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Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage und Einrichtung zur
Ausführung dieses Verfahrens Die Erfindunf; bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb
einer Gasturbinenanlage, welche mit einem Kreislauf eines Arbeitsmittels arbeitet,
aus dem ständig eitle Teilmenge entzogen und hierfür eine Ersatzmenge wieder zugeführt
wird, wobei die Ersatzmenge mindestens bei Überlast durch einen Verdichter auf erhöhten
Druck gebracht wird, ehe sie dem Kreislauf zugeführt wird, und auf eine Einrichtung
zur Ausführung des Verfahrens. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Zuordnung der Sollwerte für: einen über dem Druck der Ersatzluft liegenden obern
()ruck im Kreislauf und für den Druck der Ersatzluft nach Maßgabe der gewünschten
Leistung eingestellt wird.
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An Gasturbinenanlagen der beschriebenen Art wird die Forderung gestellt,
daß sie bei Normallast, z. B. hei Marschfahrt auf Schiffen, dauernd mit höchstem
Wirkungsgrad arbeiten, bei Überlastbetrieb, z. B. bei forcierter Fahrt von Schiffen,
aber ein Vielfaches dieser Normalleistung trotzdem noch mit gutem Wirkungsgrad entwickeln.
Um die erwähnten, einander entgegengesetzten Forderungen erfüllen zu können, dürfen
die Drücke in der Anlage nicht einfach sich selbst überlassen werden;
sie
würden sich dann an allen Orten ungefähr proportional mit der Leistung verändern.
Zur Einhaltung der gestellten Bedingungen wird zweckmäßig das @"erhältnis eines
obern Druckes im Kreislauf zum Druck der Ersatzluft mit steigender Leistung vergrößert.
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Die Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung besitzt
eine durch das Arbeitsmittel d:s Kreislaufes beaufschlagte Turbine, welche einen
Verdichter für das Arbeitsmittel des Kreislaufes treibt, und eine durch aus dem
Kreislauf entzogenes Arbeitsmittel leaufschlagte Turbine, welche den Verdichter
für die Ersatzluft treibt. Zweckmäßig besitzen die Kreislaufturbine und die durch
die entzogene Teilmenge des Arbeitsmittels beaufschlagte Turbine je eine Regelvorrichtung
zur Einstellung ihrer Drehzahlen. Dabei kann eine zentrale Regelvorrichtung vorgesehen
sein, mit welcher der Sollwert der Drehzahl der Kreislaufturbine und der Sollwert
der Drehzahl der durch die entzogene Teilmenge des Arbeitsmittels beaufschlagten
Turbine der gewünschten Leistung entsprechend eingestellt werden kann.
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Es empfiehlt sich, diese zentrale Regelvorrichtung durch den Druck
im Kreislauf vor der Kreislaufturbine und durch den Druck der Ersatzluft am Austritt
aus dem Ersatzluftverdichter so zu beeinflussen, daß die eingestellten Sollwerte
eingehalten werden.
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N achstehend ist ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung nach der
Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben und gleichzeitig das Verfahren gemäß
der Erfindung beispielsweise erläutert. Fig. i zeigt das Schema der Gesamtanlage
und Fig. 2 im einzelnen die zentrale Regelvorrichtung mit einigen damit zusammenhängenden
Teilen der (äasturl)inenanlage.
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Der Verdichter i verdichtet das aus der Leitung 2 zuströmende Arbeitsmittel,
wobei im Kühler 3 eine Zwischenkühlung erfolgt, und fördert es in verdichtetem Zustand
teilweise durch die Leitung'4 in einen Wärmeaustauscher 5 und teilweise durch die
Leitung 6 in einen Wärmeaustauscher 7. Das im Wärmeaustauscher 5 vorgewärmte Arbeitsmittel
strömt durch die Leitung8 in den das Rohrsystem9 des Gaserhitzers io umgebenden
Raum. Nach der Erhitzung strömt das Arbeitsmittel durch die Leitung i i in die Turbine
12 weiter und gelangt nach Entspannung durch die Leitung 13 in das Rohrsystem 14
des Wärmeaustauschers 5. Hier wird ein Teil der im entspannten Arbeitsmittel noch
enthaltenen Wärme an das durch die Leitung 4 aus dem Verdichter i ankommende Arbeitsmittel
übertragen. In einem Kühler 15 wird ein weiterer Teil der Restwärme dein Arbeitsmittel
entzogen. In gekühltem Zustand gelangt das Arbeitsmittel durch die Leitung 2 wieder
in den Verdichter i zur-,tick, wo es den beschriebenen Kreislauf von neuem beginnt.
