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Anordnung zur Drehzahlregelung von Brennkraftturbinen-Anlagen Diese
Erfindung betrittt Brennkraftturbinen aller Art und umfaßt solche, bei welchen das
Betriebsmittel von einer festen, flüssigen oder gasförmigen Quelle herrühren kann,
z. B. Gas, 01 oder Kohle, und welches -Mittel entweder im Innern der Turbine oder
außerhalb derselben erzeugt werden kann.
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Diese Erfindung betrifft besonders Turbineneinheiten, bei welchen
eine Turbinengruppe mechanisch mit einer Kompressorgruppe gekuppelt und eine selbständige
Leistungsturbine mit der Belastung gekuppelt sind, ferner `'erfahren zur Drehzahlregelung
der Leistungsturbine und besonders Verfahren, welche die Drehzahl begrenzen.
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Bei Anordnungen dieser Art hängt die Drehzahl der Leistungsturbine
nicht nur von den Betriebsbedingungen für die Kompressoreinheit, sondern auch von
der Größe der Belastung ab, so daß bei einer gegebenen Betriebsbedingung für die
Kompressoreinheit die Drehzahl der Leistungsturbine zu einer Steigerung neigt, wenn
die Belastung an der Leistungswelle vermindert wird. Wenn die Belastung vollständig
weggenommen wird, wie es z. B. bei einer Einheit für Fahrzeugantrieb während des
Getriebewechsels vorkommen kann, könnte die Arbeitsturbine auf eine höhere Drehzahl
beschleunigt werden, die so viel als doppelt so groß wie die normale Betriebsdrehzahl
ist. In gewöhnlichen Fällen würde die Drehzahl so sein, daß das Turbinenrad unter
den übermäßigen mechanischen Beanspruchungen brechen würde.
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Es gibt verschiedene Verfahren, durch welche die Drehzahl der Leistungsturbine
geregelt werden kann, wie z. B. durch hydraulische Mittel oder durch dauernde Kupplung
einer Stufe des -Kornpressors
mit der Leistungsturbine oder sogar
in entsprechenden Fällen durch Vergrößerung der Anzahl der Stufen der Leistungsturbine.
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In Fällen jedoch, wo die Leistungsturbine normalerweise sehr nahe
an der zulässigen Höchstdrehzahl arbeitet, und in Fällen, wo plötzlich die Belastung
auf der Leistungsturbine weggenommen werden kann, ist es wesentlich, daß die Drehzahl
der Leistungsturbine mit Sicherheit geregelt wird.
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Der Gegenstand dieser Erfindung ist, verbesserte Verfahren zur Drehzahlregelung
der Leistungsturbine zu schaffen, die frei von den obengenannten Nachteilen sind.
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In allgemeinen Worten geschieht dies durch mechanische Kupplung der
Leistungsturbine mit dem Kompressorsatz derart, daß die Kupplung wirksam wird, wenn
immer die Drehzahl der Leistungsturbine ein bestimmtes Verhältnis zu der des Kompressorsatzes
erreicht. Diese Kupplung ist in ihrer Wirkungsweise vollkommen selbsttätig und unabhängig
von der tatsächlichen Drehzahl der Leistungsturbine.
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Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung besteht darin, daß sie erlaubt,
die Kompressorturbineneinheit als eine Bremseinheit zu verwenden und Kraft durch
die Leistungswelle von äußeren Quellen zu absorbieren. Dies geschieht mit Hilfe
einer Verringerung der Brennstoffzufuhr zu der Turbineneinheit als Ganzes und durch
die Benutzung des Kompressors für die Absorption der äußeren Energie. Jedes Maß
an äußerer Energie kann durch Änderung der Einstellung des die Brennstoffzufuhr
zu der Einheit regelnden Drosselventils aufgenommen werden. Es ist notwendig, zusätzlich
irgendeine Regelung der Brennstoffzufuhr vorzusehen, um ein Durchgehen der gekuppelten
Leistungsturbine und des Kompressors unter dem Einfluß von übermäßig hoher äußerer
Energie zu verhindern.
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Die Erfindung besteht in Anordnungen gemäß einer oder mehrerer der
folgenden aufgezählten Vorschläge, nämlich: Vorschlag i Brennkraftturbinen-Anlage,
bestehend aus einem oder mehreren Luftverdichtern, einer diesen bzw. diese Verdichter
antreibenden Brennkraftturbine und einer Nutzleistung nach außen abgebenden Brennkraftturbine,
wobei innerhalb derselben zwischen der Nutzleistung nach außen abgebenden Brennkraftturbine
und dem bzw. den Verdichtern eine selbsttätige oder eine von außen zu betätigende
Kupplung vorgesehen ist, in deren normaler ausgerückter Stellung der bzw. die Verdichter
unabhängig von der Arbeitsbrennkraftturbine laufen, während der bzw. die Verdichter
bei eingerückter Kupplung als Bremse wirken, mit deren Hilfe die Drehzahl der Arbeitsbrennkraftturbine
begrenzt bzw. geregelt werden kann.
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Vorschlag a Anordnung nach Vorschlag i, wobei die Arbeitsturbine mit
dem Verdichter mittels einer mechanisehen Kupplung o. dgl., beispielsweise einer
Freilaufvorrichtung, verbunden ist.
