DE849042C

DE849042C - Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE849042C
Application number: DES2184D
Authority: DE
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1944-05-19
Filing date: 1944-06-09
Publication date: 1952-09-11

Description

Gasturbinenanlage 1)ie Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanlage mit mindestens einer Gasturbine zur Erzeugung von Nutzleistung, mindestens einerGasturbine zum Antrieb eines Verdichters und einer Regelvorrichtung, welche die Arbeitsmittelteilmengen für die Turbinen richtig einstellt. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch eine mindestens eine Stufe der Verdichterturbine umgehende Leitung mit einem 1)urcliflußregelorgan, welches durch die Regelvorrichtung ' höchstens bei Steigerung der Nutzleistung vorübergehend geöffnet wird.
Ferner kann eine mit der Verdichtergruppe gekuppelte Hilfsmasehine vorgesehen sein, welche durch die Regelvorrichtung bei Zunahme der Belastung zusätzlich vorübergehend in Betrieb gesetzt weren kann. Es kann auch ein Abblaseorgan angebracht werden, welches durch die Regelvorrichtung bei Abnahme derBelastungvorübergehend geöffnet wird und eine Teilmenge von Arbeitsmittel aus der Anlage abströmen läßt. Zweckmäßig wird die Regelvorrichtung zur Einstellung derTeilmengen ein Regelorgan beeinflussen, welches in einer mindestens eine Stufe der Nutzleistungsturl>ine umgehenden Leitung angeordnet ist.
Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Fig. i zeigt in vereinfachter Form ein Ausführungsbeispiel einer Gasturbinenanlage nach der Erfindung, welche zum Antrieb eines Schiffes dient; Fig. 2 veranschaulicht in schematischer Darstellung die für diese Anlage verwendete Regelvorrichtung. In beiden Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen.
Die Gasturbinenanlage nach Fig. i arbeitet mit einem Kreislauf eines gasförmigen Arbeitsmittels, z. B. Luft, aus welchem ständig eine Teilmenge entnommen und welchem hierfür an einer anderen Stelle ständig eine Ersatzmenge zugeführt wird. Das vom Niederdruckverdichter z verdichtete Arbeitsmittel gelangt durch den Zwischenkühler 2 in den Hochdruckverdichter 3. Nachdem es auf den höchsten Kreislaufdruck gebracht ist, strömt -das Arbeitsmittel durch die Leitung 4 in den Wäriiieaustauscher 5, in welchem es beim Durchströmen der Rohre 6 vorgewärmt wird. Durch .die Leitung 7 strömt das Arbeitsmittel weiter, bis es an der Stelle 8 in zwei Teile aufgeteilt wird. Ein größerer Teil gelangt durch die Leitung 9 in den Gaserhitzer io und wird beim Umströmen der Wärmeaustauschrohre i i auf die höchste Kreislauftemperatur erhitzt und alsdann durch .die Leitung 12 der Turbine 13 zugeführt.
Das in der Turbine 13 entspannte Arbeitsmittel gelangt durch die Leitung 14 in den Wärmeaustauscher 5 und gibt hier beim Umströmen der Wärmeaustauschrohre 6 einen Teil seiner Restwärme an das durch die Rohre strömende Arbeitsmittel ab. Durch die Leitung 15 tritt das Arbeitsmittel mit einem geringeren Wärmeinhalt in den Kühler r6 über, in welchem ein weiterer Teil seiner Restwärme an ein !Kühlmittel abgeführt wird. Durch die Leitung 17 wird schließlich das Arbeitsmittel wieder dem Niederdruckverdichter i zugeführt, in welchem der Kreislauf von neuem beginnt.
Aus dem beschriebenen Kreislauf des Arbeitsmittels wird an der Stelle 8 ständig eine Teilmenge entnommen und durch die Leitung 18 dem Brenner ig des Gaserhitzers io als Verbrennungsluft zugeführt. Die Verbrennungsgase strömen aus dem Verbrennungsraum 2o in die Wärmeaustauschrohre i i, durch deren Wände .die Wärme an das die Rohre umströmende Arbeitsmittel des Kreislaufs abgeführt wird. Danach gelangen die Verbrennungsgase durch die Leitung 21 in die Turbine 22.
Als Ersatz für die an der Stelle 8 dem Kreislauf entnommene Arbeitsmittelmenge wird durch den Verdichter z3 ständig Luft aus der Außenluft dem Kreislauf zugeführt. DseseErsatzmenge wird durch die Leitung 24 in den Wärmeaustauscher 5 an einer Stelle 25 eingeführt, an der das die W:ärmeaustauschrohre 6 umströmende Arbeitsmittel ungefähr die gleiche Temperatur und den gleichen Druck wie die Ersatzmenge aufweist.
