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Wärmekraftanlage Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftanlage, in
welcher ein gasförmiges Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, mindestens zum größeren
Teil einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibt, wobei das durch äußere
Wärmezufuhr erhitzte Arbeitsmittel in mindestens einer Turbine unter äußerer Leistungsabgabe
entspannt und hierauf in mindestens einem Kreiselverdichter wieder auf liölieren
Druck gebracht wird und in Abhängigkeit von der Belastung der Anlage selbsttätig
gesteuerte Mittel hei Änderung der Leistungsabgabe Arbeitsmittel an einer Stelle
hohen Druckes des Kreislaufs in diesen einzuführen bzw. daraus zu entnehmen gestatten.
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Leistungsänderungen können bei einer solchen Anlage bekanntlich durch
Änderung des Absolutdruckes ]in Kreislauf bzw. des im Kreislauf enthaltenen Arbeitsmittelgewichtes
herbeigeführt werden. Der geänderte Druckzustand zeigt daher, bezogen auf den ursprünglichen
Zustand, an Jeder Stelle des Kreislaufs im gleichen Verhältnis geändertc Drücke.
Der Druck an jeder Stelle des Kreislaufs ist jeweils im wesentlichen proportional
zu der in der Anlage erzeugten Leistung.
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Eine eindeutige Zuordnung von Leistung und Drehzahl der Anlage ist
bekanntlich zu erreichen, wenn die von der Drehzahl aus gesteuerten Mittel zum Einlaß
und Auslaß von Arbeitsmittel in den bzw. aus dem Kreislauf durch den an einer Stelle
des Kreislaufs herrschenden Druck erfolgt. Eine rasche Wirkung der Regelung ist
dabei zu erzielen, wenn der Ein- bzw. Auslaß von, Arbeitsmittel an einer Stelle
hohen Druckes des Kreislaufs erfolgt. Dann wird nämlich z. 13. beim Einlassen von
Arbeitsmittel
das Druckgefälle in der Anlage sofort vergrößert, so daß die Turbine, wie gefordert,
rasch mehr Leistung abgibt. Das Verhältnis von Höchst- zu Tiefstdruck der Anlage
wird dabei vorübergehend vergrößert, um erst allmählich wieder auf den normalen
Wert zurückzugehen, wenn die Anlage sich selbst überlassen wird, d. h. wenn der
Ein laßvorgang beendet ist.
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Beim Einlassen von Arbeitsmittel wird sich somit der Druck vor der
Turbine im ersten Augenblick stärker ändern als der Gegendruck der Turbine, da dieser
erst steigt, nachdem ein gewisser Arbeitsmittelüberschuß gegenüber der Förderung
des Verdichters in den Teil des Kreislaufs zwischen Turbinenaustritt und Verdichtereintritt
gelangt ist.
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Die Erfindung macht sich nun diese Tatsache zunutze, indem sie sie
dazu verwendet, die Drehzahlregelun( '; der Anlage möglichst stabil zu gestalten,
d. h. zu erreichen, daß durch eine Leistungsänderung eingeleitete Drehzahlschwankungen
möglichst rasch abklingen.
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Eine bekannte Maßnahme zur Verbesserung der Stabilität eines Regelvorganges
besteht bekanntlich darin, die Steuerung durch die von der Regelung erzeugte Wirkung
vorübergehend mehr zurückzuführen, als der Endzustand nach Beendigung des Regelvorganges
erfordern würde. Man spricht in diesem Zusammenhang von einer beschleunigten Rückführung.
Nach der Erfindung wird nun eine solche beschleunigte Rückführung dadurch erzielt.
daß die Rückführung der selbsttätig gesteuerton 1f ittel, die den Ein- und Auslaß
von Arbeitsmittel in den bzw. aus dem Kreislauf beherrschen, in Abhängigkeit von
der Änderung des höchsten im Kreislauf vorhandenen Druckes unter Gegernvirkung der
Änderung des tiefsten im Kreislauf vorhandenen Druckes erfolgt.
