DE826672C

DE826672C - Verfahren zur Regelung einer Gasturbinenanlage und Vorrichtung zu dessen Ausfuehrung

Info

Publication number: DE826672C
Application number: DES8455A
Authority: DE
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1949-06-30
Filing date: 1950-06-14
Publication date: 1952-01-03

Description

Verfahren zur Regelung einer Gasturbinenanlage und Vorrichtung zu dessen Ausführung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung einer Gasturbinenanlage mit mindestens einer Nutzleistungsturbine zum Antrieb einer Arbeitsmaschine und mindestens einer davon mechanisch unabhängigen Gasturbine zum Antrieb eines Verdichters sowie auf eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.
Es ist bekannt, die Regelung von Gasturbinen-anlagen außer durch Regelung der Wärmezufuhr an das die _\iilage durchströmende Arbeitsmittel auch durch Beeinflussung des Druckzustandes der Anlage vorzunehmen. Dieses Verfahren zeitigt aber wesentliche Nachteile, die insbesondere bei Anlagen zum .\iitrieb von frequenzgeregelten Stromerzeugern für \\'ecliselstromnetze besonders ausgeprägt sind. Die Belastungskurve der heute meist üblichen großen Wechselstromnetze zur Speisung einer Vielzahl voneinander unabhängigen Verbrauchergruppen zeigt Schwankungen, die teils rasch ansteigen und wieder zurückgehen, teils langsam ansteigen und eine längere Zeitdauer bestehenbleiben. Trotzdem muß von den Stromerzeugern eine genau geregelte Frequenz eingehalten werden; ihr Antrieb stellt also hohe Anforderungen hinsichtlich der Einhaltung einer konstanten Drehzahl.
In modernen Gasturbinenanlagen ist der Gesamtinhalt an Arbeitsmittel infolge der vielen Verbindungsleitungen und der zur Erzielung eines hohen thermischen Wirkungsgrades notwendigen großen Wärmeaustauschern sehr beträchtlich. Eine Regelung verbunden mit einer ständigen raschen Veränderung des Druckzustandes zur Ausregulierung der nur kurze Zeit andauernden Belastungsschwankungen würde große Verluste mit sich bringen, da dies eine ständige Veränderung des Energieinhaltes der Anlage bedingt. Auch kann der Druckzustand infolge des großen Arbeitsmittelvolumens nur langsam verändert werden. Es ist deshalb notwendig, rasch vorübergehende Schwankungen in der Belastung der Arbeitsmaschine durch Änderungen der Wärmezufuhr an das Arbeitsmittel vor den Antriebsturbinen zu kompensieren. Eine solche Regelung kann jedoch den Nachteil besitzen, daß die Temperatur des Arbeitsmittels sich verändert. Bei Senkung der Arbeitsmitteltemperatur für längere Zeit wird der thermische Wirkungsgrad der Anlage verschlechtert, während einer Erhöhung der Temperatur durch die Wärmefestigkeit des Schaufelmaterials enge Grenzen gesetzt sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr zu der einer der Turbinen vorgeschalteten Erhitzungsvorrichtung unmittelbar und der Druckzustand in der Anlage zeitlich verzögert nach Maßgabe einer Größe des Betriebszustandes der Arbeitsmaschine beeinflußt werden. Diese Verzögerung bewirkt, daß nur verhältnismäßig langsame Laständerung, z. B. mindestens dreimal geringere Änderungsgeschwindigkeit, die Druckzustandeinstellvorrichtung zum Ansprechen bringt, womit eine längere Zeit andauernde Belastungsschwankung endgültig durch die Veränderung des Druckzustandes in der Anlage aufgenommen wird und eine allfällig eingetretene Temperaturänderung des Arbeitsmittels durch Verminderung bzw. Vergrößerung des ungesetzten Arbeitsmittelvolumens wieder aufgehoben wird.
Die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine Wärniezufuhreinrichtung, mittels welcher dem Arbeitsmittel vor dem Eintritt in eine der Turbinen Wärme zugeführt wird, ferner durch eine Druckzustandeinstellvorrichtung, welche den Druckzustand der Gasturbinenanlage beeinflußt, weiter durch einen Impulsgeber, der durch eine Größe des Betriebszustandes der Arbeitsmaschine beeinflußt wird und welcher durch Impulsleitungen Impulse an die Wärmezufuhreinrichtung und an die Druckzustandeinstellvorrichtung abgibt und schließlich durch eine Verzögerungseinrichtung, welche in die Impulsleitung vom Impulsgeber zur Druckzustandeinstellvorrichtung eingeschaltet ist.
Dabei kann die als Brennkammer ausgebildete Wärmezufuhreinrichtung, durch welche das :arbeitsmittel strömt, eine Vorrichtung aufweisen, durch welche die Wärmezufuhreinrichtung zusätzlich in Abhängigkeit vom Druck des Arbeitsmittels im Bereich der Brennkammer beeinflußt wird. Die Eintrittsleitung einer Wärmezufuhrvorrichtung kann ein durch die Druckzustandeinstellvorrichtung beeinflußtes Drosselorgan aufweisen. In Gasturbinenanlagen, bei denen mindestens eine der Turbinen eine Umführungsleitung mindestens für die erste Stufe besitzt, kann die Druckzustandeinstellvorrichtung ein in der Umführungsleitung angeordnetes Durchflußregelorgan beeinflussen. Die Verzögerungseinrichtung kann ein in die Impulsleitung eingebautes Drosselorgan oder einen an die Impulsleitung angeschlossenen Windkessel aufweisen.
Das Verfahren nach der Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Fig. i und 2 zeigen beide ein Ausführungsbeispiel der zur Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung geeigneten Vorrichtung.