Die von der im Kreislauf umströmendenArbei.tsmittelmenge beaufschlagte Turbine 13 treibt die Verdichter 1, 3 und 23, während die Turbine 22, welche durch die aus dem. Kreislauf abgeführte Teilmenge beaufschlagt ist, als Nutzleistungsturbine über ein Getriebe 26 den Schiffspropeller 27 antreibt. Der Propeller 27 kann als Verstell= propeller- ausgebildet sein, dessen Flügel mit nach der Fahrtrichtung oder nach der Fahrgeschwindigkeit veränderlichem Steigungswinkel eingestellt werden können. Die Turbine 13 und die Verdichter 1, 3 und 2.3 sind noch mit einer elektrischen Hilfsmaschine 28 gekuppelt, welche als Anlaßmaschine und als Hilfsmaschine zum Ausgleichen von überschüssiger oder mangelnder Leistung dient.
Zur richtigen Einstellung der Arbeitsmittelteilmengen für die Turbinen 13 und 22 ist die Nutzleistungsttrrbine 22 mit einer die erste Stufe umgehenden Umführungsleitung 29 ausgerüstet, in welche ein Durchflußregelorgan 3o eingebaut ist. Der Servomotor 31 dieses Regelorgans wird mittels der Impulsleitungen 32 und 33 durch die Regelvorrichtung 34 beeinflußt. Die Steuerung derRegelvorrichtung erfolgt einesteils durch den Fliehkraftregler 35 und anderenteils durch den mittels der Leitung 4o übertragenen Druck des Arbeitsmittels in der Eintrittsleitung 12 der Turbine 13. Mit Hilfe des Hebels 36 kann der Sollwert für die von den Regelvorrichtungen einzuhaltende Nutzleistung von Hand eingestellt werden.
Eine Verminderung .des Durchflußquerschnitts in der Umführungsleitung 29 vermindert die Schluckfähigkeit der Nutzleistungsturbine 22, so daß dem Kreislauf weniger Arbeitsmittel entnommen und der Turbine zugeführt wird. Gleichzeitig wird aber infolge dieser verminderten Entnahme das Arbeitsmittel gestaut und deshalb der Druck im Kreislauf gesteigert, so daß sich die Nutzleistung entsprechend erhöht. Eine Vergrößerung des DurchfluBquerschnitts in der Umführungsleitung gibt der Nutzleistungsturbine 22 eine größere Schluckfähigkeit und verursacht deshalb eine größere Arbeitsmittelentnahme aus dem Kreislauf mit entsprechendem Druckabfall. Infolge des Druckabfalls entsteht eine Verminderung der Nutzleistung.
Entsprechend der Abnahme oder der Zunahme der durch die Nutzleistungsturbine 22 entnommenen Arbeitsmittelmenge erfolgt eine Zunahme bzw. Abnahme der für .die Verdichterturbine 13 zur VerfügungstehendenArbeitsmittelteilmenge.Durch die Regelvorrichtung 34 wird das Arbeitsmittel so aufgeteilt, daß bei unveränderlicher Belastung ein stabiler Betrieb der Anlage gesichert ist. Mit Hilfe des Hebels 36 kann die für .den Antrieb des Propellers jeweils gewünschte Leistung und damit die Fahrgeschwindigkeit desSchiffeseingestelltwerden.
Die Verdichterturbine 13 besitzt eine Umführungsleitung 37, welche die erste Turbinenstufe umgeht. Das Durchflußregelorgan @38 in der Umführungsleitung kann durch die Regelvorrichtung 34 zur beschleunigten Steigerung der Leistung der Nutzleistungsturbine 02 vorübergehend geöffnet werden, wodurch die Schluckfähigkeit der Turbine vergrößert wird. Zu diesem Zweck beeinflußt die Regelvorrichtung 34 über die Impulsleitung 32 den Servomotor 39 des Regelorgans 38. .Infolge der Stauung des Arbeitsmittels an der Nutzleistungsturbi,ne, welche -mittels der- Regelvorrichtung 34 zur Steigerung der Nutzleistung verursacht wird, steht.der'Verdichterturbine eine vermehrte Arbeitsmi.ttelmenge zur Verfügung. Bei der vorübergehend vergrößerten Schluckfähigkeit der Verdichterttlrbine entsteht eine vergrößerte Leistung. Hierdurch steigt die Drehzahl des Verdichterturbinenaggregats, und damit findet eine Steigerung des Druckes im Kreislauf statt. Durch die Drucksteigerung im Kreislauf -wir(1 dann die gewünschte Verr 'il.icriiii" der -Nutzleistung erzielt.