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In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes
in vereinfa@chter Darstellungsweise veranschaulicht.
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In der gezeigten Wärmekraftanlage durchströmt das :Arbeitsmittel des
Kreislaufs nacheinander, in an sich bekannter Weise, einen Verdichter i, einen Wärmeattstauscher
2, einen Erhitzer 3, eine Turbiile .4, hernach wieder den Wärmeaustauscher 2 und
dann einen Vorkühler 5, worauf es wieder vom Verdichter i angesaugt wird. Als Nutzleistungsempfänger
ist ein von der Turbine 4 angetriebener Generator 6 vorgesehen, mit dessen Welle
ein Fliehkraftregler 7 in Verbindung steht. Dieser Fliehkraftregler 7 leitet bei
Drehzahländerungen den Einlaß von Arbeitsmittel in den Kreislauf oder eine Entnahme
von Arbeitsmittel aus dem Kreislauf ein. Zu diesem Zweck steht dieser Regler 7 über
einen Balken 8, eine Stange 9 und einen Balken io mit einem an letzterem bei i i
angelenkten Steuerschieber 12 in Wirkungsverbindung. Dieser Schieber 12 beherrscht
den Zufluß von Druckmittel zu einem Hilfsmotor 13, welcher bei seiner Bewegung einen
Schieber 14 betätigt, der bei Verscltiel)ung aus einer Mittellage entweder Arbeitstnittel
aus einem Speicher 15 hohen Druckes an der Stelle 16 in den Arbeitsmittelkreislauf
gelangen läßt oder dem an dieser Stelle dem Kreislauf entnommenen Arbeitsmittel
in einen Speicher 17 niederen Druckes zu gelangen ermöglicht. Die Einführungs-
bzw. Entnahmestelle 16, welche zwischen dem Austritt des Verdichters i und dem Eintritt
der Turbine ,4 gelegen ist, befindet sich somit an einer Stelle des Kreislaufs,
wo das Arbeitsmittel einen hohen Druck (pH) aufweist.
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An das rechte Ende 18 des Balkens 8 ist eine Lasche i9 angelenkt,
die durch ein Gelenk 20 mit einem Balken 21 verbunden ist, für welchen die Stelle
22 einen festen Drehpunkt bildet. Mit dem Balken 21 sind ferner zwei Kolben 23 und
24 verbunden, auf deren Unterseite die Kreislaufdrücke pH bzw. pt; wirken, welche
von der Arbeitsmittel hohen Druckes enthaltenden Stelle 25 bzw. von der Arbeitsmittel
niederen Druckes enthaltenden Stelle 26 des Kreislaufs übertragen werden. Auf den
Balken .2i wirkt außerdem beim Gelenk 20 eine Feder 27 ein.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Wärmekraftanlage ist folgende:
Benn Steigen der Leistungsaufnahme des Verbrauchers 6 und damit sinkender Drehzahl
der Maschinengruppe i, 4, 6 wird der Hebel 8 im Gegenuhrzeigersinn um den vorerst
noch ruhenden Punkt i8 geschwenkt. Die Folge davon ist, daß sich der Schieber 12
senkt und der Kolben des Hilfsmotors 13 sich nach oben bewegt und mit ihm
auch der Schieber 14, welcher nun Arbeitsmittel aus dem Hochdruckspeicher 15 nach
der Stelle 16 des Kreislaufs strömen läßt. Damit steigt vorerst der Druck pn in
diesem Teil des Kreislaufs. Diese Druckerhöhung pflanzt sich durch die bei 25 vom
Kreislauf abzweigende Leitung nach der Unterseite des Kolbens 23 fort und verursacht
eine Drehung des Balkens 21 entgegen der Wirkung der Feder 27 im Uhrzeigerdrehsinn.
Das Gelenk 18 wird nun nach Maßgabe des Druckanstieges angehoben, so daß
auch die Stange 9 wieder angehoben, die Steuerung also rückgeführt und der Arbeitsmitteleinlaß
an der Stelle 16 in den Kreislauf wieder vermindert wird.