Die durch den Verdichter i aus der Leitung 2 angesaugte und anschließend verdichtete Luft gelangt durch die Leitung 3 in den das Rohrsystem 4 des Wärmeaustauschers 5 umgebenden Raum. Ein Teil der vorgewärmten Luft wird in dem zum Wärmeaustauscher 5 parallel geschalteten Wärmeaustauscher 6 auf eine nochmals erhöhte Temperatur gebracht, um sich anschließend in der Leitung 7 mit der den Wärmeaustauscher 5 direkt verlassenden Teilmenge der Luft zu vereinigen. Ein Teil der so vorgewärmten Luft strömt durch die Leitung 8 in den das Rohrsystem 9 des Gaserhitzers io umgebenden Raum und der andere Teil durch die Leitung i i in den Brennraum 12 des Gaserhitzers io. Die aus der Leitung 8 zugeströmte und im Rohrsystem 9 erhitzte Teilmenge wird durch die Leitung 13 in die Turbine 14 geleitet und gelangt nach erfolgter Entspannung durch die Leitung 15 in das Rohrsystem 4 des Wärmeaustauschers 5. Hier wird ein Teil der in der entspannten Luft noch enthaltenen Wärme an die durch die Leitung 3 aus dem Verdichter i kommende Luft abgegeben. Anschließend strömt die entspannte Luft durch die Leitung 16 in einen Kühler 17, um in gekühltem Zustand durch die Leitung 2 dem Verdichter i wieder zuzuströmen und den Kreislauf von neuem zu beginnen.
Ein Teil der dem beschriebenen Kreislauf durch die Leitung i i entnommenen Luft dient zur Verbrennung des durch die Leitung 18 zugeführten und mittels der Düse i9 zerstäubten Brennstoffes. Zur Einstellung der Brennstoffzufuhr ist ein durch den Servomotor 2o betätigtes Durchflußregelorgan 21 in die Brennstoffleitung 18 eingebaut. Das heiße Gemisch aus Luft und Verbrennungsgasen strömt durch das Rohrsystem 9 des Gaserhitzers io und gibt dabei einen Teil seiner Wärme an die durch die Leitung 8 dem Rohrsystem 9 aus den Wärmeaustauschern 4 und 6 zugeführten Luft ab. Anschließend strömt es in die Ladeturbine 22 und nach erfolgter Entspannung auf einen Zwischendruck durch die Leitung 23 in den Zwischengaserhitzer 24. Hier dient ein weiterer Teil des in den Verbrennungsgasen noch enthaltenen Sauerstoffs zur Verbrennung des durch die Leitung 25 zugeführten und mittels der Düse 26 zerstäubten Brennstoffs, dessen Menge mit Hilfe des in die Leitung 25 eingebauten Durchflußregelorgans 27 eingestellt werden kann. Das wieder erhitzte Gemisch wird durch die Leitung 29 in die Nutzleistungsturbine 30 geleitet, in der es unter Abgabe von Nutzleistung an die Arbeitsmaschine 31, im vorliegenden Beispiel ein Drehstromgenerator, auf Atmosphärendruck entspannt wird. Die -Abgase gelangen durch die Leitung 32 in das Rohrsystem 33 des Wärtneattstauschers 6, wo ihnen ein restlicher Teil an Wärme zur Vorwärmung der aus dem Kreislaufverdichter 1 kommenden Luft entzogen wird, um schließlich die Anlage durch den Stutzen 34 zu verlassen.
Als Ersatz für die dem Kreislauf durch die Leitung 11 entnommene Luftmenge wird durch den von der Ladeturbine 22 angetriebenen Ladeverdichter 35 P.ttft aus der Atmosphäre angesaugt und in verdichtetem Zustande durch die Leitung 36 dem Kreislauf zugeführt.
Zur Einsteilung der durch die Nutzleistungsturbine 30 strömenden .Arbeitstnittelmenge dient einesteils eine die ersten Stufen umgehende Umführungsleitung 37, welche ein Durchflußregelorgan 38 aufweist, andernteils ein in die Leitung 23 eingebautes Drosselorgan 39. Der Servomotor .1o des Durchflußregelorgatls 38 wie der Servomotor 41 des Drosselorgans 39 können beide über die Impulsleitung 4z, durch welche ein Druckmittel, z. B. Drucköl, geleitet werden kann, mittels der Regelvorrichtung I betätigt werden. Diese Regelvorrichtung ist im Gehäuse 43 bzw. 43° untergebracht und wird durch den von der Leitung 44 übertragenen Druck des :\rheitsmittels in der Austrittsleitung des Ladeverdichters 35 beeinflußt. Die Federkonstante der Rückstellfedertl 45 bzw. 46 sind derart gewählt, (laß bei einem allmählichen Druckanstieg des 1)rttcktnittels in der Impulsleitung 42 der Servomotor 41 (las Drosselorgan 39 ganz geöffnet, bevor eine N'ergr(ißertttlg des Dttrchflußquerschnittes mittels des vom Servomotor 4o betätigten Durchflußregelorgans 38 eintritt. Eine Vergrößerung des Durchflußquerschnittes in der Leitung 23 mittels des Drosselorgans 39 bzw. in der Umführungsleitung 37 mittels des Durchflußregelorgans 38 bewirkt ein Absinken des Druckes hinter der Ladeturbine 22 und damit eine Erhöhung des von dieser Turbine verarbeiteten Wärmegefälles. Die Folge davon ist eine Drehzahlsteigerung des mit der Turbine 22 gekuppelten Ladeverdichters 35 und damit eine Erhöhung des von dieser Turbine erzeugten Förderdruckes. Umgekehrt bewirkt eine Verminderung des Durchflußquerschnittes ein Abnehmen dieses Förderdruckes.
Zum Anlassen der Anlage dient der mit dem Kreislaufverdichter 1 gekuppelte Anwurfmotor 133. Zur Einstellung der durch die Kreislauf-Verdichterantriebsturbine 14 strömenden Arbeitsmittelmenge besitzt diese Turbine ebenfalls eine die ersten Stufen umgehende Umführungsleitung 47, welche mit einem Durchflußregelorgan 48 ausgerüstet ist. Der Servomotor 49 des Durchflußregelorgans wird über die Impulsleitung 5o, durch welche wiederum ein Druckmittel, z. B. Drucköl, geleitet werden kann, mittels der Regelvorrichtung II betätigt,-die ebenfalls im Gehäuse 43 bzw. 43° untergebracht ist; sie wird durch den Impulsgeber III beeinflußt.