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Vorschlag 3 Anordnung nach Vorschlag i, wobei die Arbeitsturbine mit
dem Verdichter mittels einer hydraulischen, pneumatischen oder einer anderen Strö
mungskupplung bzw. einer elektrischen oder magnetischen Kupplung verbunden ist.
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Vorschlag Anordnung nach Vorschlag i bis 3, hauptsächlich zum Gebrauch
in Landfthrzeugen, wobei sie a) eine Verdichtergruppe, bestehend aus einem oder
mehreren, durch eine oder mehrere Brennkraftturbinen angetriebenen Verdichtern und
b) eine oder mehrere Arbeitsturbinen mit oder ohne Verdichterstufen mit einer Kupplung
aufweist, mit deren Hilfe der Verdichter und die Arbeitsturbine bzw. -turbinen mechanisch
miteinander gekuppelt werden können.
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Vorschlag Anordnung nach einem der Vorschläge i bis 4, wobei die Zeitdauer
der Kupplungsverbindung bzw. -trennung zwischen der Verdichter- und der Arbeitsturbinengruppe
durch Belastungserfordernisse, beispielsweise diejenigen eines Straßenfahrzeuges,
bestimmt wird.
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Vorschlag 6 Anordnung nach einem der Vorschläge i bis 5, wobei das
Zustandekommen der Verbindung bzw. Trennung der Verdichter- und der Arbeitsturbinengruppe
durch selbsttätige Einrichtungen erfolgt.
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Vorschlag Anordnung nach Vorschlag 6, wobei die selbsttätige Verbindung
bzw. Trennung der Verdichter-und der Arbeitsturbinengruppe von dem jeweiligen Drehzahlunterschied
zwischen diesen beiden Gruppen abhängt.
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Die schematische Zeichnung veranschaulicht eine Anordnung einer geeigneten
Turbineneinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei Ausführung der Erfindung nach der dargestellten Ausführungsform
ist ein Kompressor a über eine Welle b mit einer Kompressorturbine c gekuppelt,
deren Leistung lediglich zum Antrieb des Kompressors a verwendet wird. Das Arbeitsgas
ist nach Wanderung durch die Kompressorturbine c weitergeführt und gibt einen weiteren
Anteil seiner Energie an eine Leistungsturbine d ab, welche durch eine Welle e und
ein Getriebe f mit einer Leistungswelle g gekuppelt ist, an welcher eine Kupplung
h und eine Endleistungswelle i angeordnet sind. Dies ist das normale
Verfahren der Wirkungsweise der Einheit.
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Wenn die Belastung an der Welle i fällt oder die Kupplung h gelöst
wird, hat die Leistungsturbine d das Bestreben, sich zu beschleunigen. Wenn die
Drehzahl der Leistungsturbine d größer
als ein bestimmtes Maß der
Drehzahl des Kompressorsatzes a, c wird, wird eine Kupplung j und
k
eingeschaltet. Diese Kupplung ist von der Bauart, bei welcher eine Hälfte
j an der Leistungswelle g und dem Getriebe f und die andere Hälfte der Kupplung
konzentrisch mit der ersten Hälfte j angeordnet, aber frei in der Weise sich bewegen
kann, daß sie normalerweise unabhängig von dem ersten Teil und deshalb von der Leistungswelle
g läuft. Der Teil k der Kupplung ist mechanisch mit der Welle b des Kompressorsatzes
a, c durch ein Getriebe !. Wellenstück m und weitere Getriebe n und o verbunden.
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Die Kupplung j,' k kann aus jeder Standardbauart bestehen,
derart, daß die zwei Hälften j und k zusammengebracht werden und ein festes Ganzes
bilden können, wenn die Drehzahl des Teiles j das Bestreben hat, größer zu werden
als die Drehzahl des Teiles k.
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Die Wirkungsweise der Einheit ist wie folgt: Für normale Belastungsbedingungen
ist die Kupplung j, k nicht eingeschaltet, und die verschiedenen Wellendrehzahlen
können z. B. folgende sein: N-Umdrehungen in der '.Minute für die Leistungsturbinenwelle
e, =/s N-Umdrehungen in der Minute für die Belastungswelle g, e/5 N-Umdrehungen
in der Minute für die Kompressorturbinenwelle b und 2 Umdrehungen in der Minute
für das Wellenstück m, wobei die Getriebe so gewählt sind, daß diese Zahlen entstehen.
Wenn bei einer solchen Anordnung die Belastungserfordernisse so sind, daß die Drehzahl
der Belastungswelle wesentlich fällt, so wirkt dies nicht auf die Kupplung, wenn
jedoch die Belastungserfordernisse an der Leistungswelle g sich so ändern, daß die
Drehzahl dieser `Felle =/s N.-Umdrehungen in der Minute übersteigen will, so wird
die Kupplung j, k eingerückt, und der Kompressor wirkt als Bremse und begrenzt
die Drehzahl der Belastungswelle g und der Welle e der Arbeitsturbine auf 2/s N
bzw. N. Wenn die Belastungswellendrehzahl unter =/6 N fällt, so löst sich das Freilaufrad,
und die Arbeitsturbine d läuft wieder getrennt von der Kompressorturbineneinheit.