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Sobald dann ein entsprechender Teil des eingelassenen Arbeitsmittels
unter Arbeitsangabe in der Turbine 4 auch in den N iederdruckteil des Kreislaufs
(der sich bis zum Eintritt in den Verdichter i erstreckt) gelangt, so steigt der
in diesem Teil herrschende Druck prr an; diese Steigerung überträgt sich auf den
Kolben 24, wirkt also der durch die Änderung von ptt über den Kolben 23 hervorgerufenen
Drehung des Balkens 21 entgegen.
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Die Rückführung der selbsttätig gesteuerten Mittel zum Einlassen von
Arbeitsmittel in den Kreislauf erfolgt also in Abhängigkeit von der Änderung des
höchsten jeweils im Kreislauf vorhandenen Druckes pH und unter der Gegenwirkung
der Änderung des tiefsten im Kreislauf vorhandenen Druckes pN.
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Bei sinkender Leistungsaufnahme des Verbrauchers 6 und damit zusammenhängender
steigender Drehzahl der Maschinengruppe i, 4, 6 werden umgekehrte Bewegungen der
Steuerorgane wie die hescliriel
)enen hervorgerufen. Der Schieber
14 wird jetzt gesenkt und gibt daher den Auslas von Arbeitsmittel von der Stelle
16 des Kreislaufs in den Niederdruc'kspeic'her 17 frei. Das hat zur Folge,
daß der Druck pH sinkt, so daß sich die Feder 27 entspannen kann und der Hebel 21
daher im Gegenuhrzeigerdrehsintt gedreht wird. Die infolge Ausschlagens des Fliehkraftreglers
7 ,erfolgte Aufwärtsbewegung der Stange 9 wird also wieder rückgeführt. Diese durch
die Senkung des Druckes PH bedingte Wirkung wird wiederum gemildert durch die mit
Verzögerung nachfolgende Senkung des Druckes px im Niederdruckteil des Kreislaufs.
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Uni nach Beendigung eines Regelvorganges in einer Wärmekraftanlage
der hier in Betracht kommenden Art eine solche Zuordnung von Drehzahl und Last zu
erhalten, daß der tieferen Last eine höhere Drehzahl und einer höheren Last eine
kleinere Drehzahl entspricht, sind die Flächen der Kolben 23 und 24, auf welche
der Druck PH bzw. p.,; eüiwirkt, so zu bemessen und ferner sind die Längen der Ilehelartne
des. Balkens 21 zwischen Drehpunkt 22 und Angriffspunkt der Stangen der KollWii
23 und 24 so zu wählen, claß bei Änderung der Drücke pit und 1>.r im gleichen Verhältnis
der Einfluß der Änderung von pH gegenüber dem Einfluß der Änderung von 1>> stets
überwiegt. Dann ist im Gleichgewichtszustand, also wenn sich die Schieber 12 und
14 itt ihrer Mittellage befinden, einer tiefen Last, also einem tiefen Druckpegel,
eine höhere Drehzahl zugeordnet und umgekehrt. Falls sich die Wirkung der Drucke
pti und pv auf die Rückführung bei Änderung im gleichen Verhältnis gerade aufhebt,
so ergibt sich eine Isodromregel ung.
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Bei einer Wärmekraftanlage nach der Erfindung ergibt sich also infolge
der Verschleppung der Änderung von pv gegenüber der Änderung von pa vorübergehend
eine Rückführung, welche den für den Endzustand erforderlichen Rückführungsbetrag
übersteigt und somit in bekannter Weise eine günstige Einwirkung auf die Stabilität
der Regelung. Dabei wird die erfolgte zu starke Rückführung wieder durch Eigenschaften
der Anlage selbst (die erwähnte Verschleppung) ausgeglichen, wobei sich, unabhängig
etwa von Zähigkeitsänderungen eines gedrosselten Ölstromes, stets die gleichen der
Anlage angepaßten Eigenschaften der Regelung ergeben.