Die Einstellung der Brennstoffzufuhr in die Düse 26 des Gaserhitzers 24 erfolgt durch Verschieben des Hebels 51, der drehbar am Ventilstößel des Regelorgans 27 gelagert ist. Das linke Ende des Hebels 51 ist mit dem Kolben 121 des Servomotors 52 verbunden, dessen Oberseite durch den mittels der Leitung 53 übertragenen Druck des Arbeitsmittels in der Eintrittsleitung der Ladeturbine 22 beaufschlagt wird. Seine Unterseite wird von dem vom Impulsgeber III eingestellten und durch die Leitung 54 in den Servomotor geleiteten Druckmittel beeinflußt; unter dem Einfluß der Feder 55 wird der Kolben im Beharrungszustand gegen seine mittlere Stellung zurückgeführt. Das rechte Ende des Hebels 51 ist mit dem Kolben 122 des Servomotors 56 verbunden, dessen Unterseite entgegen dem Einfluß der Federkraft der Feder 57 von dem über die Leitung 58 übertragenen Druck des Arbeitsmittels im Zwischengaserhitzer 24 beaufschlagt wird.
Die Brennstoffzufuhr in den Gaserhitzer io kann mittels des vom Servomotor 2o betätigten Regelorgans 21 eingestellt werden, dessen Kolben auf der Oberseite durch den über die Leitung 96 übertragenen Druck des Kreislaufarbeitsmittels in der Eintrittsleitung i3 der Kreislaufturbine 14 beaufschlagt wird.
Der Impulsgeber III weist einen mit der `'Felle der Arbeitsmaschine 31 gekuppelten Fliehkraftregler 6o auf, dessen Muffe 61 über die Feder 62 mit einem Steuerschieber 63 verbunden ist. Unter diesem stellt sich in bekannter Weise ein der Federspannung der Feder 62 und damit auch der Drehzahl der Arbeitsmaschine 31 entsprechender Druck des dem Schieber durch dieLeitung64 zu bzw. durch dieLeitung 65 abgeführten Druckmittels, z.B. Drucköls, ein.
Jede Drehzahlsenkung der Arbeitsmaschine 31 infolge einer Belastungsänderung bewirkt eine Druckänderung des Druckmittels unterhalb des Steuerschiebers 63, welche über die Leitung 54 auf die Unterseite des Kolbens des Servomotors 52 übertragen wird. Dieser beeinflußt das Regelorgan 27 in deal Sinne, daß eine Drehzahlverminderung der Nutzleistungsgruppe infolge einer Belastungszunahme eine erhöhte Brennstoffzufuhr und eine Drehzahlsteigung infolge einer Belastungsabnahme eine Verminderung der Brennstoffzufuhr in den Zwischengaserhitzer 24 zur Folge hat.
Damit wird jede Belastungsänderung der Nutzleistungsturbine durch entsprechende Beeinflussung der Temperatur des durch sie strömenden Arbeitsmittels unmittelbar ausgeglichen, indem ein eintretender Belastungsstoß durch Erhöhung der Temperatur aufgenommen wird und eine Belastungsverminderung ein Absenken der Temperatur zur Folge hat.
Nun wäre es aber nicht zulässig, diese Temperatur dauernd auf dem so einregulierten Wert zu belassen, weil eine stark erhöhte Temperatur eine thermische Überbeanspruchung des .Schaufelmaterials und eine wesentlich unter den Sollwert gesenkte Temperatur einen verschlechterten Wirkungsgrad der ganzen Anlage zur Folge hat. Jede bleibende Belastungsveränderung wird daher vorteilhaft durch Beeinflussung des Druckzustandes in der Anlage ausreguliert. Dazu wird der vom Steuerschieber 63 in Abhängigkeit der Drehzahl der Arbeitsmaschine eingestellte Druck des Druckmittels außerdem über das Drosselorgan 66 und die Leitung 67 auf die Oberseite des Kolbens 68 des Servomotors 69 übertragen. Das Drosselorgan 66 dient dazu, eine Verzögerung in der Impulsübermittlung vom Impulsgabeörgan III an die Regelvorrichtung 1I herbeizuführen, so daß eine Verschiebung des Kolbens 68 nur ganz allmählich erfolgen kann und nur eine zeitlich bleibende Belastungsänderung diese Regelvorrichtung zum Ansprechen bringt. Entsprechend des vom Steuerschieber 63 eingestellten Druckes verschiebt der Kolben 69 die mit diesem über die Stange 70 verbundene Kurvenscheibe 71. Diese legt die Stellung des gegen sie gedrückten Rollenstößels 7 2 fest, welcher an seinem unteren Ende die Feder 73 trägt, die ihrerseits mit dem Steuerschieber 7.1 verbunden ist. Der Stellung der Kurvenscheibe 71 entsprechend wird die Feder 73 mehr oder weniger zusammengedrückt und damit durch den Steuerschieber 74 in den durch eine Leitung mit ihm verbundenen Zylinderraum des Servomotors 75 ein der Spannung der Feder 73 entsprechender Druck des den Steuerschiebern durch die Leitung 76 zu- bzw. durch die Leitung 77 abgeführten Druckmittels, z. B. Drucköl, einstellt. Der Kolben 78 des Servomotors 75 wird auf seiner Unterseite von dem über die Leitung 79 übertragenen Druck des Arbeitsmittels in der Eintrittsleitung der Ladeturbine 22 beaufschlagt; im Beharrungszustand wird er unter dem Einfluß der beiden Rückstellfedern 8o und 81 in seiner Mittellage gehalten. Er steht ferner mit dem den Schieber 82 und den Servomotor 83 aufweisenden übrigen Teil der Regelvorrichtung 1I in Verbindung, die zur Vermeidung von Überregelung und damit zusammenhängender Pendelungen finit einer nachgiebigen Rückführung ausgerüstet ist. Der Kolben 83 verschiebt während des Regelvorganges über den starr mit ihm verbundenen Schleppzylinder 84 und den Kolben 85 auch den Hebel 86, dessen Drehpunkt durch die mit dem Kolben des Servomotors 75 verbundene Stange 87 gehalten ist. Unter dem Einfluß der Feder 88 wird der Schieber 82, der gleichfalls mit dem Hebel 86 durch eine Stange 89 gelenkig verbunden ist, gegen seine mittlere Stellung zurückgeführt, in welcher weder dem unter noch dem über dem Kolben 83 liegenden Zylinderrauen Druckmittel aus der Leitung 9o zufließen kann. Die Spannung der Feder 88 verschiebt den Kolben 85 gegenüber dem Schleppzylinder 84 unter Verdrängung der Flüssigkeit im Zylinderraum auf der einen Seite des Kolbens 85 über das Drosselorgan 91 in den gegenüberliegenden Zylinderraum.
