DE731743C

DE731743C - Einrichtung zur Reglung einer mit Gleichdruckverbrennung arbeitenden Brennkraftturbine fuer den Antrieb von Schiffen

Info

Publication number: DE731743C
Application number: DEA84007D
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Ingvar Jung
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1937-08-25
Filing date: 1937-08-25
Publication date: 1943-02-13

Description

Einrichtung zur Reglung einer mit Gleichdruckverbrennung arbeitenden Brennkraftturbine für den Antrieb von Schiffen Bei einer mit Gleichdruckverbrennung arbeitenden Brennkraftturbine, die den ihr zugehörigen, die Verbrennungsluft liefernden Verdichter selbst antreibt, nimmt nach Abb. z der Zeichnung das Antriebsmoment Mt von einem negativen Wert Mt p bei Stillstand bis auf einen größten Wert Mt max bei größter Drehzahl zu. Wird -die Gruppe an eine gewöhnliche, d. h. unverstellbare Antriebsschraube, .die für das volle Moment MS max = Mt max bei voller Drehzahl bemessen ist, unmittelbar . oder über eine Zahnradübersetzung angeschlossen, so kann die Gruppe überhaupt nur bei normaler Drehzahl arbeiten, und ein Anfahren bei niedrigeren Drehzahlen ist unmöglich, weil bei diesen Ms > Mt ist. . Wird die Antriebsschraube nach Abb. a für ein kleineres Moment Hsmax bemessen, so ist es möglich, von einer Teillast bei einer Drehzahl iaa G n"." aus hochzufahren. Die volle Leistung kann jedoch bei der größten Drehzahl nicht ausgenutzt werden, weil die Turbine gedrosselt werden muß, um nicht durchzubrennen.
Die Erfindung sucht diesen Nachteil zu vermeiden. Sie betrifft eine Einrichtung zur Reglung einer mit Gleichdruckverbrennung arbeitenden Brennkraftturbine, die den ihr zugehörigen, die Verbrennungsluft liefernden Verdichter selbst antreibt, für den Antrieb von Schiffen und besteht darin, daß bei einer Drehzahländerung der Brennkraftturbine das Drehmoment und die Leistung der Schraube unter Verwendung einer Verstellschraube an das Drehmoment und die Leistung der Brennkraftturbine unter Berücksichtigung der dieser Leistung entsprechenden günstigsten Drehzahl angepaßt werden.
Die Verstellschraube ist zwar zum Antrieb von Schraubenfahrzeugen bekannt. Man hat sie aber bisher sowohl bei Wasser- als auch bei Luftfahrzeugen angewendet, um dein Fahrzeug bei möglichst gleichbleibender Drehzahl der Maschine eine andere Geschwindigkeit zu geben und bei Luftfahrzeugen auch noch der verschiedenen Dichte der Luft Rechnung zu tragen. Es wird dort also das 1Ioment oder die Leistung bei möglichst unveränderter Drehzahl durch Veränderung der Schraubensteigung verändert.
Eine ganz andere Aufgabe liegt der vorliegenden Erfindung zugrunde.
Hier muß die Maschine, d. h. die Brennkraftturbine mit ihrem Verdichter, die Drehzahl verändern, da ihre Leistungsänderung wirtschaftlich nur durch Drehzahländerung möglich ist und jeder Drehzahl eine ganz bestimmte Leistung entspricht. Mit dieser Leistung oder dem betreffenden Drehmoment müssen auch Leistung und Drehmoment der Schraube in Einklang stehen, damit die Anlage betriebsfähig ist oder überhaupt angelassen werden kann. Mit Verstellung der Schraube kann man die Brennkraftturbine auch aus niedrigen Drehzahlen (z. B. ii., Abb. 3), die z. B. durch einen Anwurfmotor oder die Marschfahrtdieselmaschine erhalten werden, rasch hochfahren, da die auf kleinen Anstellwinkel gebrachte Verstellschraube nur kleine Leistung benötigt. Die gleiche Verstellschraube ist dann aber auch bei der höchsten Drehzahl, mit der die Brennkraftturbine bei Überlast arbeitet, voll aasnutzbar Jede Drehzahl zwischen ita und %",x kann eingestellt und die.volle Turbinenleistung immer ausgenutzt werden.
Die Zeichnung Abb. q. zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Schiffsantriebes mit Marschfahrtdieselmaschinen, Vollfahrtbrennkraftturbinen und Verstellschraube. Es bezeichnet i einen axial durchströmten Verdichter zur Förderung der Luft für die Verbrennungskammer 2, der durch die Einspritzdüse 3 Brennstoff zugeführt wird. Von der Verbrennungskammer gelangen die Gase zur Turbine q., die über eine ausrückbare Kupplung 5 und das Getriebe 6 die Verstellschraube 7 treibt. Am Getriebe 6 ist auch die - Marschfahrtdieselmaschine 8 über eine federnde, ausrückbare Kupplung 9 angeschlossen. Bei Marschfahrt arbeitet die Dieselmaschine über die Kupplung 9 auf das Getriebe 6 und treibt die Verstellschraube 7. Beim Anfahren der Turbine wird die Kupplang 5 eingeschaltet und die Gruppe i bis 4. mittels der Dieselmaschine auf eine solche Drehzahl gebracht, daß das Antriebsmoment der Turbine größer ist als das eingestellte Moment der Verstellschraube. Von dieser Anfalirdreltzahl aus kann die Turbine hochfahren und nimmt die Belastung auf. Die Kupplung 9 wird ausgeschaltet, und die Marschfahrtmaschine läuft leer oder wird abgestellt.
Was nun die Reglung einer solchen Anlage anbetrifft, so sei auf Abb. i verwiesen, deren e zeigt, wie das Antriebsdreltinoment stark von der Drehzahl der Turbinengruppe abhängig ist. Das Moment nimmt etwa mit dein Ouadrat der Drehzahl ab, uni bei einer Kleinstdrehzahl negativ zu werden.
Gemäß der Erfindung soll nun der Flügelangriffswinkel der Verstellschraube so geregelt «-erden, daß immer ein Schraubenmoment erhalten wird, das der gewünschten Drehzahl it und der gewünschten Leitung it # M beim besten Wirkungsgrad entspricht.
Das Antriebsmoment ist von der Drehzahl, der Treibgasmenge und der Temperatur vor der Turbine abhängig. Es ergibt sich die Treibgasmenge selbsttätig und unmittelbar aus der Drehzahl des Verdichters, sofern die Temperatur vor der Turbine annähernd gleichbleibend gehalten wird. Es ist nun zweckmäßig, diese Temperatur so hoch zu halten, als es der Schaufelbaustoff im Dauerbetrieb zuläßt, die Reglung der Drehzahl des Verdichters durch die Verstellung der Schraube also so zu treffen, daß stets die zur Erreichung der gewünschten Temperatur erforderliche Luftmenge erhalten wird. Dies kann durch einen W ärineregler geschehen, der im verlangten Sinne auf die Schraubenverstellvorrichtung einwirkt.
