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Regelvorrichtung für Gasturbinenanlagen Die Erfindung bezieht sich
auf Gastürbinenanlagen., bei denen der oder die Verdichter mit ihren Antriebsturbinen.
einerseits und die -Nutzfeistungsturbinen andererseits auf getrennten Wellen angeordnet
sind. Die allgemeine Bauart der Anlage kann hierbei irgendeine beliebige sein und
beispielsweise einen oder mehrere hintereinander-oder parallel geschaltete Verdichter
mit oder ohne Zwischenkühlung sowie eine oder mehrere Verbrennungskammern und eine
oder mehrere Verdichterantriebsturbdnen oder Nutzleistungsturbinen mit oder ohne
Zwischenerwärmung und mit oder ohne einer oder mehreren Wärmeaustauschvorrich.tungen
zur Vorerwärmung der verdichteten Luft aufweisen.
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Der Einfachheit halber soll angenommen werden, daß nur eine Hauptturbine,
welche die Nutzleistung liefert, und eine einzelne Hilfsturbine zum Antrieb des
Luftverdichters vorhanden sind.
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Ein solche Anlage kann in verschiedener Weise geregelt werden, indem
man auf die Brennstofffördermenge einwirkt- und diese der augenblicklichen Belastung
anpaßt. Der Luftverdichter mit 'seiner Antriebsturbine nimmt alsdann eine Dreh-'
zahl an, die eine Funktion dieser Belastung ist.
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Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, bei Kraftanlagen der erwähnten
Art die Lieferung an Nutzleistung zu beschleunigen, wenn die Last zunimmt, was für
mehrere technische Zwecke, z. B. für den Antrieb von Luftfahrzeugen, Schiffen. Lokomotiven,
elektrischen Erzeugern usw., von großer Bedeutung ist.
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Die Zeitdauer, an deren Ende die Nutzleistungs turhine eine vermehrte
Leistung liefern kann, hängt
von der mechanischen Trägheit des Verdichters
und seiner Antriebsturbine und von der Trägheit der in Bewegung versetzten Treibmittelsäule
ab, tbobei letztere immer vernachlässigt werden kann. Um die gelieferte Leistung
zu vermehren, würde man daran denken können, eine überschüssige Menge des Brennstoffes
schnell zu verbrennen, was ohne weiteres möglich ist, da ein Luftüberschuß@ in den
Treibgasen vorhanden ist. Hierdurch würde man zwar die Temperatur und demzufolge
das an den Turbinen zur Verfügung stehende thermische Gefälle mit dem alleinigen
zu vernachlässigenden Nachteil erhöhen, der von der Trägheit der in Bewegung versetzten
Treibmittelsäulen herrührt, ohne die Beschleunigung des Verdichters und seiner Antriebsturbine
zu erwarten zu haben. Dies würde aber bei Gasturbinen eine Erhöhung der Temperatur
bedeuten, welche, -wenn .sie auch nur einen Augenblick währt, mit der guten Wärm-eb,es.tändigkeit
der diese Turbinen bildenden Materialien unvereinbar ist: bekanntlich wird immer
diese Temperatur durch die allgemeine Regelung der Anlage auf den maximalen Wert
gebracht, um den maximalen Wirkungsgrad. zu erzielen. Es ist daher notwendig, die
verbrannte Brennstoffmenge nur allmählich in dem Maß der Erhöhung der Menge der
verdichteten Luft zu erhöhen, welche durch die nach und nach zunehmende Drehzahl
des Verdichters zur Verfügung gestellt wird. Die Schnelligkeit, mit der die Anlage
die vermehrte Nutzleistung liefern kann., ist demzufolge durch die für diese Beschleunigung
erforderliche Zeit begrenzt, d. h. durch die Trägheit des Verdichters. und dessen
Antriebsturbine.
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Die Erfindung bezweckt, diesen Nachteil zu vermeiden.
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Gemäß der Erfindung wird die Drehzahl der Verdichterantriebsturbine
bei geringen Belastungen der Anlage auf einem den stärkeren Belastungen entsprechenden
Wert gehalten, so da3 der Verdichter fähig ist, in jedem Augenblick das, bei schneller
Zunahme der Belastung der Nutzleistungsturbine erforderliche Luftvolumen zu liefern,
wobei die Geschwindigkeit, mit welcher die gelieferte Nutzleistung zunimmt, dann
nur eine Funktion der Trägheit der in Bewegung gesetzten Treibmittelsäulen ist,
welche praktisch vernachlässigt werden kann.