Die Hilfsniaschiihe 28 kann durch die Regel-N- orriclltt"lg 34 bei Steigerung der Nutzleistung ebenfalls vorübergehend in Betrieb genommen werden. Die Regelvorricht11tig 34 besitzt hierfür einen in F i-. 1 nicht dargestellten Regelschalter, all ivelclielii die elektrische Leitung 42 der Maschine 28 atlgesclilossetl ist.
An den 1lochdruckverdichter 3 ist eine Abblaseleiturig 43 angeschlossen, welche in die Auslaßleitung 44 (ler Nutzleistungsturbine 22 führt. In diese Leitung ist eile Abblaseorgan 45 eingebaut, welches durch die Regelvorrichtung 34 mittels der Impulsleitung 46 und des Servomotors 47 bei Verminderung der Nutzleistung der Turbine 22 vorübergehend geöffnet wird und eine Teilmenge von Arbeitsmittel aus der Anlage abströmen läßt.
Die Regelvorrichtung 34 mit den angeschlossenen Regelorganen der Fig. t ist in der Fig.2 schematisch dargestellt.
Die Regelvorrichtung wird durch den Fliehkraftregler 35 und die an die Druckleitung 40 angeschlossenen Druckfühlerdosen 50 und 51 beeinfl1113t. Mit Hilfe des Hebels 36 kann der Sollwert der zuni'Antrieb des Schiffspropellers gewünschten Leitung von Band eingestellt werden.
Je höher derDruck im Kreislauf derGasturbinenanlage ist, desto stü.rker dehnt sich die Druckdose 5o aus und liebt dabei das Gelenk 41 des Hebels 52. Steigt die Drehzahl der Verdichterturbine der Gasturbinenanlage, so liebt sich das Gelenk 54 des Hebels 52. 1)1 'e Lage des Gelenkpunktes 53 ist somit eine Funktion der Druckhöhe im Kreislauf der Anlage und der Drehzahl der Verdichterturbine. Da ihn liell;lrrtlhigsztlstalld Druck und Drehzahl einander eindeutig zugeordnet sind, hängt schließlich die 1.rtge des Gelenkpunktes 53 allein von der Drehzahl ((er Verdichterturbine ab. Während Änderungen der Nutzleistung sind die Werte für Drehzahl 1111(1 Druck- nicht mehr in gleicher `''eise einander zugeor(lnet, weil die Änderungen des Druckzustandes ihn Kreislauf gegenüber den.Änderungen der 1)i-elizalil finit einer zeitlichen Verspätung erfolgen.
Zur Steigerung der Nutzleistung wird der Hebel 36 in +-Richtung des Pfeiles 55 verschoben, so da(i mittels des Gestänges 56 und des Nackens 57 die Rolle 58 in IL-iticlitutig des Pfeiles 59 versclioben und die Feder 61 zusammengedrückt wird. Auf (las Gelenk 62 des Hebels 63 wirkt somit eine nach unten gerichtete Kraft, welche über, die Stange 6(i den Verdrängerkolben 67 .nach unten schiebt. 1-lierbei wird die im Zylinder 68 unter diesem Verdrängerkolben befindliche Flüssigkeit durch die I>roaclleitung 69 auf die obere Kolbenseite-ser-' drängt. Die ( ielehtklhunkte 62 und 64. des Hebels 63 und da; ahlgcschl(hssene Gestänge 70 des Steuer-n 71 werden nach unten bewegt. Dadurch wird für die durcjt die Leitung 72- zugeführte Druckflüssigkeit der Weg über die Leitung 73 in den unteren'Teil des Zylinders 75 frei, der Kolben 76 .wird angehoben.- Die auf -seiner oberen Seite verdrängte Flüssigkeit gelangt dann durch die Leitung 74 in die Ablaufleitung 77.