Nur während der Umsteuerung wäre es nicht möglich, die Leistung und die Drehzahl durch den Verstellwinkel der Schraube zu regeln. In der Übergangslage zwischen Vorwärts- und Rückwärtslage sinkt das Schraubenmoment auf ein geringstes Maß, und die Turbine würde durchbrennen, «-eitn kein Grenzregler vorhanden wäre. Wenn der Umsteuerungsvorgang zu Ende ist, kann man mit der Verstellschraube, gleichgültig ob in Rückwärts- oder in Vorwärtslage, wieder durch Reglung des Anstellwinkels die Leistung und die Drehzahl einstellen. Bei dein L msteuerungsvorgang hat die Drehzahlbegrenzung durch eine Herabsetzung der Zugastemperatur und der Brennstoffmenge zu erfolgen.
Abb. 5 zeigt beispielsweise eine Reglung, bei der der Flügelangriffswinkel der Verstellschraube so eingestellt werden kann, daß stets ein Schraubenmoment erhalten wird, das der gewünschten Drehzahl n. und der gewünschten Leistung n # M entspricht. Es bezeichnet wieder wie in Abb.4 1 einen axial durchströmten Verdichter, 2 die Verbrennungskammer, in der eine Verbrennung mit verhältnismäßig hohem Luftüberschuß stattfindet, 3 die Einspritzdüse für den Brennstoff, 4 die Brennkraftturbine, die über das Zahnradgetriebe 6 die Verstellschraube 7 antreibt. Der Anstellwinkel der Flügel der Verstellschraube wird mit Drucköl mittels einer in der Nabe befindlichen Hilfsmaschine eingestellt. Das Arbeitsöl wird der Druckleitung io entnommen und durch Leitung ii zu einem Regler 12 und von hier über einen Fahrtrichtungsumschalter 13 durch eine der Leitungen 14 und 15 und durch zwei in die Schraubenwelle gebohrte Leitungen zur Hilfsmaschine in der Schraubennabe geführt. Der Flügelanstellwinkelregler 12 wird von einem Drehzahlregler 16 aus mittels Drucköls gesteuert. Der Drehzahlregler 16 wirkt auf einen Hebel 17, der auf ein Druckeinstellventil 18 in der Ölleitung ig wirkt. Die Leitung ig ist über eine Drosselstelle 2o an die Druckleitung io angeschlossen. Der Öldruck in der Leitung ig wirkt auf einen Kolben 21 im Regler 12. Der Öldruck wird durch eine Feder 22 ausgeglichen,. wenn die Drehzahl der Turbinengruppe sich gleich der eing - e stellten hält. Die Einstellung der Drehzahl erfolgt durch eine Verstellvorrichtung 32 zwischen dem Drehzahlregler 16 und dem Druckeinstellventi118. Der Anstellwinkelregler 12 wirkt in folgender Weise: Entspricht die tatsächliche Drehzahl nicht der eingestellten, ist sie z. B. größer, so wird der Öldruck in der Leitung ig durch das Einstellventil 18 erhöht, so daß er den Federdruck überwiegt. Der Verteilungsschieber 23 im Anstellwinkelregler 12 läßt Drucköl durch die Leitung 24 und bei Vorwärtslage des Fahrtrichtungsumschalters 13 durch die Leitung 14 zur Hilfsmaschine in der Schraubennabe strömen, wodurch der Flügelanstellwinkel vergrößert wird. Das Drehmoment der Schraube wird dadurch größer, und die Gruppendrehzahl sinkt. Wenn die eingestellte Drehzahl erreicht ist, hat der Druckregler 18 den Öldruck so eingestellt, daß er genau der Spannung der Feder 22 entspricht. Der Verteilungsschieber 23 stellt sich dann in Neutrallage ein, und keinArbeitsöl wird mehr der Hilfsmaschine in der Schraubennabe zugeführt. Bei Rückwärtsfahrt geschieht die Reglung in ganz gleicher Art, nur wird das Drucköl vom Fahrtrichtungsumschalter 13 durch die Leitung 15 in umgekehrter. Richtung der Hilfsmaschine zugeführt.
Wird der Fahrtrichtungsumschalter 13 umgesteuert, so wird das Schraubendrehmoment während des Umsteuervorganges erst kleiner, erreicht vielleicht sogar einen negativen Kleinstwert und steigt dann wieder, indem der Anstellwinkel von positiv (Vorwärtsfahrt) negativ (Rückwärtsfahrt) wird.
Um ein Durchbrennen der Gruppe während dieser verhältnismäßig kurzen Zeitspanne zu verhindern, ist eine zusätzliche Regelvorrichtung vorgesehen. Die Brennstoffmenge, die mit der Einspritzdüse 3 der Brennkammer zugeführt wird, wird bei Normalbetrieb von einem Wärmeregler oder durch eine Anordnung wie in Abb.5 in einem bestimmten Verhältnis der Luftmenge geregelt. Der Drehzahlregler 16 stellt durch den Druckregler 25 einen Öldruck proportional der Gruppendrehzahl und damit proportional der Luftmenge in der Leitung 26 ein. Der Öldruck stellt über eine Hilfsmaschine 27 eine Brennstoffmenge proportional der Luftmenge ein, wodurch die Zugastemperatur der Brennkraftturbine gleichbleibend gehalten wird.
Wird nun der Fahrtrichtungsumschalter 13 umgesteuert, so wirkt anfangs der Drehzahlregler' in umgekehrter Richtung. Ist die Drehzahl zu hoch, wird das Schraubenmoment noch höher, und die Gruppendrehzahl steigt noch schneller. Ist die Drehzahl bedeutend höher als die von Anfang eingestellte, so schließt der Regler 18 ganz, und der Öldruck in den Leitungen ig und 28 steigt auf den vollen Arbeitsdruck der Druckleitung io. Durch die Leitung z8 strömt das Öl durch ein federbelastetes Ventil 2g@ zum Brennstoffregler, wo der Öldruck der Leitung 28 -demjenigen der Leitung 26 entgegenwirkt, wo-,durch. die Brennstoffmenge so, weit heruntergesetzt wird, bis der Drehzahlregler 16 wieder durch den Öldruckregler 18 den Öldruck der Leitung 28 so weit herabsetzt, daß das Ventil 29 wieder schließt. Die Drosselstelle 3o dient zur Einstellung dieser Brennstoffdrehzahlreglung. Bei normalen Öldrücken in der Leitung 28 beeinflußt der Öldruck dieser Leitung den Brennstoffregler nicht; erst wenn der Druck abnormal hoch wird, öffnet das Ventil 2g und vermindert Brennstoffmenge und Drehzahl. Mit 31 ist die bekannte normale Ausklinkvorrichtung bezeichnet.
Für das Anfahren sind ein Motor und eine Überholungskupplung vorgesehen (nicht dargestellt).