Eine solche Regelvorrichtung mit nachgiebiger Rückführung kann nur in ihrer neutralen Lage zur Ruhe kommen. Dieser Fall tritt ein, wenn der Druckzustand in der Anlage einer, solchen Wert erreicht hat, daß der auf die Unterseite des Kolbens geleitete Druck des Arbeitsmittels in der Eintrittsleitung der Turbine 22 den gleichen Wert besitzt, wie der vom Impulsgeber eingestellte Druck des Druckmittels im Zylinderraum über dem Kolben 78. Die auf der rechten Seite des Kolbens 83 befestigte Stange trägt eine Feder 92, welche mit einem weiteren Steuerschieber 93 verbunden ist. je nach der durch den Kolben 83 auf die Feder ausgeübten Kraft stellt sich damit in bekannter Weise ein der Federspannung entsprechender Druck des dem Steuerschieber durch die Leitung 94 zu- bzw. durch die Leitung 95 abgeführten Druckmittels ein, der sich durch die Impulsleitung 5o auf die Unterseite des Kolbens des Servomotors 49 fortpflanzt. Die Kurvenscheibe 71 ist derart geformt, daß bei einer Abwärtsbewegung der Stange 70 infolge Druckanstiegs des Druckmittels im Zylinderraum oberhalb des Kolbens 68 der Rollenstößel 72 in dem Sinne ausgelenkt wird, daß unter dem Steuerschieber 74 und damit auch über dem Steuerschieber 93 in der Impulsleitung 5o der Druck des Druckmittels ansteigt. Damit wird das Durchflußregelorgan 48 durch den Impulsgeber III über das Verzögerungsorgan 67 die Regelvorrichtung 1I und die Impulsleitung 5o derart beeinflußt, daß eine . Drehzahlabnahme des \utzleistungsempfängers infolge eines eintretenden Belastungsstoßes eine allmähliche Vergrößerung des Durchflußquerschnittes in der Umführungsleitung der Kreislaufturbine 14 und damit eine Beschleunigung des mit ihr gekuppelten Verdichters 1 zur Folge hat. Eine Drehzahlsteigerung des Kreislaufverdichters hingegen bringt den Druck in der ganzen Anlage und damit die verfügbare \ utzleistungsabgabe allmählich zum Steigen. U ingekelirt bewirkt ein Anwachsen der Drehzahl der Arl>eitsinaschine 31 eine Verminderung des Druckes in der Impulsleitung 50; das Durchflußregelorgan 48 vermindert den Durchflußquerschnitt in der L'inführungsleitung der Ladeturbine 14, deren Drehzahl und damit auch diejenige des mit ihr gekuppelten Ladeverdichter: abfällt, was eine Druckverminderung des _\rl>eitsmittels in der ganzen .ynlage zur Folge hat.
Der so eingestellte Druck wirkt einerseits über die Leitung 96 derart auf den Kolben des Servomotors 2o ein, daß dieser mittels des von ihm betätigten Regelorgans 21 die Brennstoffzufuhr zum Gaserhitzer to in dem 1Vlaße vei-grcißert bzw. vermindert, wie der Druck im Kreislauf steigt bzw. fällt. Andererseits wird der Druck firn Kreislauf durch die Leitungen 79 auch unter die Kolben der Servomotoren 52 bzw-. 7.; geleitet: in dem 'Maße, wie der Druck steigt bzw-. f;illt, werden diese Kolben wieder in ihre Mittellage zurückgefiilirt.