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Diese Regelung ist gut geeignet, wenn die Belastungsänderungen beträchtlich
und nicht vorauszusehen sind, z. B. bei Luftfahrzeugen und Lokomotiven, Bei verminderten
Belastungen ist jedoch der Wirkungsgrad einer so geregelten Gasturbinenanlage geringer
als die einer Maschine, bei der die Drehzahl des Verdichters in gewöhnlicher Weise
zur Gewinnung des besten Wirkungsgrades geregelt ist.
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Wenn die schnellen und urivoraussehbaren Belastungsänderungen nur
während gewisser Zeitdauer des Betriebes stattfinden und wenn diese Zeitdauer durch
lange Zeiten mit konstanter normaler Belastung und voraussehbaren Belastungsärrderungen
getrennt ist, ist es. vorteilhaft, während der zuletzt erwähnten Zeit die Regelung
der Verdichterantriebsturbine auf gleichbleibende Drehzahl aufzuheben oder zu mäßigen.
Dies kann auch der Fall sein, wenn die Belastungsänderungen klein oder langsam sind.
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Zu diesem Zweck sieht man gemäß der Erfindung eine Korrektionseinrichtung
vor, welche aus einer zwischen dem Drehzahlregler der Verdicbterantriebsturbine
und einem von der Belastung abhängigen Organ, z. B. einem beweglichen Kolben, welcher
einem der Brennstoffördermenge proportionalen Druck ausgesetzt wird, geschalteten
Federwaage od. dgl. besteht, deren Lagerzapfen in seiner Stellung regelbar ist,
so daß man in der Lage ist, durch Verschiebung dieses Lagerzapfens die Drehzahl
der Verdichterantriebsturbine zu ändern, z. B. zu vermindern, wenn plötzliche Belastungserhöhungen
nicht vorauszusehen sind, um den Wirkungsgrad der Anlage augenblicklich zu verbessern.
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Gemäß der Erfindung sind verschiedene Mittel vorgesehen, um die Leistung
zwischen den Turbinen entsprechend den Belastungsverhältnissen zu verteilen.
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Gasturbinenlagen mit mechanisch getrennten und parallel oder in, Reihe
durch das Treibmittel beaufschlagten Verdichterantriebsturbinen und Nutzleistungsturbinen
sind bekannt, und man hat schon mehrere .Einrichtungen vorgeschlagen, um die Regelung
von Anlagen dieser Bauart dem augenblicklichen Belastungszustand anzupassen, wobei
die Brennstoffördermenge durch den Drehzahlregler der einen oder der anderen Turbine
geregelt wird .und die Verteilung des Treibmittels zwischen den Turbinen durch denselben
Regler oder durch einen zusätzlichen Regler, z. B. einen Temperaturregler, geändert
wird, oder wobei ein regelbarer Teil des Treibmittels durch eine die fragliche Turbine
zumindest teilweise umgehende Leitung zugeführt wird, so daß@ die Entspannung des
Treibmittels. in den hintereinandergeschalteten Turbinen in mehreren Abschnitten
abschnittsweise mit verschiedenen Gasmengen vor sich geht. Bei diesen bekannten
Anlagen erfordert jedoch die Aufnahme einer ansteigenden Belastung eine Beschleunigung
der Drehzahl der Verdichterantriebsturbine; z. B. durch Vermehrung der Brennstoffzufuhr,
damit der Verdichter in der Lage ist, eine vergrößerte Luftfördermenge in die Turbine
zu fördern. Diese Beschleunigung verbraucht Zeit, und demzufolge kann nicht die
Anlage solche großen und plötzlichen Belastungsänderungen schnell aufnehmen, welche
z. B. in Lokomotiven, Schiffen usw. eintreten.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise
dargestellt, und zwar zeigen die Abb. r, 2 und-- 3 die Verwirklichung der Erfindung
nicht einschränkende Beispiele entsprechend der ersten Ausführungsform der Erfindung;
die Abb.4 und 5 beziehen sich auf ein Organ, welches den Regelvorrichtungen der
vorhergehenden Beispiele hinzugefügt werden kann und welches
die
Verwirklichung der zweiten Ausführungsform der Erfindung ermöglicht.