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Der durch die Leitung 6 dem Kreislauf entzogene Teil des Arbeitsmittels
gelangt durch den \Värmeaustauscher 7 und die Leitung 16 zum Brenner 17 des Gaserhitzers
io. Das Verbrennungsgas strömt durch das Rohrsystem 9 und gibt dabei einen Teil
seiner Wärme an das aus der Leitung 8 ankommende Arbeitsmittel des Kreislaufes ab.
Mit verminderterTemperatur strömt dasVerbrennungsgas durch die Leitung 18 in die
Nutzleistungsturbine i9.
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Die Abgasleitung 2o besitzt eine aus zwei Durchflußorganen 21 und
22 bestehende Umschaltvorrichtung, mit deren Hilfe das Abgas der N utzleistungsturbine
i9 nach Bedarf das eine Mal dem Wärmeaustauscher 7 und das andere Mal der Abgasturbine
23 zugeführt werden kann. Das Abgas gelangt also entweder durch den das Rohrsystem
24 des W ärmeaustauschers 7 umgebenden Raum oder durch .die Abgasturbiner23 in die
Ableitung 25.
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Als Ersatz für das dem Kreislauf entnommene Arbeitsmittel wird durch
die Leitung 26 Luft wieder in den Kreislauf eingeführt. Diese kann je nach der Einstellung
der aus den Durchflußorganen 27 und 28 bestehenden Umschaltvorrichtung entweder
durch die Leitung 29 unmittelbar der Atmosphäre entzogen oder durch die Leitung
30 in vorverdichtetem Zustand durch den Verdichter 31 zugeführt werden.
Der Verdichter 31 erhält die Luft seinerseits durch die Leitung 32 aus der Atmosphäre.
Während der Verdichtung im Verdichter 31 findet in einem Kühler 33 eine Zwischenkühlung
statt.
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Die durch die reine Luft des Kreislaufes beaufschlagte Turbine 12
des Kreislaufes treibt den Kreislaufverdichter- i an. Mit dem aus der Turbine 12
und dem Verdichter i bestehenden Aggregat ist außerdem eine elektrische Nlaschine'34
gekuppelt, mit deren Hilfe die Anlage in Betrieb gesetzt, während des Betriebes
ein Energiemangel ersetzt oder überschüssige Energie abgeführt werden kann. Die
Nutzleistung der Turbine i9 wird über das Getriebe 35 und die Welle 36 auf den Schiffspropeller
37 übertragen, der zur Umsteuerung und Einstellung der Schiffsgeschwindigkeit mit
verdiehbaren Flügeln ausgerüstet ist. Durch die Abgasttirl>ine 23 wird der Vorverdichter
3 t angetrieben.
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Zur Steuerung der Durchflußorgane 21, 22, 27 und 28 dienen die Servomotoren
38, 39, 4o hzw. 41, welche durch die Steuerleitungen 42, 43, 44 bzw. 45 mit einer
zentralen Regelvorrichtung 46 in Verbindung stehen. Die Kreislaufturbine 12 besitzt
zur Einstellung ihrer Drehzahl eine Umgehungsleitung 47, deren Durchflußmenge mittels
eines Durchflußorgans 48 eingestellt werden kann. Der Servomotor' 49 dieses Durchflußorgans
ist über die Steuerleitung 5o mit der zentralen Regelvorrichtung 46 verbunden. Eine
Vergrößerung des 1)urchflußquerschnittes der Umgehungsleitung 47 verursacht eine
Vergrößerung der die Turbine 12 heaufschlagenden Arbeitsmittelmenge, wodurch ihre
Drehzahl und damit ihre Leistung vergrößert wird. Umgekehrt wird durch eine Verkleinerung
des Durchflußquerschnittes die Drehzahl und die Leistung der Turbine verkleinert.
Auch die Abgasturbine 23 besitzt eine Regelvorrichtung zur Einstellung ihrer Drehzahl.
Der Eintrittsleitkranz 51 besitzt drehbare Leitschaufeln, die über Kurl)eln> 52
an einen Stellring
53 aitgeletikt sind. Der StAlring wird mit Hilfe
des Servomotors 54 eingestellt. Hierzu ist der Servomotor über die Steuerleitung
55 mit der zentralen Regelvorrichtung 46 verbunden. Eine Verminderung des I)urchflußcluersclitiitt°s
des Leitkranzes 51 verursacht eine Stauung des _'lrbeitsmittels. Hierdurch steht
der Turbine 23, trotz des verminderten Durcligangsduerschnittes, wegen des erhöht.--n
Druckes eine vergrößerte Energiemenge zur Verfiigung, so daß ihre Drehzahl gehoben
wird. Umgekehrt verursacht eine Vergrößerung des Durchflußcluerschnittes und die
damit zusammenhängende Drucksenkung eine Verminderung der Turbinenleistung.
