Verfahren zum Regeln von Brennkraftturbinen mit Freikolben-Treibgaserzeugern
Die Erfindung betrifft ein Regelverfahren für Brennkraftturbinen, deren Treibmittel
von mindestens zwei Freikolben-Treibgaserzeugern erzeugt wird.Method for controlling internal combustion turbines with free-piston propellant gas generators
The invention relates to a control method for internal combustion turbines, their propellants
is generated by at least two free piston propellant gas generators.
Es ist bereits bekannt, das Treibgas für eine Brennkraftturbine durch
zwei parallel arbeitende Freikolben-Treibgaserzeuger zu erzeugen. Dieser Vorschlag,
die gesamte Treibgaserzeugung auf mehrere Gaserzeuger aufzuteilen, verfolgt den
Zweck, trotz periodischer :',usstoßung der Treibgase aus den Gaserzeugern, der Turbine
eine möglichst gleichbleibende sekundliche Durchsatzmenge zuzuführen und einen Druckausgleichkessel
zu vermeiden. Um dieses Ziel zu erreichen, werden die Freikolben-Treibgaserzeuger
durch einen Steuerapparat dazu gezwungen, um ein halbes Arbeitsspiel phasenverschoben
zu arbeiten. Die Gaserzeuger sollen demnach immer zusammen und mit der gleichen
minutlichen Spielzahl arbeiten. Ein solcher Druckausgleich der Treibgase vor der
Turbine ist nur dann notwendig, wenn die Treibgaserzeuger mit kleiner minutlicher
Spielzahl arbeiten und dabei nur einmal je Spiel Teibgase ausstoßen, wie es bei
den Freikolben-Treibgaserzeugern mit Gegenlaufkolben der Fall ist. Finden aber beispielsweise
Freikolben-Treibgaserzeuger Verwendung, deren Zylinder und Kolben im Gegenlauf doppeltwirken
d miteinander arbeiten, die also zwei Arbeitshübe je Spiel ausführen und mit hohen
minutlichen Spielzahlen betrieben werden können, so ist ein Druckausgleich überflüssig,
auch dann, wenn nur ein Treibgaserzeuger in Betrieb ist.It is already known to carry the propellant gas for an internal combustion turbine
to produce two free-piston propellant gas generators working in parallel. This proposal,
Dividing the entire propellant gas production among several gas generators pursues the
Purpose, in spite of periodic: ', expulsion of the propellant gases from the gas generators, the turbine
to supply a secondary flow rate that is as constant as possible and a pressure equalization tank
to avoid. To achieve this goal, the free piston propellant gas generators
forced to do so by a control apparatus, out of phase by half a working cycle
to work. The gas producers should therefore always work together and with the same person
working minute number of games. Such a pressure equalization of the propellant gases before
Turbine is only necessary if the propellant gas generator has a small minute
Work number of games and only emit partial gases once per game, as is the case with
the free-piston propellant gas generators with counter-rotating pistons is the case. But find for example
Use of free-piston propellant gas generators, the cylinder and piston of which work in opposite directions
d work together, which means that they perform two working strokes per game and with high
minute numbers of games can be operated, a pressure compensation is superfluous,
even if only one propellant gas generator is in operation.
Um die Vorteile derartiger Treibgaserzeuger für eine wirtschaftliche
Leistungsregelung von Brennkraftturbinen mit mindestens zwei Freikolben-Treibgaserzeugern
voll auszunutzen, schlägt die
Erfindung ein Regelverfahren vor,
bei dem mehrere Freikolben-Treibgaserzeuger unabhängig voneinander arbeiten und
die Treibgase mindestens eines Gaserzeugers einer Zwischenstufe der Turbine zugeleitet
werden. Erfindungsgemäß sind bei Teilbelastungen der Turbine nur so viel Treibgaserzeuger
in Betrieb, wie zur Erzeugung der notwendigen Tr:eibgasmenge erforderlich sind.
Genügt bei ansteigender Turbinenbelastung die von den in Betrieb befindlichen Treibgaserzeugern
gelieferte Treibgasmenge nicht mehr, so wird ein weiterer Treibgaserzeuger in Betrieb
genommen, dessen Treibgas aber zuerst nur der letzten Stufengruppe der Turbine zugeführt
wird. Erst wenn bei weiterer Laststeigerung die volle Spielzahl dieses Treibgaserzeugers
erreicht ist, wird er auf die nächste Stufengruppe mit höherem Arbeitsdruck umgeschaltet.