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Abb. t veranschaulicht eine Wärmekraftmaschinenanlage mit Gasturbinen,
bei welcher die Hauptturbine tin und die Hilfsturbine tu, parallel geschaltet
sind, wobei eine einzelne Verbrennungskammer ch benutzt wird. Die die Kraft aufnehmende
Einrichtung r (Arbeitsmaschine) ist als elektrischer Stromerzeuger angenommen. Das
Steuerorgan für die Belastung ist der Drehzahlregler R1 der Hauptturbine tna; dieser
Regler wirkt unmittelbar auf den Eintritt des Brennstoffes zu dem Brenner b. Das
Organ, welches eine Änderung der Verteilung der Leistung zwischen den beiden Turbinen
ermöglicht, ist als ein Abschlußventil 0 :angenommen, welches die Zuführung der
Gase zu einem Rohrabschnitt t' am Bodeneinlaß der Hilfsturbine ta beherrscht. Das
Abschluß'ventil steht durch Vermittlung eines Gestänges p unter der Einwirkung des
Drehzahlreglers R2 der Hilfsturbine und des Reglers R1.
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Nimmt man beispielsweise an, daß eine Erhöhung der Belastung an der
Arbeitsmaschine auftritt, so wird die Drehzahl der Hauptturbine tin sich zu verringern
suchen, und der Regler R1 erhöht sogleich die Zuleitung des Brennstoffes zu. dem
Brenner b und schließt das Ventil 0. Die Temperatur, die niedriger als das zulässige
Maximum war, da der mit konstanter Drehzahl arbeitende Verdichter eine im Überschuß.
vorhandene Luftmenge abgibt, steigt demnach, und der Temperaturabfall und die Fördermenge
der heißen Gase in der Hauptturbine vergrößert sich, und letztere gibt demzufolge
eine steigende Leistung ab:. Der für die Hilfsturbine verfügbare Temperaturabfall
wächst gleichfalls, aber die Menge der durch diese Turbine hindurchgehenden heißen
Gase wird geringer. Die Hilfsturhine wird somit die Neigung haben, sich je nach
der Größe der herbeigeführten Anfangsleistung zu beschleunigen oder zu verlangsamen,
und der Regler R, wirkt alsdann dahin, eine konstante Drehzahl wiederherzustellen,
indem er durch Vermittlung des Gestänges die Stellung des Ventils 0 einstellt.
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Abb. z veranschaulicht eine andere Ausführungsform der Erfindung,
bei der die beiden Turbinen hintereinandergeschaltet sind und bei der die Drehzahlregelung
des Hilfsaggregats elektrisch bewirkt wird. Der angetriebene Teil kann beispielsweise
eine Schiffsschraube sein. Auf der Welle des antreibenden Aggregats ist ein elektrischer
Stromerzeuger G aufgekeilt, und ein Elektromotor lII sitzt auf der Welle der Hilfsturbine.
Die durch den Stromerzeuger G gelieferte Leistung wird durch einen Regler R2 durch
Vermittlung eines Balkens oder Gestänges p und für die anfängliche Arbeit durch
den Steuerhebel L für die Geschwindigkeit des Schiffes gesteuert. Dieser Hebel L
wirkt auch auf den Brenner b.
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Im Fall einer Erhöhung der Belastung wird durch den Hebel L der Eintritt
des Brennstoffes zu dem Brenner geöffnet. Die Temperatur, die niedriger als die
zulässige maximale Temperatur ist, steigt alsdann, und der Temperaturabfall an der
Hauptturbine vergrößert sich und demzufolge die Leistung, die von ihr geliefert
wird. Gleichzeitig vermindert der Hebel L die Leistung, die durch den Stromerzeuger
G geliefert wird. (die Steuermittel für den elektrischen Stromerzeuger G sind an
sich bekannt und bedürfen: keiner näheren Beschreibung), und demzufolge wird die
Leistung auf die Welle der Hauptturbine ebenfalls erhöht. Die Hilfsturbine hat die
Neigung, sich zu beschleunigen, weil ihr Temperaturabfall sich vergrößert, und sich
zu verlangsamen, weil der Motor .11 entlastet wird. Der Regler R2 hält seine Drehzahl
aufrecht, indem er die elektrische Regelung von G einstellt.
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Falls die Gasturbine einen elektrischen Stromerzeuger antreiben würde,
kann, die bei M gelieferte Leistung unmittelbar an dem Hauptstromerzeuger entnommen
werden.