Der untere Zylinderrahm des Servomotors 131 der Regelvorrichtung 1I ist durch eine Verbindungsleitung mit dem entsprechenden Zylinderraum des Servomotors 7,5 der Regelvorrichtung I verbunden, sein Kolben 98 Nvird damit ebenfalls von dem durch die Leitung 79 übertragenen Druck des Arbeitsmittels in der Eintrittsleitung der Ladeturbine 22 beaufschlagt. -\ii<iererseits steht der Kolben 98 mit dem den Schieber 99 und den Servoinotorkolben too aufweisenden weiteren Teil der Regelvorrichtung 1 in Verbindung die wiederum mit einer nachgiebigen IZücl;fiihrtilig ausgerüstet ist. Der Kolben ioo verschiebt während des Regelvorganges über den starr mit ihm verbundenen Schleppzylinder ioi auch den Hebel 102, an dessen einem Ende die von der Stange 103 übertragene Kraft des Kolbens 98 angreift. Am anderen Ende des Hebels 102 ist eine Feder 104 angebracht; unter ihrem Einfluß wird der Hebel 102 in seine Mittellage zurückgeführt und damit der gelenkig mit dem Hebel 102 durch die Stange io5 verbundene Schieber 99 in eine solche Lage gebracht, daß weder dem unter noch dem über dem Kolben ioo liegenden Zylinderraum Druckmittel aus der Leitung 9o zufließen kann. Die Spannung der Feder io4 verschiebt den Kolben io6 gegenüber dem Schleppzylinder ioi unter Verdrängung der Flüssigkeit im Zylinderraum auf der einen Seite des Kolbens io6 über das Drosselorgan 107 in den gegenüberliegenden "Zylinderraum. Eine Verschiebung des Kolbens ioo verursacht eine Änderung der Spannung der mit ihm mittels der Stange io8 verbundenen Feder io9, so daß auch der Steuerschieber i io seine Stellung verändert. Dabei stellt sich unter diesem Steuerschieber ein der Spannung der Feder iog entsprechender Druck des dem Schieber durch die Leitung 94 zu- bzw. durch die Leitung 95 abgeführten Druckmittels ein, welcher durch die Iml)ulsleitung 42 auf die Servomotoren der Regelorgane 4o und 41 übertragen wird; deren Rückstellfedern sind so gewählt, daß bei einem allmählichen Druckanstieg in der Impulsleitung 42 eine Vergrößerung des Durchflußquerschnittes in der UmfÜhrungsleitUng 37 der Nutzleistungsturbine 30 erst eintritt, nachdem das Drosselorgan 39 die Stellung für ungehinderten Durchfluß des Arbeitsmittels durch die Leitung 23 erreicht hat. Eine Linksverschiebung des Kolbens 98 beeinflußt den eben beschriebenen Teil der Regelvorrichtung I derart, claß der von dieser mittels des Steuerschiebers i io eingestellte Druck in der Impulsleitung 42 zunimmt und der umgekehrt bei einer Verschiebung des Kolbens nach rechts abfällt. Damit beginnen bei steigendem Arbeitsmitteldruck in der Eintrittsleitung der Ladeturbine 22 die Regelorgane 39 und 38 nacheinander zu öffnen und bewirken dadurch ein Absinken des Arbeitsmitteldruck-es hinter der Ladeturbine und deshalb eine \'ergr<ißeruiig des von ihr verarbeiteten Wärmegefälle. Die Turbine 22 und der mit ihr gekuppelte Ladeverdichter 35 beschleunigen sich, womit letzterer einen steigenden Ladedruck erzeugt.
Umgekehrt beeinflußt eine Druckabnahme in der Eintrittsleitung der Ladeturbine 22 mittels der Regelvorrichtung I und den von ihr eingestellten Regelorganen 39 und 38 den Arbeitsmitteldruck hinter der Turbine 22 derart, daß diese infolge Verminderung des Druckgefälles ein kleineres Wärmegefälle verarbeitet. Dies verursacht ein Sinken der Drehzahl des mit dieser Turbine gekuppelten Ladeverdichters 3.5 und damit eine Abnahme seines Förderdruckes.
Im Beharrungszustand wird der Kolben 98 unter dem Einfluß der beiden Rückstellfedern i i i und 97 in seiner littellage gehalten. Der so durch die Regelvorrichtung I eingestellte Förderdruck des Ladeverdichters wird nun aber durch die Leitung 44 auf die Oberseite des Kolbens 113 des Servomotors i 14 der Regelvorrichtung I geleitet, den er entgegen der Spannung der Feder i 15 zu verschieben vermag. Die mit dem Kolben 113 durch die Stange 116 verbundene Kurvenscheibe 117 legt die Stellung des gegen sie gedrückten Rollenstößels 118 fest. Dieser trägt an seinem unteren Ende die Feder i i9, welcher ihrerseits mit dem Steuerschieber 120 verbunden ist. Der Stellung Gier Kurvenscheibe 117 entsprechend wird die Feder i i9 mehr oder weniger zusammengedrückt und durch den Steuerschieber i2o im Zylinderraum oberhalb des Servomotorkolbens 98 ein der Spannung der Feder i ig entsprechender Druck des dem Steuerschieber durch die Leitung 76 zu- bzw. durch die Leitung 77 abgeführten Druckmittels eingestellt. Die Steuerfläche der Kurvenscheibe 117 kann keilförmig oder zur besseren Anpassung des. Regelvorganges an die Betriebscharakteristik der Anlage eine gekrümmte Form aufweisen. Unter dem Einfluß dieses Druckes wird der Kolben 98 des Servomotors 97 wieder in seine mittlere Stellung zurückgeführt, aus der er unter dem Einfluß der durch die Leitung 79 übertragenen Druckschwankung in der Eintrittsleitung der Ladeturbine 22 ausgelenkt worden ist.
Die beiden mit je einer nachgiebigen Rückführung ausgerüsteten Regelvorrichtungen I und 1I kommen nur dann zur Ruhe, wenn die Servomotorkolben 78 und 98 sich in ihrer Mittellage befinden. Dieser Fall tritt ein, wenn die infolge einer Belastungsänderung auftretende Drehzahlschwankung der Arbeitsmaschine 31 durch entsprechende allmähliche Änderung des Druckzustandes der ganzen Anlage mittels der beschriebenen Regeleingriffe ausreguliert worden ist.
Jede Druckschwankung des Arbeitsmittels im Zwischengaserhitzer 24 wird durch die Leitung 58 auch auf die Oberseite des Kolbens des Servomotors 56 übertragen. Dieser steuert in Abhängigkeit des Druckes in dem Zwischengaserhitzer 24 mittels des Regelorgans 27 die Brennstoffzufuhr für den Beharrungsfall. Im Verlaufe des Überganges von kleinerer zu größerer Leistung, beispielsweise während des Ausregulierens eines Belastungsstoßes, wächst der vom Impulsgeber III eingestellte Druck des durch die Leitung 54 auf den Kolben 121 des Servomotors 57 geführten Druckmittels. Damit verschiebt sich dieser Kolben nach oben und bewirkt eine sofortige Vergrößerung der Brennstoffzufuhr mittels des von ihm über den Hebel 51 betätigten Regelorgans 27 in der Brennstoffleitung 25. Gleichzeitig steigt aber allmählich der durch die Regelorgane 48,39 und 38 beeinflußte Arbeitsmitteldruck in der ganzen Anlage, so daß der durch die Leitung 53 auf die Oberseite des Servomotorkolbens 121 übertragene wachsende Arbeitsmitteldruck in der Eintrittsleitung der Turbine 22 eine Verminderung der vorher erhöhten Brennstoffzufuhr verursacht. Unterdessen hat sich aber schließlich auch der Arbeitsmitteldruck im Zwischengaserhitzer vergrößert, der seinerseits auf die Unterseite des Servomotorkolbens 122 durch die Leitung 58 geleitet wird, was eine erneute Vergrößerung der Brennstoffzufuhr zur Folge hat. Die Brennstoffzufuhr in den Zwischengaserhitzer erfolgt also unter >Verlagerung zweier zeitlich verschobener Regeleingriffe.