Die Spielzahl dieses THibgaserzeugers fallt hierbei augenblicklich ab. Die Liefermenge
kann dann durch Steigerung der Brennstoffmenge bis zur Volleistung des Treibgaserzeugers
weiter erhöht werden. Die Umschaltung der Treibgaserzeuger kann selbsttätig in Abhängigkeit
vom Staudruck oder von der Spielzahl der einzelnen Gaserzeuger erfolgen. Außerdem
kann aber auch eine Einrichtung vorgesehen werden, die es ermöglicht, die Umschaltung
der Treibgaserzeuger willkürlich von Hand vorzunehmen. Die Erfindung sieht zwischen
den einzelnen Treibgaserzeugern und der Turbine Umschaltorgane, beispielsweise Drelrschieher,
vor. An Stelle der Drehschieber können auch Umschaltklappen oder Ventile eingebaut
werden. Steigt der Zwischendruck vor einer Stufengruppe der Turbine infolge Zuschaltens
eines Tr'eibgaserzeugers, so steigt durch den Rückstau auch der Druck in den andern
Turbinenstufen. Eine lfl>erschreitung des für die Treibgaserzeuger zul:issigen Höchstdruckes
wird erfindungsgemäß dadurch verhindert, daß ein selbsttätig gesteuertes j1>erströmventil
eine entsprechende Treil>gasmenge der nächstfolgenden Stufengruppe der Turbine zuleitet.
Ein weiterer Vorteil dieses Regelverfahrens ist der, daß die Reihenfolge des Einsatzes
der F reikolben-Treihgaserzeuger beliebig ist, so daß bei Ausfall eines Treihgaserzeugerc
sofort ein heservegaserzeuger eingesetzt werden kann oder, falls ein solcher nicht
vorgesehen ist, nur eine Herabsetzung der maximalen Leistung der Brennkraftanlage
erfolgt.To the advantages of such propellant gas generators for an economical
Power control of internal combustion turbines with at least two free piston propellant gas generators
to take full advantage of the
Invention provides a control method,
in which several free piston propellant gas generators work independently of one another and
the propellant gases from at least one gas generator fed to an intermediate stage of the turbine
will. According to the invention, there are only so many propellant gas generators with partial loads on the turbine
in operation, as are required to generate the necessary amount of waste gas.
If the turbine load increases, that of the propellant gas generators in operation is sufficient
If the amount of propellant gas supplied is no longer available, another propellant gas generator is put into operation
taken, but its propellant gas is initially only fed to the last stage group of the turbine
will. Only when, with further increases in load, the full number of cycles of this propellant gas generator
is reached, it is switched to the next stage group with higher working pressure.
The number of games of this THib gas generator drops immediately. The delivery quantity
can then by increasing the amount of fuel up to the full capacity of the propellant gas generator
can be further increased. The switching of the propellant gas generator can be automatic depending
from the back pressure or from the number of cycles of the individual gas generators. aside from that
however, a device can also be provided which enables the switchover
the propellant gas generator can be carried out arbitrarily by hand. The invention provides between
the individual propellant gas generators and the turbine switching devices, for example Drelrschieher,
before. Switchover flaps or valves can also be installed in place of the rotary valve
will. If the intermediate pressure increases in front of a stage group of the turbine as a result of switching on
of one propellant gas generator, the back pressure also increases the pressure in the others
Turbine stages. If the maximum pressure permitted for the propellant gas generator is exceeded
is prevented according to the invention in that an automatically controlled j1> outflow valve
a corresponding amount of gas is fed to the next group of stages of the turbine.
Another advantage of this control method is that the order of use
the free-piston series gas generator is arbitrary, so that in the event of failure of a series gas generator
a heserv gas generator can be used immediately or, if one cannot
is provided, only a reduction in the maximum power of the internal combustion system
he follows.
Die Zeichnung zeigt als Beispiel ein Schaltbild einer Brennkraftturbinenanlage,
deren Leistung nach dem Verfahren der Erfindung geregelt wird. .111>. i zeigt die
Gesamtauflage, 111i. 2 bis 5 nur die Stellungen der Drehschieber bei verschiedenen
Belastungen der Turbine.As an example, the drawing shows a circuit diagram of an internal combustion turbine system,
whose performance is regulated according to the method of the invention. .111>. i shows the
Total edition, 111i. 2 to 5 only the positions of the rotary valve at different
Loads on the turbine.
Die .Anlage ist mit vier Freikoll>en-Treil>gaserzetigern i, 2, 3,
.4 ausgerüstet. Die Gaserzeuger sind in (lern Schaubild als gleich groß angenommen,
können aller auch für verschiedene Fördermengen ausgelegt werden. Zwei Treibgaserzeuger
i und 2 sind zusammengefaßt und erzeugen die Treibgasmenge für 3o"/o der Volleistun-
der Turbine, während die beiden andern "Creii)gaserzetiger 3 und 4 je 25% der gesamten
Treil)gasmeiige liefern. Über die hier als Drehschieber ausgebildeten Umschaltorgane
5, 6, 7 werden die Treibgase der Turbine 8 zugeleitet, deren Beschaufelung beispielsweise
in drei Stufengruppen 9, io, i i unterteilt ist. Die Leistung der Turbine wird über
die Kupplung i2. an die hier nicht gezeichnete Arbeitsmaschine ,übertragen. Die
Verteilung der Treibgase auf die drei Stufengruppen erfolgt Tiber je eine Sammelleitung
13, 14, 15. Die erste Stufengruppe 9 wird durch die Leitung
16, die zweite Gruppe io durch die.Leitung 17 überbrückt. In beiden
Leitungen ist je@ein Absperrorgan 18 und i9 eingebaut, die in -Abhängigkeit von
den Drucken vor den Stufengruppen 9 und io über die Impulsleitungen 20 und 21 selbsttätig
gesteuert werden. Die Stellung der Drehschieber 5, 6, 7 in der Abb. i entspricht
einer Turbinenleistung von o bis 5o% der Vollleistung. Die Gaserzeuger 3 und :1
sind dabei außer Betrieb. Wird eine größere Turbinenleistung gefordert, so wird,
wie Abb.2 zeigt, der Gaserzeuger 3 mittels des Drehschiebers 6 auf die letzte Stufengruppe
i i geschaltet und in Betrieb genommen. Der Rückstau des vor der Stufengruppe i
i ansteigenden Druckes bewirkt auch einen Druckanstieg vor den Gruppen 9 und io.