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Abb. 3 veranschaulicht eine andere Ausführungsform der Erfindung,
bei der zwei Verbrennungskammern chi und ch., benutzt werden, welche mit der Hauptturbine
bzw. der Hilfsturbine, die parallel geschaltet sind, vereinigt sind. Der Regler
R1 wirkt alsdann auf den Brenner bi der Hauptturbine tyn, während der Brenner b.,
der Hilfsturbine ta sich unter der Steuerung der beiden Regler R1 und R, befindet.
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Der Regler R, hält die Drehzahl des Hilfsaggregats konstant; letzteres
liefert somit unter allen Belastungen eine konstante Luftmenge zu der Verbrennungskammer
der Hauptturbine. Wenn die Brennstoffmenge sich bei geringen Belastungen verringert,
erreicht die Temperatur das zulässige Maximum nur bei voller Belastung.
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Wenn beispielsweise die Belastung wächst, erhöht der Regler R1 den
Eintritt des Brennstoffes zu dem Brenner bi. Die Temperatur der Gase, die niedriger
als das zulässige Maximum war, wächst ebenso wie der verfügbare Temperaturabfall,
und die von der Hauptturbine tin entwickelte Leistung nimmt gleichfalls zu. Infolge
der Erhöhung der Temperatur in der Turbine tm erhöht sich der Widerstand, den sie
dem Durchgang der Gase bietet, und die von dem Verdichter gelieferte Menge hat alsdann
die Neigung, in die Hilf sverbrennungskammer zurückzuströmen, woraus sich eine Änderung
der Drehzahl des Hilfsaggregats ergibt. Um die Fördermenge aufrechtzuerhalten, ist
eine neue Regelung des Brenners bz notwendig. Der Regler R1 fängt mit dieser Regelung
an, so daß der Regler R, sie nur durchzuführen braucht. Die beiden Regler wirken
durch Vermittlung eines Ballgens p auf den Brenner b,.
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Die drei oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf
die erste Ausführungsform des Regelungssystems gemäß der Erfindung (mit konstanter
Geschwindigkeit arbeitender Verdichter). Um auf die zweite Ausführungsform überzugehen,
d. h. um die Drehzahl des Verdichters außer den Perioden, an denen sich die Belastung
ändert, zu verringern, muß man auf die von dem Regler R.., gesteuerte Regelung einwirken.
Hierzu kann man
eine -Einrichtung verwenden, welche in dem die Erfindung
nicht einschränkenden Ausführungsbeispiel der Abb. ¢ dargestellt ist. Bei dieser
Einrichtung stützt sich der Drehzahlregler R2 des Hilfsaggregats- auf das eine Ende
eines Waagebalkens S, der eine feste Lagerstelle hat und dessen anderes Ende sich
auf einer Feder io abstützt, deren Spannung durch ein Organ gesteuert wird, welches
unter der Abhängigkeit irgendeines beliehigen charakteristischen Faktors: der Belastung,
beispielsweise eines Kolbens i i, steht, der einem Druck ausgesetzt ist, welcher
proportional der Fördermenge des zu dem Brenner gehenden Brennstoffes ist.
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Die feste Lagerstelle kann in einer Ausnehmung 13 des Waagebalkens
zwischen den Enden A und B
dieser Ausnehmung mittels einer Schraube
12 verschoben werden, die durch ein Handrad 14 - angetrieben wird.
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Wenn der feste Punkt 9 sich bei A befindet, hat die Federwaage keine
Wirkung; und man erhält die Regelung des Hilfsaggregats mit-konstanter Drehzahl
{erste Ausführungsform). Wenn der Punkt g von A nach B hin verschoben wird, ist
die Drehzahl des Hilfsaggregats mit der Belastung um so mehr verminderbarer, als
sich der Punkt 9 von A entfernt. Praktisch kann man durch Verschiebung dieses Punktes
alle Kurven erhalten, welche in Abb. 5 dargestellt sind, indem man als Abszisse
die Belastung W der Arbeitsmaschine und als Ordinate die Drehzahl V des Hilfsaggregats
aufträgt. Die Gerade A stellt den konstanten Drehzahlverlauf dar und die Grenzkurve
b den Verlauf, der erhalten wird, wenn sich der Punkt 9 bei B befindet (in diesem
Fall sind die Wirkung des Reglers und der Federwaage alle beide gleich Null). Die
Kurven c und d veranschaulichen den Zwischenverlauf, wenn die Lagerstelle eine zwischen
den Punkten A und B befindliche Lage einnimmt.