Das Anheben des Kolbens 76 verursacht eine Zunahme der Zugspannung in der Feder 78, so daß auch der Steuerschieber 79 aufwärts. gezogen wird. Hierbei tritt Druckflüssigkeit aus der Leitung 8o in die Leitung 32 über, in welcher nun der Druck ansteigt. Der Steuerschieber 79 wird durch den erhöhten Flüssigkeitsdruck wieder nach unten, geschoben, bis der auf ihm lastende erhöhte Flüssigkeitsdruck der zuvor erhöhten Zugspannung der Feder 78 in einer Stellung Gleichgewicht hält, in welcher die Steueröffnung 82 des Schiebers sich zwischen den Steueröffnungen der Zu fuhrleitung 8o und der Abfuhrleitung 81 befindet.
Der Steuerdruck in der Leitung 32 wirkt zunächst über die Leitung 33 auf .den. Kolben 83 ,des Servomotors 31, ferner auf .den Kolben 84. des Servomotors 39 und schließlich über die Leitung 8@ auf den Kolben 86 des Servomotors 87. Zunächst wird durch die Erhöhung des Steuerdrucks der Kolben 83, entgegen der Feder 88, nach unten geschoben, so daß der durch das .Organ 30 freigegebene Durchflußguerschnitt, gegebenenfalls bis zum völligen Abschluß, verkleinert wird.
Die den Kolben 84 des Servomotors 39 .belastende Feder 89 ist so bemessen, daß das Durchflußorgall 38 erst dann von. seinem Sitz abgehoben wird, wenn das Durchflußorgan 30 gerade in. die geschlossene Stellung gelängt ist. Ist das Durchflußorgali 38 vollständig geöffnet, so wird bei noch weiterem Steigen des Steuerdrucks in den Leitungen 32 tind 85 der Kolben 86 der Feder go-ent= gegen so angehoben, daß der Schalter 91 auf dem Regelwiderstand 92 zu schleifen beginnt. Beim, Steigen des Kolbens 86. wird ein ;Strom voni zu= nehmender Stärke durch die Leitung 42 dem elektrischen Hilfsmotor der Gasturbinenanlage zugeführt.
Unter dein Einfluß der beschriebenen Regel= eingriffe werden die Drehzahl der Verdichterturbine-und der Druck im Kreislauf der G,ästurl)inenanläge tind als Folge davon auch die. Drehzahl und- damit die Leistung der Nutzleistungsturbine ansteigen. Hierbei werden die.Gelenkpunkte 41 und 54 des Hebels 52 und damit auch die Gelenkpunkte S3 und 65 angehoben. Der Steuerschieber 71 gibt damit den Druckflüssigkeitszufiuß über die Leitung 74 auf die obere Seite des Servömotorkolbens 76 frei und vermindert wieder durch Entspannen :der Feder 78 den Steuerdruck über; den' Steuerschieber: 79, Die Regelvorrichtung kommt erst wieder zur Ruhe, wenn Druck und Drehzäh l ihre Söi!we'rte erzeicht haben.
Im Beharrungszustand ist die Lage des Gelenkpunktes 62 des Hebels 63 durch die Kurvenscheibe 57 festgelegt, da in der Gleichgewichtsstellung die Feder 61 entspannt, sein muß. Ebenso ist der Gelenkpunkt 6.1 während des Beharrungszustandes in der Stellung, in welcher der ` Steuerschieber die beiden Steuerleitungen 73 und 7'4 verschlossen hält, festgelegt. Aus den festgelegten Beharrungslagen der Gelenkpunkte 62 und 64 des Hebels 63 ergibt sich eine Lage des Gelenkpunktes 65, welche der Drehzahl und dem Druck des neuen Beharrungszustandes entspricht.
Der Regelbereich des Organs 30 ist so festgelegt, da$ jeder Beharrungszustand allein durch Einstellen dieses Ventils eingehalten werden kann. Dann ergibt es sich, daß wü.hrend des Beharrungszustandes im Leitungssystem 32, 33, 85 ständig ein Steuerdruck herrscht, der das Organ 38 in geschlossener Stellung und den Schalter gi ausgeschaltet erhält.
Zur Verminderung der Nutzleistung wird der Hebel 36 in --Richtung des Pfeiles 55 verschoben, wodurch das Abblaseorgan 45 in der Leitung 43 vorübergehend geöffnet wird.
Dieses Abblaseorgan wird durch die Kurvenscheibe 93 und die Druckfühlerdose 51 so gesteuert, daß es geöffnet wird, sobald der Druck des Kreislaufs in der Leitung 40 einen etwas über dem durch den Hebel 36 eingestellten Sollwert der Nutzleistung liegenden Grenzwert übersteigt. Wird der Hebel 36 in --Richtung des Pfeiles 55 verschoben, so verschiebt sich die Rolle 94 in --Richtung des Pfeiles 95. Hierbei erhält die Feder 96 eine Druckspannung, welche den Steuerschieber 97 nach unten drückt. Dadurch entsteht zwischen dem Zylinder des Servomotors 47 und der Ablaufleitung über die Leitung 46 und die Steueröffnung ioo eine Verbindung.
