steigt
die Austrittstemperatur t2 bei geringeren Belastungen sehr stark an, was darauf
zurückzuführen ist, daß infolge der geringeren Verdichterleistung der Druck des
Treibmittels verringert wird und der Entspannüngsendzustand bei gleichem Gegendruck
in ein höheres Temperaturgebiet fällt. Bezeichnet t die höchstzulässige Austrittstemperatur,
welche sich im vorliegenden Fall bei einer Belastung von a einstellt, so ist ersichtlich,
daß hier eine auf Herabsetzung der unzulässigen Temperaturen hinarbeitende Regelung
einsetzen muß, die mit der gewöhnlichen Brennstoffregelung jedoch nicht erreichbar
ist. Wie die Regelung im einzelnen gemäß der Erfindung durchgeführt wird, sei in
den folgenden Ausführungsbeispielen beschrieben.
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In allen Figuren bezeichnet L den normalen Leistungsregler, i eine
Nutzleistungsturbine, 2 die von ihr angetriebene Maschine, z. B. einen Stromerzeuger,
3 eine Verdichterantriebsturbine, 4 einen von ihr angetriebenen Verdichter, 5 die
Luftansaugleitung des Verdichters, 6 einen Wärmeaustauscher, - 7 eine Verbrennungskammer,
der aus der Leitung 8 Brennstoff durch das vom Leistungsregler L gesteuerte Brennstoffventil
zufließt, io die Treibmittelleitung zur Nutzleistungsturbinei. '". 'Bei der Ausführungsform
nach Fig.2 sind :die Nutzleistungsgasturbine i, die einen elektrischen Stromerzeuger
2 antreibt, und die parallel geschaltete Gasturbine 3, die einen Verdichter 4 antreibt,
auf verschiedenen Wellen angeordnet. Die Verbrennungsluft wird bei 5 in den Verdichter
gesaugt und von diesem über einen Wärmeaustauscher 6, in dem die verdichtete Verbrennungsluft
durch Abgase aus den Turbinen erwärmt wird, in die Verbrennungskammer 7 geleitet,
in die Brennstoff durch die Leitung 8 über eine Einspritzvorrichtung 9 eingeführt
wird. Die Menge des eingespritzten Brennstoffs regelt der Leistungsregler, z. B.
ein auf der Welle der Nutzleistungsturbine i sitzender Fliehkraftregler L. Das erhitzte
Gemisch gelangt darauf durch die Leitung.io zu den beiden Turbinen i und 3. Die
Zufuhrleitung zur Turbine i enthält eine Regelvorrichtung i i, durch die die durchfließende
Treibmittelmenge verändert werden kann. Die Abgase strömen aus den beiden Turbinen
durch die Leitung 13 zum Wärmeaustauscher 6 ab, in dem sie einen Teil ihres
Wärmeinhaltes an die verdichtete Luft abgeben, und von dort ins Freie.
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Wenn die Belastung der Anlage verringert wird, so wird zunächst durch
den Leistungsregler L nur die Brennstoffmenge durch entsprechende Einstellung des
Einspritzventils 9 vermindert; damit fällt aber die Verdichterleistung, und die
Austrittstemperatur des Treibmittels steigt. Sobald jedoch die Austrittstemperatur
ihren, z: B. den in Fig. i mit t bezeichneten, zulässigen Höchstwert überschreitet,
wird der Zusatzregler tätig. Im Ausführungsbeispiel nach _Fig.2 kann dieser Zusatzregler
ein Temperaturregler 2.4 sein, der die Auslaßtemperaturen der Nutzleistungsturbine
oder der Verdichterantriebsturbine überwacht. Diese Temperaturregler, die einzeln
oder auch zusammen verwendet werden können, wirken z. B. durch Impulsleitungen 24'
auf das Ventil ii ein. Steigen die Auslaßtemperaturen, so drosselt der Temperaturregler
das Ventil i i mit der Wirkung, daß die Verdichterantriebsturbine anteilig eine
höhere Treibmittelmenge aufnimmt und so durch Vermehrung der relativen Luftmenge
die Auslaßtemperaturen herabgesetzt werden. Die durch diese Zusatzregelung bedingte
Verringerung der Leistung der Nutzleistungsturbine i gleicht der Leistungsregler
L aus. Steigt die Belastung wieder an, d. h. regelt der Leistungsregler eine vermehrte
Brennstoffzufuhr ein, so fördert der
Verdichter zunächst mehr Luft,
die eine Herabsetzung der Auslaßtemperaturen bewirkt, auf welche der Temperaturregler
in dem Sinne anspricht, daß das Ventil ii wieder mehr geöffnet und damit anteilig
die Leistung der Nutzleistungsturbine vermehrt und die der Verdichterantriebsturbine
verringert wird.