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t't>er die Impulsleitung 56 wird die zentrale Vorrichtung 46 durch
den Druck des Kreislaufes an der Eintrittsstelle 57 der Kreislaufturbine
12 und durch die Impulsleitung 58 durch den Druck der Ersatzluft an der Stelle
59 am Austritt aus dem Verdichter 31 beeinflußt. Die Brennstoffleitung 6o des Brenners
17 führt ebenfalls durch die z°ntrale kegelvorrichtung 46 zur Einstellung
der Brcnnstoffrnetige.
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Die zentrale Regelvorrichtung 46 stellt je nach der Stellung des I-iandlielyels
61 die Zuordnung der Sollwerte für den Druck im Kreislauf an der Stelle 57 und den
Druck der Ersatzluft an der Stelle 59 nach Maßgabe der Belastung der Anlage ein.
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Durch Bewegung des Handhebels 61 (Fig. 2) zwischen den extremen Stellungen
Minus und Plus werden der \Vinkelh@:l>el 68 und d°r Schieber 69 mit den Kurvenbahnen
70 und 71 von Leerlaufleistung bis zu h<klister Leberlast verstellt.
Durch ein Leitungssystem 6; wird der Regelvorrichtung ein Druckmittel, z. E3. Drucköl,
zugeführt. D--,r Winkelliehel 68 legt die Stellung des Schiebers 72 fest. Je nach
seiner Stellung wird aus der Druckleitung 65 Druckflüssigkeit Tiber das Schiebergehäuse
73 entweder in die Steuerleitung 66 oder in die Steuerleitung 67 geführt. Gleichzeitig
strömt ;ins der Steuerleitung, @velche keine Druckflüssigkeit erhält, verbrauchte
Steuerflüssigkeit in d.en Ablauf.
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Die Kttrvetil>alitien7o und 71 legen die Stellung der durch
die Federn 74 hzw. 75 gegen sie gedrückten Stiißel 76 hzw-. 77 fest. Die Waagehebel
78 und 79 werden einerseits durch die Stößel 76 und 77 über die Federn 8o und 81
und anderseits durch die mittels der Federn 82 und 83 belasteten Kolben 84 und 85
in ihrer Lage gehalten. Hierdurch werden Tiber die Gestänge 86 und 87 auch die Schieber
@;8 und 89 eingestellt. Diese Schieber steuern ihrerseits die Zufuhr von
Druckmittel- aus dem System f>5.iti die "Zylinder der Servomotorkolben 9o und 9i
und die Abfuhr verbrauchten Steuermittels aus diesen Zylindern in den Allauf. Die
ServomotorkoIlten sind einerseits über die Federn 92 und 93 mit den Steuerscliielx°rti
94 und 95 verbunden, anderseits beeinflussen sie über die Schleppvorrichtungen <6
und 97 zur Rückführung der Regelung wiederum die Lage der Waagebalken 78 und 79.
Die Schleppvorrichtungen besitzen einen Schleppkolben 98, welcher auf seiner einen
Seite Fliissigkeit über die Drosselstelle 99 auf die andere Seite verdrängen kann.
Die Brennstoffleitung 6o besitzt ein Regelventil ioo, dessen Stellung mittels des
durch die Feder Toi belasteten Kolbens 102 gesteuert wird.
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Befindet sich der Hebel 61 in der Minusstellung ganz rechts für Leerlauf,
so nimmt der Schieber 72 seine tiefste Lage ein, und die Stößel 76 und 77 stehen
umgekehrt in ihrer höchsten Lage. In dieser Stellung kann aus dem Druckmittelsystem
65 Druckmittel in die Leitung 66 und aus dieser in die Leitungen 42 und 45 gelangen.
Umgekehrt strömt aus den Leitungen 43 und 44 Ablaufflüssigkeit durch die Leitung
67 über die freigelegte Ablaufkante des Schiel>ergehäuses 73 in den Ablauf aus.
Dabei nehmen die Kolben der Servomotoren 38, 39, 4o und 4i ihre höchste Stellung
ein, wodurch die Durchflußorgane 22 und 28 in geschlossener Stellung, die Durchflußorgan,-
2i und 27 aber in offene Stellung gebracht werden.
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Das Abgas der Nutzleistungsturbine i9 (Fig. i) strömt dann durch den
das Rohrsystem 24 umgebenden Raum des Wärmeaustauschers 7 in die Abgasleitung 25.