Auch der zeitliche Verlauf des Druckes hinter der Ladeturbine 22 entsteht durch Überlagerung zweier Regeleingriffe. Einerseits bewirkt das bei der Aufnahme eines Belastungsstoßes eingeleitete öffnen der Regelorgane 39 und 38 ein Absinken dieses Druckes, andererseits aber steigt der Druck in der gesamten Anlage infolge der erwähnten Regeleingriffe stetig an, was auch eine entsprechende Vergrößerung des Arbeitsmitteldruckes hinter der Ladeturbine verursacht. Dabei überwiegt dieser Druckanstieg die vorgängige Drucksenkung. Trotzdem vergrößert sich aber das Druckverhältnis der Ladeturbine, da ja auch der Druck in der Eintrittsleitung sich um einen entsprechenden Betrag erhöht hat.
Eine plötzliche Vergrößerung der Brennstoffzufuhr in dem Zwischengaserhitzer 24 bei der Aufnahme eines Belastungsstoßes ist natürlich nur in gewissen Grenzen zulässig, um schädliche thermische Überbeanspruchungen des Schaufelmaterials zu vermeiden. Wo besonders hohe Belastungsstöße aufgenommen werden müssen, wird zweckmäßig der Energiegehalt der Anlage unmittelbar mittels einer Zusatzvorrichtung vergrößert. Diese besteht aus einem Reserveluftbehälter 123, aus dem mit Hilfe des Ventils 124 Druckluft in die Anlage eingeführt werden kann. Dieses Ventil 12:I kann mittels des Servomotors 125 betätigt werden, dessen Kolben 126 auf seiner Unterseite durch das ihm aus der Leitung 127 bzw. 127° zugeführte Druckmittel beaufschlagt ist.
Steigt infolge plötzlichen Drehzahlabfalles der vom Impulsgabeorgan III mittels des Steuerschiebers 63 in den Leitungen 54 und 127 eingestellte Druck des Druckmittels, so hebt sich vorerst der Kolben 121 des Servomotors 55 bis zu seinem Anschlag. Genügt eine erhöhte Wärmezufuhr noch nicht zur Aufnahme des Belastungsstoßes, so daß der Druck unter dem Steuerschieber 63 noch weiter ansteigt, vermag dieser den Kolben 126 des Servomotors entgegen der Spannung der Feder 128 nach rechts zu verschieben und damit das Ventil 124 zu öffnen. Dadurch tritt Druckluft in die Anlage über, was eine rasche Erhöhung des Druckzustandes herbeiführt.
Umgekehrt muß natürlich auch dafür gesorgt werden, daß eine sehr schroffe Belastungsabnahme keine schädliche Drehzahlerhöhung der Arbeitsmaschine 31 verursacht. Es sind daher an dieselbe Leitung 127 zwei weitere Servomotoren 129 bzw. 13o angeschlossen, die das Abblaseventil 131 bzw. Absperrorgan 132 steuern. Sinkt der Druck in der Leitung 127 infolge schroffen Drehzahlabfalls der Nutzleistungsgruppe, so öffnet sich das Abblaseventil 13I, während sich das Absperrorgan 132 gleichzeitig schließt. Dadurch wird der Arbeitsmittelzutritt zur Nutzleistungsturbine 30 vermindert bzw. unterbrochen.
Es ist auf diese Art eine Regelung geschaffen, die bei hoher Wirtschaftlichkeit rasches Reagieren gewährleistet, da kleine, rasch vorübergehende Fluktuationen der Leistung durch nahezu trägheitsfreie Wärmezufuhränderung an das Arbeitsmittel aufgenommen werden, während der Druckzustand der Anlage sich nur langsam ändert und dem zeitlichen Verlauf der Belastung in großen Zügen nachfolgt. Damit können die bei einer raschen Veränderung des Druckzustandes der Anlage verursachten Verluste infolge ständiger Änderung des Energieinhaltes der Anlage vermieden werden.
Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren auch auf eine offene Anlage (Fig. 2) angewendet werden. Die durch den Verdichter 14o aus der Atmosphäre angesaugte Luft gelangt in verdichtetem Zustand durch die Leitung 141 in den Wärmeaustauscher 142, um anschließend durch den Stutzen 143 in den Brennraum des Gaserhitzers 144 zu strömen. Hier dient ein Teil des in der verdichteten Luft enthaltenen Sauerstoffes zur Verbrennung des dem Gaserhitzer durch die Leitung 145 zugeführten und durch die Düse 146 zerstäubten Brennstoffes. Ein Teil des im Gaserhitzer 144 hoch erhitzten Arbeitsmittels gelangt durch die Leitung 147 in die Nutzleistungsturbine 148, in der eine Teilmenge unter Abgabe von Nutzleistung an die mit der Turbine 148 gekuppelte Arbeitsmaschine 149, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Drehstromgenerator, auf Atmosphärendruck entspannt wird.
Eine zweite Teilmenge des Arbeitsmittels strömt durch die Leitung 15o 1n die Turbine 151, in der es unter Abgabe von Antriebsleistung an den mit dieser Turbine gekuppelten Verdichter ebenfalls auf Atmosphärendruck entspannt wird. Die in den beiden Turbinen expandierten Arbeitsmittelmengen vereinigen sich in der Leitung 152 und strömen gemeinsam in den Wärmeaustauscher 142, wo ihnen ein restlicher Teil der in ihnen noch enthaltenen Wärme zur Vorwärmung der dem Wärmeaustauscher durch die Leitung 141 zugeführten komprimierten Luft entzogen wird, bevor sie die Anlage durch den Stutzen 153 verlassen.