Der Steuerdruck fällt entsprechend, so daß die Feder ioi den 'Kolben ioa anhebt, wodurch das Organ 45 den Durchfluß durch die Leitung 43 frei= gibt. Aus dem Kreislaufsystem der Gasturbinenanlage entweicht dabei Arbeitsmittel durch die Abblaseleitung 43, der Druck des Kreislaufs senkt sich, so daß sich die Druckfühlerdose 511 verkürzt. Die Feder 96 wird entspannt und der Steuerschieber 97 wieder angehoben. Es kann dann aus der Leitung 98 durch die Steueröffnung ioo und die Leitung 46 wieder so viel Flüssigkeit in den Zylinder @47 .nachströmen, daß mittels des Kolbens io2 das Organ 45 wieder auf seinen Sitz gepreßt und damit der Durchfluß unterbrochen wird.
Gleichzeitig wird bei der Verschiebung des Hebels 36 in - -Richtung des Pfeiles 55 im LeitungssYstem 32, 33, 85 ein weiterer Druckabfall stattfinden, so daß das Regelorgan' 3o einen größeren Durchflußquerschnitt freigibt. Hierdurch :wird die Nutzleistung vermindert. Das bereits geschlossene Umströmorgan 38 der Verdichterturbine bleibt weiterhin geschlossen und der schon ausgeschaltete Schalter 9i bleibt in ausgeschalteter Stellung. Wenn zur Steigerung der Leistung der llel)el 36 in -1 --Richtung des Pfeiles 55 verschoben wird, wird der Steuerdruck in der Leitung 46 vergrößert, das bereits geschlossene Abblaseorgan 45 bleibt weiterhin in geschlossener Stellung.
Selbstverständlich werden mit der beschriebenen Regelung noch die üblichen bekannten Regelungen gemeinsam verwendet. So muß z. 13. die dein Lufterhitzer zugeführte Brennstoffmenge entsprechend der gewünschten Leistung eingestellt werden. Zur Beschleunigung der Regelvorgänge könnten gegebenenfalls noch an sich bekannte Speicherbehälter vorgesehen sein, welche insbesondere bei einer Steigerung der Leistung vorübergehend der Anlage Energie zuführen.
Anstatt die Regelvorrichtung 34 (Fig. 1) gemeinsam in Abhängigkeit von der Drehzahl der Verdichterturbine und vom Druck des Kreislaufs zu beeinflussen, könnte auch nur die eine oder die andere dieser beiden Regelgrößen zur Beeinflussung der Regelvorrichtung herangezogen werden.
Die richtige Verteilung der Arbeitsmittelmenge für die Nutzleistungsturbine und die Verdichterturbine kann auch mittels Drosselung des der einen oder der anderen Turbine zugeführten Arbeitsmittelstroms erreicht werden.

Claims

PATENTANSPttÜCI1E: i. Gasturbinenanlage mit mindestens einer Gasturbine zur Erzeugung von Nutzleistung, mindestens einer Gasturbine zum Antrieb eines Verdichters und einer Regelvorrichtung, welche die Arbeitsmittelteilniengen für die Turbinen richtig einstellt, gekennzeichnet durch eine mindestens eine Stufe der Verdichterturbine umgehende Leitung mit einem Durchflußregelorgan, welches durch die Regelvorrichtung höchstens bei Steigerung der i\Tutzleistung vorübergehend geöffnet wird. z. Gasturbinenanlage nach Anspruch i, gekennzeichnet durch eine mit der Verdichtergruppe gekuppelte Hilfsmaschine, welche durch die Regelvorrichtung bei Zunahme der Belastung zusätzlich vorübergehend in Betrieb gesetzt werden kann. 3. Gasturbinenanlage nach Anspruch i, gekennzeichnet durch ein Allblaseorgan, welches durch die Regelvorrichtung bei Abnahme der Belastung vorübergehend geöffnet wird und eine Teilmenge von Arbeitsmittel aus der Anlage abströmen läßt. 4. Gasturbinenanlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelvorrichtung zur Einstellung der Teilmengen ein Regelorgan beeinflußt, welches in einer mindestens eine Stufe der Nutzleistungsturbine umgehenden Leitung angeordnet ist.