Sobald der zu= lässige Druck vor der Gruppe 9 überschritten wird, öffnet das Absperrorgan
18 die Überströmleitung 16 und läßt eine so große Treil>gasmenge zur Stufengruppe
io überströmen, daß der Druck vor der Gruppe 9 konstant bleibt. Mit dieser 'Schaltung
(Abb.2) läßt sich durch Steigerung der Spielzahl des Treibgaserzeugers 3 bis auf
die volle Spielzahl die Turbinenleistung auf etwa 65% steigern, Eine weitere Leistungssteigerung
bis auf etwa 750/e erreicht man nach Umschaltung des Treibgaserzeugers 3 auf die
Stufengruppe io, wie die Abb. 3 zeigt. Die durch den höheren Gegendruck abgefallene
Spielzahl des Gaserzeugers 3 wird durch Erhöhung der Brennstoffmenge wieder auf
die volle Spielzahl gebracht. Zur Erzielung der vollen Turbinenleistung wird endlich
nach Abb. 4 der Drehschieber 7 auf die letzte Stufengruppe i i geschaltet und der
Treibgaserzeuger .f in Betrieb genommen. Mit ansteigendem Staudruck öffnet auch
das Absperrorgan i9 die Überströmleitung i7 und verhindert damit eine Überschreitung
des Höchstdruckes vor der Stufengruppe io. Dieses Regelvier= fahren ermöglicht es
außerdem, hei Ausfall eines oder mehrerer Treibgaserzeuger tnit den noch betriebsfähigen
mit der größtmöglichen Wirtschaftlichkeit zu fahren. @So zeigt beispielsweise Abb.Y5
eine Schaltung der Drehschieber, wenn die Gaserzeuger i und 2 nicht in Betrieb genommen
werden können und die Treibgaserzeuger 3 und :4 vor die erste Stufengruppe 9 der
Turbine geschaltet sind.The system is equipped with four Freikoll>en-Treil> gas generators i, 2, 3, .4. The gas generators are assumed to be the same size in (learn the diagram, they can all be designed for different delivery rates. Two propellant gas generators 1 and 2 are combined and generate the propellant gas quantity for 3o "/ o of the full power of the turbine, while the other two" Creii ") gas generators 3 and 4 each deliver 25% of the total amount of gas. The propellant gases are fed to the turbine 8 via the switching elements 5, 6, 7, which are designed here as rotary slide valves, the blading of which is subdivided into three step groups 9, io, ii, for example. The output of the turbine is via the clutch i2. to the machine not shown here. The propellant gases are distributed to the three stage groups via a collecting line 13, 14, 15 each. The first stage group 9 is bridged by the line 16, the second group io by the line 17. A shut-off device 18 and i9 is installed in each of the two lines; The position of the rotary valve 5, 6, 7 in Fig. I corresponds to a turbine output of 0 to 50% of full output. The gas generators 3 and: 1 are out of operation. If a greater turbine output is required, as Figure 2 shows, the gas generator 3 is switched to the last stage group ii by means of the rotary valve 6 and put into operation. The back pressure of the pressure rising in front of the stage group i i also causes a pressure increase in front of the groups 9 and io. Once the permeable to = Pressure in front of the group 9 is exceeded, the shut-off 1 8 opens the overflow line 16 and leaves such a large Treil> amount of gas to flow over io stage group that the pressure upstream of the group 9 remains constant. With this circuit (Fig. 2), the turbine output can be increased to around 65% by increasing the number of cycles of the propellant gas generator 3 up to the full number of cycles io, as Fig. 3 shows. The number of cycles of the gas generator 3, which has fallen due to the higher back pressure, is brought back to the full number of cycles by increasing the amount of fuel. To achieve the full turbine output, the rotary valve 7 is finally switched to the last stage group ii as shown in Fig. 4 and the propellant gas generator .f is put into operation. As the back pressure rises, the shut-off device i9 also opens the overflow line i7 and thus prevents the maximum pressure upstream of the stage group io from being exceeded. This four-wheel drive also makes it possible to drive with the greatest possible economic efficiency if one or more propellant gas generators fail. For example, Fig.Y5 shows a circuit of the rotary valve when the gas generators i and 2 cannot be put into operation and the propellant gas generators 3 and: 4 are connected upstream of the first stage group 9 of the turbine.