Das in die Brennstoffleitung 145 eingebaute Regelorgan 178 dient zur Einstellung der dem Gaserhitzer 144 zugeführten Brennstoffmenge; es kann mittels des Servomotors 15.I betätigt werden. Dessen Kolben 155 wird auf seiner Oberseite von dem durch die Leitung 156 zugeführten Druckmittel, z. B. Drucköl, beaufschlagt, dessen Druck durch den Impulsgeber IV eingestellt werden kann.
Der mit dem Verdichter 14o gekuppelte Anwurfmotor 157 ist als Gleichstrommaschine ausgebildet. Seine Bürsten können durch das Gestänge 158 mittels des Servomotors 159 in dem Sinne verstellt werden, daß eine Bewegung des Kolbens 16o nach oben in der Richtung von - nach -I- die Gleichstrommaschine aus dem Generatorbetrieb im Motorbetrieb überführt. Die Stromzufuhr bzw. -abfuhr erfolgt durch die Leiter 161, die mit den Klemmen einer weiteren Gleichstrommaschine 162 verbunden sind, welche mit der :\rl>eitsmaschine 149 gekuppelt ist. Durch diese Anordnung kann ein gegenseitiger Leistungsaustausch zwischen der Nutzleistungsgruppe und der Verdichtergruppe erzielt werden, indem je nach der Bürstenstellung der Gleichstrommaschine 157 diese als Motor der Verdichtergruppe zusätzliche, von der Nutzleistungsgruppe erzeugte .-\rbeitsleistung zuführt und umgekehrt bei Generatorl>etrieb zugunsten der Nutzleistungsgruppe der Verdichtergruppe 2\rbeitsleistung entzieht.
Der für die Bürstenverstellung vorgesehene Servomotor 159 steht ebenfalls unter dem Einfluß des vom Impulsgeber IV eingestellten Druckes des auf die Oberseite des Kolbens 16o durch die Leitung 163 zugeführten Druckmittels. Dabei ist in die Leitung 163 ein Drosselorgan 164 eingebaut, und hinter diesem an die Leitung 163 ein Windkessel 165 angeschlossen, die gemeinsam eine Verzögerung der Impulsübertragung vom Impulsgeber IV an den Servomotor 159 bewirken.
Der von der :\rl)eitsmaschine 149 erzeugte Drehstrom wird über die Leiter 166 in das Verbrauchernetz 167 geleitet.
Der vom elektrischen Widerstand 168 in einem der drei Phasenleiter in Abhängigkeit des vom Drehstromgenerator 149 erzeugten Stromes verursachte Spannungsabfall dient zur Beeinflussung des Impulsgehers IV. Der Widerstand 168 ist über die Spule 169 kurzgeschlossen, so daß der in dieser Spule fließende Strom ein durch den Weicheisenkern 170 verstärktes Magnetfeld erzeugt, welches den im Gehäuse geführten Weicheisenbolzen 172 entgegen der Spannung der Feder 173 zu verschieben vermag. Jede Verschiebung des Bolzens 172 wird durch eine weitere Feder 174 auf den Steuerschieber 175 übertragen. Unter diesem stellt sich in bekannter Weise ein der Spannung der Feder 174 entsprechender Druck des dem Schieber 175 durch die Leitung 176 zu- bzw. durch die Leitung 177 abgeführten Druckmittels, z. B. Drucköls, ein.
Jeder erhöhte Stromdurchfluß durch die Leiter 168 infolge eines eintretenden Belastungsstoßes bewirkt also eine Druckänderung des Druckmittels unterhalb des Steuerschiebers 175, welche über die Leitung 186 auf die Oberseite des Kolbens 155 des Servomotors 154 übertragen wird. Dieser beeinflußt das Regelorgan 178 in dem Sinne, daß eine Belastungszunahme der Nutzleistungsgruppe eine sofortige Erhöhung der Brennstoffzufuhr und eine Belastungsabnahme eine augenblickliche Verminderung der Brennstoffzufuhr in den Gaserhitzer 144 zur Folge hat. Damit wird jede Belastungsänderung der Nutzleistungsgruppe durch entsprechende Beeinflussung der Temperatur des durch die Nutzleistungsturbine 148 und des durch die Verdichterantriebsturbine 151 strömenden Arbeitsmittels ausgeglichen, indem ein eintretender Belastungsstoß durch Erhöhung der Temperatur infolge vergrößerter Wärmezufuhr aufgenommen wird und eine Belastungsverminderung ein Absinken der Temperatur infolge verminderter Wärmezufuhr zur Folge hat. Nun wäre es aber wiederum nicht zulässig, die Arbeitsmitteltemperatur dauernd auf dem so einregulierten Wert zu belassen, bis die Belastung zufällig wieder einen dem Sollwert der Eintrittstemperatur des Arbeitsmittels für diese beiden Turbinen entsprechenden Wert angenommen hat, weil eine länger andauernde stark erhöhte Temperatur eine thermische Überbeanspruchung des Schaufelmaterials und eine wesentlich unter den Sollwert gesenkte Temperatur einen verschlechterten Wirkungsgrad der Anlage zur Folge hat. Jede längere Zeit andauernde Belastungsänderung wird daher wiederum vorteilhaft durch Beeinflussung des Druckzustandes in der Anlage ausreguliert und die vorgängig erfolgte Temperaturerhöhung des Arbeitsmittels durch Vergrößerung bzw. Verminderung des die Anlage durchströmenden Arbeitsmittelvolumens rückgängig gemacht. Dazu wird der vom Steuerschieber 175 in Abhängigkeit der Belastung des Generators 149 eingestellte Druck des Druckmittels durch die Leitung 163 über die aus Drosselorgan 164 und Windkessel 165 bestehende Verzögerungseinrichtung auf die Oberseite des Kolbens 16o des Servomotors 159 geleitet. Diese Verzögerungseinrichtung dient wiederum dazu, eine zeitliche Verschiebung der Impulsübermittlung vom Impulsgeber IV an die zum Leistungsaustausch zwischen Nutzleistungs- und Verdichtergruppe vorgesehene Bürstenverstellvorrichtung der Gleichstrommaschine 157 herbeizuführen, so daß eine Verschiebung dieser Verstellvorrichtung nur ganz allmählich erfolgen kann.