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Der Zusatzregler kann, wie Fig. :2 zeigt, auch ein Geschwindigkeits-
oder Fliehkraftregler 25 sein, der auf der Welle der Verdichterantriebsturbine 3
sitzt und in Abhängigkeit von ihrer Drehzahl durch eine geeignete Verbindung, z.
B. ein Gestänge 25', auf das Ventil ii einwirkt. Sinkt die Belastung, stellt also
der Leistungsregler L eine geringere Brennstoffmenge ein, so sinkt die Drehzahl
der Verdichterantriebsturbine. Der Zusatzregler 25 drosselt das Ventil i i, damit
erhält die Verdichterantriebsturbine anteilig mehr Treibmittel, und ihre Leistung
steigt wieder an. Das Regelglied ii ist zweckmäßig als einfacher Drehschieber o.
dgl. ausgebildet und so angeordnet, daß bei offener Lage des Ventils vor der Turbine
kein nennenswerter Drosselverlust entsteht.
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In Fig. 3, die im Aufbau grundsätzlich der Fig. 2 entspricht, ist
für das der Verdichterantriebsturbine zuströmende Treibmittel eine zusätzliche Brennstoffeinspritzung
g' vorgesehen, die unter dem Einfluß des Temperaturreglers 24 steht, der in der
Auslaßleitung der Nutzleistungsturbine i oder der Verdichterantriebsturbine 3 die
Temperaturen überwacht, während der Leistungsregler L, wie üblich, auf der Welle
der Nutzleistungsturbine arbeitet.
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In Fig. q. ist der Zusatzregler als Druckregler 27 ausgebildet, der
unter dem Drucke des in der Leitung 1o strömenden Treibmittels steht. Vermindert
der Leistungsregler L die Brennstoffzufuhr in 7, dann sinkt der Druck in der Leitung
1o, der Druckregler 27 springt an und drosselt das Ventil, so daß nun die Verdichterantriebsturbine
3 mehr Treibmittel erhält und mehr Luft geliefert wird.
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Die Anlage nach Fig. 5 zeigt einen Temperaturregler hinter der Nutzleistungsturbine,
der das Ventil i i beeinflußt, wie oben dargelegt. Die Verdichterantriebsturbine
3, ist eine gegenläufige Radialturbine, die zwei Verdichter, den Niederdruckverdichter
4.' und den Hochdruckverdichter q.", antreibt.
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In die zum Einlaß der Radialturbine führende Leitung ist eine zusätzliche
Verbrennungskammer 7' eingesetzt; die Brennstoffeinspritzung wird durch das Ventil
19' geregelt, das unter dem Einfluß des Fliehkraftreglers 25 (vgl. Fig. z) mehr
oder weniger geöffnet bzw. ganz geschlossen wird. Anordnung und Wirkung des Leistungsreglers
L ist ebenso, wie dies in den Anlagen nach Fig. 2 bis q. dargestellt und beschrieben
wurde.
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Bei der Anlage nach Fig. 6 sind die Nutzleistungsturbine und die Verdichterantriebsturbine
in Reihe geschaltet, so daß das Treibmittel zunächst die Nutzleistungsturbine und
darauf die Verdichterantriebsturbine durchströmt. Der Leistungsregler L wirkt auf
die Brennstoffeinspritzung g. Eine Leitung 16 mit einer Ventilvorrichtung 17 zweigt
vor der Hochdruckturbine ab und verbindet die Leitung io mit dem Einlaß der Verdichterantriebsturbine
3. Eine Leitung 18 mit einer Ventilvorrichtung ig verbindet die Auslaßleitung der
Turbine i mit einer tieferen Entspannungsstufe der Niederdruckturbine 3.
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Während bei der Anlage nach Fig.2 bei Überschreitung der zulässigen
Auslaßtemperatur das Regelventil i i gedrosselt wurde, wird im vorliegenden Fall
das Regelventil 17, das sonst geschlossen ist, etwas geöffnet, so daß ein Teil des
Treibmittels unter Umgehung der Hochdruckturbine unmittelbar in die Verdichterantriebsturbine
strömt. Die Verdichterantriebsturbine ist also in diesem Falle teilweise zur Leistungsturbine
parallel geschaltet. Hierdurch wird wieder erreicht, daß die Verdichterantriebsturbine
eine größere anteilige Treibmittelmenge erhält als die Nutzleistungsturbine und
daher die Verdichtung einer größeren Luftmenge ermöglicht.
