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Gasturbinenanlage mit einem Kreislauf des Arbeitsmittels Die Erfindung
bezieht sich auf eine Gasturbinenanlage mit einem Kreislauf des Arbeitsmittels,
aus welchem ständig. eine Teilmenge entnommen und hierfür eine Ersatzmenge zugeführt
wird, wobei mindestens eine Turbine durch die im Kreislauf umströmende Arbeitsmittelmenge
und mindestens eine Turbine durch die aus dem Kreislauf entnommene Arbeitsmittelmenge
beaufschlagt wird. Die letztere Turbine ist im folgenden als Brenngasturbine bezeichnet.
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Soll bei Gasturbinenanlagen der geschilderten Art die Drehzahl der
Kreislaufturbine unveränderlich gehalten «-erden, so muß die Verteilung der Leistung
der Kreislaufturbine und der Brenngasturbine entsprechend eingestellt werden.
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Die Leistungsverteilung durch unmittelbare Beeinflussung der Arbeitsmittelmenge,
welche der Kreislaufturbine zugeführt wird, ist unwirtschaftlich, weil sie zu großen
Drosselverlusten führt. Diese Verluste können wegen des kleinen Wärmegefälles der
Kreislaufturbine nur ungenügend zurückgewonnen werden. Veränderungen des Wirkungsgrades
der Kreislaufturbine haben Veränderungen des Gesamtwirkungsgrades zur Folge, die
ein Mehrfaches betragen. Die nicht mehr zurückgewonnenen Drosselverluste der Kreislaufturbine
vermindern deshalb den Wirkungsgrad der Gesamtanlage und damit die erreichbare Nutzleistung.
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Die Erfindung schlägt zur Lösung der aufgezeichneten Aufgabe und zur
Behebung der bestehenden Nachteile vor, durch den Drehzahlregler der Kreislaufturbine
die Entnahme von Arbeitsmittel aus dem Kreislauf einzustellen. Hierdurch
wird
der Vorteil erreicht, daß wegen des an der Brenngasturbine zur Verfügung stehenden
größeren Wärmegefälles ein bedeutender Teil des durch die Drosselung entstehenden
Verlustes wieder als Leistung zurückgewonnen werden kann. Die Beeinträchtigung des
Wirkungsgrades der Gesamtanlage wird durch die Erfindung wesentlich vermindert.
Die Brenngasturbine wird meist mit Arbeitsmittel weniger hoher Eintrittstemperatur
betrieben als die Kreislaufturbine, was die bauliche Ausbildung des Drosselgliedes
erleichtert. Das Drosselglied kann auch für ein kleineres Volumen bemessen werden,
weil die spezifischen Volumen bei tieferer Temperatur kleiner sind. .
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Zweckmäßig stellt der Drehzahlregler der Kreislaufturbine den Zuströmquerschnitt
der Brenngasturbine ein. Besonderen Vorteil bietet es, ein Durchflußregelglied in
einer mindestens eine Stufe der Brenngasturbine umgehenden Leitung anzuordnen, welches
durch den Drehzahlregler der Kreislaufturbine eingestellt wird.
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Es empfiehlt sich, den Drehzahlregler mit einer Isodromvorrichtung
auszurüsten, so daß er die Solldrehzahl der Kreislaufturbine ohne bleibende Ungleichförmigkeit
einhält. An der Drehzahlregeleinrichtung kann eine Vorrichtung zur Einstellung des
Drehzahlsollwertes der Kreislaufturbine vorgesehen sein. Schließlich kann die Gasturbinena.nlage
mit einer die Brenngasturbine umgehenden Abfuhrleitung ausgerüstet sein, in welcher
bei unzulässiger Drehzahl dieser Turbine ein gesteuertes Durchflußregelglied geöffnet
werden kann. Dieses Durchflußregelglied kann mit einer Begrenzungsvorrichtung ausgerüstet
werden, mit welcher der Durchflußquerschnitt des Regelgliedes durch den Drehzahlregler
der Kreislaufturbine eingestellt wird.
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Fig. i zeigt ein einfaches Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der
Erfindung; Fig.2 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel dar, dessen Regelvorrichtung
wesenhaft wiedergegeben ist; Fig. 3 veranschaulicht Einzelheiten einer Regelvorrichtung,
wie sie z. B.. für die in Fig.2: dargestellte Gasturbinenanlage verwendet werden
kann.
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Entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugsziffern
versehen.