Dadurch wird die für den Gaserhitzer io bestimmte Verbrennungsluft vorgewärmt und
damit die Restwärme des aus der Anlage abströmenden Arbeitsmittels weitgehend wieder
zurückgewonnen. Die zum Ersatz für diese abgeführteArl>eitsmittelmenge in den Kreislauf
frisch einzuführende Luft wird unmittelbar durch die Leitungen 29 und 26 üb°r das
Rückschlagorgan 62 und das geöffnete Durchflußorgan 27 in die Anlag eingeführt.
Die Anlage arbeitet so mit ganz niedrigem Druckniveau des Kreislaufes im Leerlauf.
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Wird der Hebe.l6i (Fig.2) von der Leerlaufstellung zu äußerst rechts
gegen links verschoben, so wird zunächst nur der Stößel 76 nach unten verschoben,
während der Stößel 77 entsprechend deer Form der Kurvenbahn-7i immer noch in seiner
höchsten Lage verbleibt. Vorerst überschleift der Schieber 72 die steuernden Kanten
noch nicht, so daß die Durchflußorgane 21, 22 und 27, 28 in ihrer Lage verharren.
Dagegen wird durch die Abwärtsbewegung des Stößels 76 zunächst die Feder 8o gespannt.
Hierdurch wird der Zylinder der Schleppvorrichtung 96 unter Flüssigkeitsverdrängung
über die Drosselstelle 99 nach unten gedrückt. Dieser Bewegung folgt auch das Gestänge
86 und der Schielfer 88. Es kann dann Flüssigkeit aus dem Zufuhrsystem65 unter den
Kolben, go gelangen. Dadurch wird der Kolben 9o angehoben und die Feder 92 entlastet.
Unter dem Steuerschieber 94 stellt sich somit der Entspannung der Feder 92 entsprechend
ein niedrigerer Steuerdruck ein, so daß cl-er Kolben des. Servomotors 49 und das
Durchflußorgan 48 in der Umgehungsleitung 47 durch die Servomotorfeder nach unten
gedrückt wird. Der Durchflußcluerschnitt der Umströmungsleitung 47 wird also vergrößert
und dadurch die Drehzahl und die Leistung der Kreislaufturbine 12 (Fig. i) erhöht.
Hierdurch wird die Drehzahl des Kreislaufverdichters i vergrößert und damit der
obere Druck im Kreislauf erhöht. Diese Druckerhöhung wird
von der
Stelle 57 am Eintritt in die Kreislaufturbine über die Leitung 56 auf den Kolben
8.1 übertragen, der damit der Feder 82 entgegen nach oben gedrückt wird. Der Regelvorgang
kommt dann zur Ruhe, wenn beim gesteigerten obern Druck im Kreislauf und damit in
der Impulsleitung 56 und unter dem Kolbeiv8d und bei gänzlicher Entspannung der
Feder 8o der Waagebalken 78 in eine Lage gelangt ist, in welcher der Steuerschieber
88 die Mittelstellung einnimmt, in welcher dem Servomotorkolben go weder auf die
eine noch auf die andere Seite Steuerflüssigkeit zugeführt wird. Diese Ruhelage
der Regelvorrichtung wird somit nur erreicht, wenn ein der Stellung des Hebels 61
eindeutig zugeordneter oberer Druck im Kreislauf hergestellt ist.
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Entsprechend, dem der Stellung des Hebels 61 und der Leistung der
Anlage zugeordneten Druck in der Impulsleitung 56 wird der Kolben 102 des Brennstoffregelorgans
ioo der Feder ioi entgegen angehoben und damit die dem Gaserhitzer io zugeführte
Brennstoffmenge vergrößert. Die Leistung der Gesamtanlage kann so auf die für normale
Marschfahrt notwendige Höhe gesteigert werden, für welche die Schaufelform und die
Durchgangs-<juersclinitte der Strömungsmaschinen so ausgelegt sind, da13 ein
höchstmöglicher Wirkungsgrad sichergestellt ist.
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Soll die Leistung über Marschfahrt hinaus gesteig,ert werden, so wird
der Hebel 61 weiter in Richtung gegen die Plusstellung verschoben. Hierbei steuert
an einer bestimmten Stelle der Schieber 72 die Zufuhr von Druckmittel von der Leitung
66
auf die Leitung 67 um. Die Kolben der Servomotoren 38 bis .41 gelangen
in die in der Zeichnung dargestellte Lage, wobei die Durchflußorgane 22 und 28 geöffnet,'
die Durchflußorgane 21 und 27 aber geschlossen sind. Die Anlage geht dann voni atmosphärischen
Betrieb zum Betrieb mit Torverdichtung über. Die Abgase der Nutzleistungsturbine
ig (Fig. i) strömen durch die Abgasturbine 23 in die :Abgasleitung 25. Die Abgasturbine
treibt den Verdichter 31, welcher durch die Leitung 32 Luft aus der Atmosphäre ansaugt
und diese, je nach Leistungsbedarf mehr oder weniger stark verdichtet, durch die
Leitung 30 in den Kreislauf einführt. Der obere Druck im Kreislauf wird so
weiter gehoben und dessen Sollwert gemäß der Verschiebung der Kurvenbahn 70 (Fig.