Sinkt bei einem eintretenden Belastungsstoß der vom Impulsgeber IV eingestellte Druck des Druckmittels in der Leitung 163, bewegt sich der Kolben 16o des Servomotors 159 allmählich nach oben und verschiebt die Bürsten der Gleichstrommaschine im Sinne eines Überganges auf Generatorbetrieb dieser Maschine. Damit erhält die Verdichtergruppe zusätzliche, von der Nutzleistungsgruppe erzeugte Antriebsleistung. Die Folge davon ist eine allmähliche Drehzahlsteigerung des Verdichters 140, wodurch der Arbeitsmitteldruck in der ganzen Anlage erhöht wird, wobei gleichzeitig die durch die vergrößerte Brennstoffzufuhr in den Gaserhitzer 144 bedingte Temperaturerhöhung durch allmähliche Vergrößerung des umgesetzten Arbeitsmittelvolumens mittels Veränderung des Druckzustandes in der Anlage aufgehoben wird. Umgekehrt bewirkt eine Belastungsverminderung der Nutzleistungsgruppe ein Sinken der Drehzahl der Verdichtungsgruppe und damit eine Verminderung des Arbeitsmitteldruckes, unter gleichzeitiger allmählicher Verkleinerung des umgesetztem Arbeitsmittelvolumens mittels Veränderung des Druckzustandes in der Anlage, wodurch die vorgängig erfolgte Temperatursenkung des Arbeitsmittels wieder rückgängig gemacht werden kann. Durch geeignete Wahl der Verdichtercharakteristik kann dabei die Temperatur des Arbeitsmittels zusätzlich in Abhängigkeit des umgesetzten Arbeitsmittelvolumens beeinflußt werden, so da$ auch bei Teillast die Arbeitsmitteltemperatur vor Eintritt in die Turbine immer den für einen guten Wirkungsgrad günstigsten Sollwert einnimmt.
Damit kann auch bei diesem Ausführungsbeispiel eine Regelung erzielt werden, bei der die kleinen, rasch vorübergehenden Laständerungen durch die nahezu trägheitsfreie Wärmezufuhrveränderung an das :\rbeitsmittel, aufgenommen werden, während der Druckzustand der Anlage sich nur langsam ändert und dem zeitlichen Verlauf der Belastung in großen Zügen nachfolgt. Damit können die mit einer Veränderung des Druckzustandes der Anlage bei rasch vorübergehenden Lastschwankungen verursachten Verluste bedingt durch ständige Änderung des Energieinhaltes ebenfalls vermieden werden.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Fig. i und 2 veranschaulichten Ausführungsbeispiele beschränkt. -#-ielinehr ist es einem Fachmann ohne weiteres möglich, das beschriebene Regelverfahren und die Vorrichtung zu dessen Ausführung auf eine Gasturbinenanlage mit mindestens einer Nutzleistungsturbine zum Antrieb einer Arbeitsmaschine und mindestens einer davon mechanisch unabhängigen Gasturbine zum Antrieb eines Verdichters anzuwenden, in der der Strömungsweg des Arbeitsmittels einen vollständig geschlossenen Kreislauf bildet. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und die Vorrichtung zu dessen Ausführung können auch zum Antrieb des Propellers von Schiffen oder irgendeines anderen Fahrzeuges oder Maschinen verwendet werden.
Auch können insbesondere zur Ausführung des beschriebenen Verfahrens andere, mechanisch, hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch betätigte Organe verwendet werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Regelung einer Gasturbinenanlage mit mindestens einer Nutzleistungsturbine zum Antrieb einer Arbeitsmaschine und mindestens einer davon mechanisch unabhängigen Gasturbine zum Antrieb eines Verdichters, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr zu der einer der Turbinen vorgeschalteten Erhitzungsvorrichtung unmittelbar und der Druckzustand in der Anlage zeitlich verzögert nach Maßgabe einer Größe des Betriebszustandes der Arbeitsmaschine beein- flußt «erden. 2. Vorrichtung zur Ausführung des Ver- fahrens nach Anspruch i, gekennzeichnet durch eine Wärmezufuhreinrichtung, mittels welcher dem Arbeitsmittel vor dem Eintritt in eine der Turbinen Wärme zugeführt wird, ferner durch eine Druckzustandeinstellvorrichtung, welche den Druckzustand der Gasturlünenanlage beein- flußt, weiter durch einen Impulsgeber, der durch eine Größe des Betrichsztistandes der :\rlieits- maschine beeinflußt wird und welcher durch Impulsleitungen Impulse an die Wärmezufuhr- einrichtung und an die Druckzustandeinstellvor- richtung abgibt und schließlich durch eine Ver- zögerungseinrichtung, welche in die Impuls- leitung vom Impulsgeber zur Druckzustand- einstellvorrichtung eingeschaltet ist. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2 für eine Gasturbinenanlage, bei der die Wärmezufuhr- einrichtung als Breinikaininer ausgebildet ist, durch welche das Arbeitsmittel strömt, gekenn- zeichnet durch eine weitere Vorrichtung, durch welche die Wärmezufuhreinrichtung zusätzlich in Abhängigkeit voni Druck des Arbeitsmittels im Bereich der Breinikaininer beeinflußt wird. q. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsleitung für das Arbeitsmittel in die Wärmezufuhreinrichtung ein durch die Druckzustandeinstellvorrichtung beeinflußtes Drosselorgan aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 2 für eine Gasturbinenanlage, bei der mindestens eine der Turbinen eine Uinführungsleitung mindestens für die erste Stufe besitzt, dadurch gekennzeich- net, daß die Druckzustandeinstellvorrichtung ein in der Umführungsleitting angeordnetes Durchflußregelorgan beeinflußt. 6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Verzögerungseinrichtung ein in die Impulsleitung eingebautes Drossel- organ aufweist. 7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Verzögerungseinrichtung einen an die Inipulsleitting angeschlossenen Windkessel aufweist.