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Die Gasturbinenanlagen nach Fig, i und 2 arbeiten mit einem Kreislauf
eines gasförmigen Arbeitsmittels, z. B. Luft, aus welchem ständig eine Teilmenge
entnommen und hierfür eine Ersatzmenge zugeführt wird. Das vom Verdichter i verdichtete
Arbeitsmittel gelangt durch die Leitung 2 in den Wärmeaustauscher 3; wo es beim
Durchströmen. der Rohre 4 vorgewärmt wird. Durch die Leitung 5 strömt das Arbeitsmittel
in vorgewärmtem Zustand weiter und wird an der Stelle 6 in zwei Teile aufgeteilt.
Ein erster Teil gelangt durch die Leitung 7 in den Gaserhitzer 8, wird beim Umströmen
der Wärmeaustauschrohre g auf eine hohe Temperatur erhitzt und sodann durch die
Leitung io der Turbine i i zugeführt. Das in der Turbine entspannte Arbeitsmittel
gelangt durch die Leitung 12 in den Wärrneaustauscher 3. Beim Umströmen der Wärmeaustauschrohre
4 gibt es einen Teil seiner Restwärme an das durch die Rohre strömende Arbeitsmittel
ab. Durch die Leitung 13 gelangt das Arbeitsmittel weiter in den Kühler 14, in welchem
ein weiterer Teil seiner Restwärme an. ein Kühlmittel abgeführt wird. Durch die
Leitung 15 wird das Arbeitsmittel wieder zum Verdichter i zurückgeführt, wo der
Kreislauf von neuem beginnt.
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Aus dem beschriebenen Kreislauf des Arbeitsmittels wird an der Stelle
6 ständig eine Teilmenge durch die Leitung 16 abgeführt und als Verbrennungsluft
dem Brenner 17 des Gaserhitzers 8 zugeführt. Das Verbrennungsgas strömt durch die
Wärmeaustauschrohre g, wobei ein Teil seiner Wärme an das die Rohre umströmende
Arbeitsmittel des Kreislaufs abgeführt wird, und gelangt dann durch die Leitung
18 in die Turbinen ig.
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Als Ersatz für die an der Stelle 6 dem Kreislauf entnommene Arbeitsmittelmenge
wird durch den Verdichter 2o ständig Luft aus der Atmosphäre in den Kreislauf eingeführt.
Diese Ersatzmenge wird in verdichtetem Zustand durch die Leitung 2:i an einer Stelle
22 in den Wä,rmeaustauscher 3 eingebracht, an der das die Wärmeaustauschrohre 4
umströmende Arbeitsmittel ungefähr die gleiche Temperatur und den gleichen Druck
wie die Ersatzmenge aufweist.
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Die durch die im Kreislauf umströmende Arbeitsmittelmenge beaufschlagte
Turbine i i treibt die Verdichter i und 2o, während die durch die aus dem Kreislauf
abgeführte Teilmenge beaufschlagte Turbine ig als Nutzleistungsturbine über ein
Getriebe 23 einen Schiffspropeller 24 antreibt. Der Propeller 24 kann als Verstellpropeller
ausgebildet sein, dessen Flügel je nach Bewegungsrichtung des Schiffes oder nach
der verlangten Geschwindigkeit verstellt werden.
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Die Turbine i i und der Verdichter i sind noch mit einer elektrischen
Maschine 25 gekuppelt, welche als Anlaßmaschine und als Hilfsmaschine zum- Ausgleich
von überschüssiger oder mangelnder Leistung dient.
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Um die Drehzahl der Kreislaufturbine i i (Fig. i) und des Verdichters
i gleichbleibend zu halten, wird die Zufuhr des Arbeitsmittels zur Brenngasturbine
ig durch den Drehzahlregler der Kreislaufturbine eingestellt. Die Kreislaufturbine
i i treibt den Drehzahlregler 26, der mittels des Hebels 2,7, des Gestänges 28,
des Winkelhebels 29 und des Gestänges 3o das Durchflußregelglied 31 in der Zuführleitung
18 der Brenngasturbine ig einstellt.
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Wenn die Drehzahl unter den Sollwert fällt, sinkt die Muffe des Reglers
26, und dieGestänge 28 und 30 werden in der Minus-Richtung der Doppelpfeile
32 und 33 verschoben. Hierbei wird der Durchflußquerschnitt des Regelgliedes 31
vermin: dert. Diese Verminderung hat zur Wirkung, daß aus dem Kreislauf eine geringere
Arbeitsmittelmenge entnommen und, zur Turbine ig geführt
wird. In
der Brennkammer des Gaserhitzers 8 entsteht eine höhere Temperatur. Durch die Leitung
7 wird eine größere Arbeitsmittelmenge dem Gaserhitzer und dann durch die Leitung
io der Turbine i i zugeführt. Die Turbine i i erhält also eine vermehrte Arbeitsmittelmenge
von erhöhtem Wärmeinhalt, so daß die anfängliche, die Regelung einleitende Senkung
der Drehzahl wieder verschwindet.