2) eingestellt.
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Die Kurvenbahn 71 gelangt an eine Stelle, an welcher der Stößel 77
auch nach unten verschoben und der Druck der Ersatzluft entsprechend eingestellt
und festgelegt wird. Die Feder 81 wird gespannt und entsprechend dem Nachgeben der
Schleppvorrichtung 97 das Gestänge 87 und der Schieber 89 durch Vermittlung
des Waagehebels 79
nach unt-cn verschoben. Hierbei bewegt sich der Servomotorkolben
gi aufwärts. und die Feder g3 wird entspannt. Dadurch wird in der Leitung 55 der
Steuerdruck gesenkt und der Kolben des Servomotors 5,4 durch die ihn belastende
Feder aufwärts gehoben. Dabei werden die Schaufeln des Leitkranzes 51 (Fig. i) so
verstellt, daß ihr Querschnitt vermindert wird. Es tritt vor dem Leitapparat eine
Stauung des Arbeitsmittels ein, wodurch die Geschwindigkeit im Leitkranz vergrößert
und damit die Leistung der Turbine erhöht wird. Hierdurch steigert sich die Drehzahl
und damit die durch den Verdichter 31 erreichte Vocverdichtung des Arbeitsmittels.
Über die Leitung 58 wird von der Stelle 59 der gesteigerte Druck unter den
Kolben 85 (Fig. 2) geführt, welcher der Feder 83 entgegen aufwärts angehoben wird.
Der Regelvorgang kommt dann zur Ruhe, wenn bei der neuen Stellung des Kolbens 85
und entspannter Feder 8i der `'Waagebalken 7g eine Lage einnimmt, in welcher der
Schieber 89 in der Mittelstellung steht, in welcher weder der einen noch
der anderen Seite des Kolbens gi Druckmittel zugeführt wird. Diese Gleichgewichtsstellung
wird nur erreicht, wenn der Druck der Ersatzluft an der Stelle 5g den durch den
Hebel61 eingestellten Sollwert besitzt. Jede Abweichung von diesem Sollwert wird
durch einen neuen Regelvorgang wieder ausgeglichen.
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In der äußersten Lage links des Hebels 61 hat sowohl der obere Druck
im Kreislauf als auch der Druck der Ersatzluft den höchsten Wert erreicht. Die Gesamtanlage
arbeitet dann mit höchster Leistung für forcierte Fahrt, die ein Mehrfaches, z.
B. den achtfachen Wert, der Normalleistung für Marschfahrt betragen kann. Der obere
Druck im Kreislauf besitzt für diesen Fall den achtfachen Wert des obern Kreislaufdruckes
für Marschfahrt, während der Aufladedruck nur den sechsfachen Wert des Aufladedruckes
bei Marschfahrt besitzt. Bei Marschfahrt ist z. B. dem Druck der Ersatzluft ein
dreimal höherer oberer Kreislaufdruck und bei höchster Fahrt ein viermal höherer
oberer Kreislaufdruck zugeordnet. Hierbei werden immer noch annehmbare Wirkungsgrade
erzielt, welche einen wirtschaftlichen Betrieb sichern. Je nach der eingestellten
Leistung ist einerseits der Sollwert des obern Druckes im Kreislauf und anderseits
der Sollwert des Druckes der Ersatzluft und damit ihre gegenseitige Zuordnung und
ihr Verhältnis festgelegt. Die Drücke ändern sich somit nicht proportional der Leistung,
sie entsprechen vielmehr der Form der Kurvenbahnen 70 und 71 so, daß das
Verhältnis des obern Druckes im Kreislauf zum Druck der Ersatzluft mit steigender
Leistung vergrößert wird. Der obere Druck des Kreislaufes, welcher für die Regelung
des Betriebes der Anlage maßgebend ist, braucht nicht der höchste Druck des Kreislaufes
zu sein. Es können zur Regelung auch Drücke an anderen Stellen des Kreislaufes Verwendung
finden, welche höher sind als der Druck der zugeführten Ersatzmenge an Arbeitsmittel.