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Einrichtung zur Reglung einer mit Gleichdruckverbrennung arbeitenden Brennkraftturbine, die den ihr zugehörigen, die Verbrennungsluft liefernden Verdichter selbst antreibt, für den Antrieb von Schiffen, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Drehzahländerung der Brennkraftturbine das Drehmoment und die Leistung der Schraube unter Verwendung ,einer Verstellschraube an das Drehmoment und die Leistung der Brennkraftturbine unter Berücksichtigung der dieser Leistung entsprechenden günstigsten Drehzahl angepaßt wird. z. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Gastemperatur vor der Turbine durch einen Wärmeregler gemessen und durch ihn die Schraubenverstellvorrichtung so eingestellt wird, daß sich die Drehzahl des Verdichters einstellt, die die Luftmenge ergibt, die zur Verbrennung des zur Erreichung der bestimmten Treibgastemperatur erforderlichen Brennstoffes nötig ist. 3. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelvorrichtung zur Begrenzung der Drehzahl der Turbinenverdichtergruppe durch Heruntersetzung der Brennstoffmenge beim Umsteuerungsvorgang von Vorwärts- auf Rückwärtsfahrt oder umgekehrt angeordnet ist, um ein Durchgehen der Gruppe während dieser verhältnismäßig kurzen Zeitspanne zu verhindern.