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Im vorliegenden Falle wird das Ventil 17 in Abhängigkeit von der elektrischen
Belastung des Stromerzeugers :2 mit Hilfe einer Impulsleitung 28, die beispielsweise
an einen Strommesser des Stromerzeugers angeschlossen ist, derart gesteuert, daß
es zu öffnen beginnt und einen Teil des Treibmittels an der Nutzleistungsturbine
vorbei unmittelbar in die Verdichterantriebsturbine führt, sobald die Belastung
unter einen bestimmten Wert sinkt.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 sind eine Nutzleistungsturbine
und zwei Verdichterantriebsturbinen in Reihe geschaltet. Der Niederdruckverdichter
q. wird durch die Niederdruckturbine 3 und der Hochdruckverdichter 21 durch die
Hochdruckturbine 14. angetrieben. Zwischen den beiden Verdichtern sowie hinter dem
Hochdruckverdichter sind Kühleinrichtungen 22 und 23 vorgesehen, in denen beispielsweise
Wasser in die durch die Verdichtung erhitzte Luft eingespritzt wird. Nach darauf
erfolgender Wiedererwärmung im Wärmeaustauscher 6 strömt die Luft wie bei den vorher
beschriebenen Anlagen in die Verbrennungskammer. Das dort erzeugte Treibmittel durchfließt
der Reihe nach die drei Turbinen i4., 1 und 3.
Die Regelung entspricht
im wesentlichen der zu Fig.6 beschriebenen. Die Umgehungsleitung 18 führt hier unmittelbar
unter vollständiger Vermeidung der Niederdruckturbine 3 in die Auspuffleitung, so
daß die gesamte Verdichterarbeit unter Umständen durch die Turbine 14 allein erzeugt
werden kann.
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Um die durch die Drosselung des Treibmittels der Nutzleistungsturbine
auftretenden Verluste zu vermeiden, kann die Zusatzregelung erfindungsgemäß auch
durch Änderung der Zusammensetzung des Gemisches für die beiden Turbinen bzw. Turbinengruppen
erfolgen. Dies kann am einfachsten dadurch geschehen, daß dem Treibmittel der Turbine,
deren Leistung im Verhältnis zur anderen verringert werden soll, eine bestimmte
Menge Luft zugeführt wird, so daß'dieses Gemisch ärmer und kälter wird, während
gleichzeitig das der anderen Turbine zugeführte Gemisch entsprechend bereichert
wird.
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Die Fig. 8 und 9 zeigen derartige Ausführungsformen. Im Falle der
Fig. 8 ist an die Druckleitung des Verdichters 4 vor der Verbrennungskammer 7 eine
Zweigleitung 29 angeschlossen, welche die Druckseite des Verdichters mit der Zulaufleitung
des Treibmittels der Nutzleistungsturbine i verbindet. In der Zweigleitung 29 befindet
sich ein Regelglied 3o, das im dargestellten Beispiel mittels einer Impulsleitung
32 und eines federbelasteten Kolbens 3 i derart vom Druck der verdichteten Luft
gesteuert wird, daß es öffnet, sobald dieser Druck einen bestimmten Mindestwert
unterschreitet. Wenn das Ventil bei Erreichung einer bestimmten unteren Belastung
öffnet, so fließt ein Teil der verdichteten Luft unmittelbar in die Nutzleistungstürbine,
wodurch die Zusammensetzung des Gemisches dieser Turbine verändert und der Turbine
ein ärmeres Gemisch von geringerer Temperatur und kleinerem Energieinhalt zugeführt
wird. Gleichzeitig erhält die Verdichterantriebsturbine 3 ein reicheres Gemisch
von höherer Temperatur, weil der Verbrennungskammer nunmehr eine um den Betrag der
abgezweigten Luftmenge geringere Luftmenge zugeführt wird, Infolgedessen erzeugt
die Verdichterantriebsturbine eine größere Leistung, die dazu verwendet wird, der
Anlage mehr Luft zuzuführen und die Temperatur wieder auf einen zulässigen Wert
zu senken.
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In Fig. 9 ist. die » Druckseite des Niederdruckverdichters 4 mit der
Zufuhrleitung der Nutzleistungsturbine i verbunden. Das Ventil' 34 wird in diesem
Fall in Abhängigkeit von der elektrischen Belastung des Stromerzeugers 2 mittels
der Impulsleitung 35 derart gesteuert, daß es zu öffnen beginnt, sobald die- Belastung
unter einen bestimmten Wert fällt. Dabei ist vorausgesetzt, daß der Druck hinter
dem Niederdruckverdichter dem Druck hinter der Hochdruckturbine 14 entspricht. Die
Verbindungsleitung 35 kann natürlich auch an die Druckseite des Hochdruckverdichters
2z angeschlossen sein. Die Wirkungsweise der Zusatzregelung entspricht im übrigen
der zu Fig. 8 beschriebenen.
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Die Zusatzregelung kann auch in der Weise vorgenommen werden, daß
der Zusatzregler die vom Leistungsregler eingestellte Brennstoffregelung in Abhängigkit
von der Auslaßtemperatur, der Belastung oder dem Druck der verdichteten Luft überwacht.
Eine in dieser Weise geregelte Anlage ist in Fig. io dargestellt. Die Nutzleistungsturbine
i ist in diesem Falle als gegenläufige Radialturbine ausgebildet und betreibt zwei-Stromerzeuger
2 und 2'. Die Verdichterantriebstur-bine 3 ist ebenfalls als gegenläufige Radialturbine
ausgebildet und treibt den Niederdruckverdichter 4 und den Mitteldruckverdichter
4'. Der Hochdruckverdichter 4" sitzt auf der Welle der Nutzleistungsturbine. Der
die Auslaßtemperatur überwachende Temperaturregler 2.4 liegt im Auslaß der Verdichterantriebsturbine.
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Der Brennstoff wird durch eine auf der Welle der Nutzleistungsturbine
i sitzende Pumpe 49 aus dem Vorratsbehälter 48 angesaugt und zum Brennstoffventil
gedrückt, dessen Öffnung, wie in den oben beschriebenen Beispielen gezeigt, durch
den auf der Welle der Nutzleistungsturbine sitzenden Leistungsregler L in der üblichen
Weise geregelt wird. Die durch den Leistungsregler bestimmte Brennstoffmenge gelangt
teils durch die Leitung 8 in die Brennkammer 7, teils durch die Leitung 8' zu einem
Zusatzventil 51, welches den Einlaß von Brennstoff zu der Zwischenerwärmungskammer
46 regelt. Die Öffnung dieses Ventils wird von dem Temperaturregler 24 mit Hilfe
des verbindenden Zwischengestänges 24' beeinflüßt.
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Diese Anlage ist also ähnlich der in Fig. 5 schematisch dargestellten
Anlage. Der Unterschied liegt darin, daß im Ausführungsbeispiel nach Fig. io Leistungsregler
und Zusatzregler hinsichtlich der Brennstoffeinspritzung in ihren Wirkungen miteinander
gekuppelt sind.
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In Fig. i i ist schließlich gezeigt, wie eine Zusatzregelung ausgebildet
sein kann, die zugleich unter dem Einfluß von Druck und Temperatur in der Anlage
steht. In dem Auslaß 55 einer Turbine ist ein Temperaturregler 56 angeordnet, der
über die Hebel 57, 58, 59, 60, 61 auf ein Brennstoffventil 6a einwirkt. An
den Auslaß, durch eine Leitung 62' mit ihm-verbunden, ist ein Druckregler
'63
angeschlossen, der durch den Lenker 64. auf den Hebel 59 und damit ebenfalls auf
das Brennstoffventil 61 einwirkt. Der aus dem Vorratsbehälter 65 kommende Brennstoff
gelangt, nachdem er das Ventil 61 passiert hat, durch die Leitung 66 in die Verbrennungskammer
67, in welche die Luft durch die Leitung 68 eingeführt wird. Das erhitzte Treibmittel
geht durch die Leitung 69 zur Turbine.
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Steigt die Temperatur in der Auslaßleitung 55, so beeinflußt der Temperaturregler
56 durch entsprechende Verlagerung des Hebelwerkes das Ventil 61 in dem Sinne, daß
weniger Brennstoff in die Verbrennungskammer eingeführt wird. Sinkt die Temperatur
wieder ab, so erfolgt die Öffnung des Ventils im gegenläufigen Sinne. Steigt der
Druck im Auslaß 55 bzw. in der Leitung 62', dann spricht der Regler 63 an und wirkt
durch das Gestänge auf das Ventil fit in dem Sinne ein, daß der Verbrennungskammer
mehr Brennstoff zugeführt wird.
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Die Erfindung ist an die dargestellten Ausführungsbeispiele nicht
gebunden, vielmehr ist sie, wie diese zeigen, der verschiedenartigsten Ausbildung
fähig. Sie kann auch bei anderen in Gasturbinenanlagen üblichen Schaltungen sinngemäß
angewendet werden und ist auch unabhängig von der Bauart der zur Verwendung kommenden
Turbinen. In den Ausführungsbeispielen, bei denen der Zusatzregler in Abhängigkeit
vom Druck der verdichteten Luft gesteuert wurde, kann naturgemäß auch der Druck
des Treibmittels als Maß für die Belastung der Anlage verwendet werden.