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Wenn die Drehzahl der Kreislaufturbine i i vom Sollwert nach oben
abweicht, steigt die Reglermuffe, und demzufolge werden die Gestänge 28 und
30 in der Plus-Richtung der Doppelpfeile 32 und 33 verschoben. Der Durchflußquerschnitt
des Regelgliedes 31 wird dann vergrößert. Die Vergröße,rung des Durchflußquerschnitts
verursacht eine Verstärkung der Zufuhr zur Turbine ig. Der Turbine i i wird eine
kleinere Arbeitsmittelmenge von geringerem Wärmeinhalt zugeführt, so daß die anfänglich
über den Sollwert angestiegene Drehzahl wieder auf ihren normalen Wert zurückgebracht
wird.
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Die Gasturbinenanlage nach Fig. 2 unterscheidet sich von der Anlage
nach Fig. i dadurch, daß der Verdichter i in eine Niederdruckmaschine i N und in
eine Hochdruckmaschine i H unterteilt ist, die durch einen Zwischenkühler i miteinander
verbunden sind. Ferner ist noch der Unterschied vorhanden, daß eine umfangreichere
Einrichtung zum Regeln des Betriebs verwendet wird.
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Die Zufuhr von Arbeitsmittel zur Brenngasturbine ig wird durch den
Drehzahlregler 26 der Kreislaufturbine i i mit Hilfe eines Durchflußregelgliedes
34 eingestellt. Dieses Durchflußregelglied 34 ist in einer Umgehungsleitung 35 der
Brenngasturbine ig angeordnet und wird durch einen Stellmotor 36 gesteuert. Die
Umgehungsleitung zweigt aus der Hauptleitung 18 ab und mündet zwischen der ersten
und zweiten Stufe ins Turbinengehäuse. Der Drehzahlregler 26 beeinflußt über die
Leitung 37 den mit einer Isodromvorrichtung ausgerüsteten Impulsgeber 38, der seinerseits
über die Impulsleitung 39 den Stellmotor 36 steuert. Die Isodromvorri.chtung bewirkt,
daß keine dauernde Ungleichförmigkeit entsteht; nach jedem Regelvorgang wird die
Kreislaufturbine ii wieder genau auf die Solldrehzahl gebracht.
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Der Durchflußquerschnitt des Regelgliedes 34 wird vermindert, sobald
die Drehzahl der Turbine i i unter den Sollwert fällt, umgekehrt aber vergrößert,
sobald die Drehzahl der Turbine i i über den Sollwert ansteigt. In beiden Fällen
wird die Drehzahl der Kreislaufturbine wieder genau auf den ursprünglichen Sollwert
zurückgeführt.
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In derVerbindungsleitung 40, welche dieZufuhrleitung 18 unmittelbar
mit der Abfuhrleitung 4i verbindet, ist ein Durchflußregelglied 42 angeordnet. DerStellmotor
43 diesesRegelgliedes ist durch die Leitung 44 mit dem Drehzahlregler 45 der Brenngasturbine
ig. verbunden. In die Zufuhrleitung i8 ist, in Strömungsrichtung gesehen, nach der
Abzweigungsstelle der Verbindungsleitung 40 noch ein Abschluiß@glied 46 eingebaut,
welches mittels des Stellmotors .I7 über die Impulsleitung 48 ebenfalls vom Drehzahlregler
45 der Brenngasturbine 19 gesteuert wird. Der Stellmotor 43 des Regelgliedes
42 in der Verbindungsleitung 4o kann außerdem über die Impulsleitung 49 durch den
Drehzahlregler 26 der Kreislaufturbine i i beeinflußtwerden.
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Das Durchflußregelglied 42 der Verbindungsleitung 4o und das Abschlußglied
46 wirken gemeinsam als Schnellschlußvorrichtung, um die Arbeitsmittelzufuhr zur
Brenngasturbine ig beim Überschreiten der Grenze des zulässigen Drehzahlbereichs
sofort zu unterbrechen. Wird von der Brenngasturbine ig diese Drehzahlgrenze erreicht,
so beeinflußt der Regler ,45 die Stellmotoren 43 und 47 gleichzeitig derart, daß
das Durchflußregelglied 42 geöffnet und das Abschlußglied q.6 geschlossen wird.
Die Verbrennungsgase des Gaserhitzers 8 strömen alsdann nicht mehr zur Turbine 19,
sondern durch die Verbindungsleitung .4o unmittelbar in die Abfuhrleitung 4i.
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Durch Beeinflussung des Stellmotors 43 mittels des Drehzahlreglers
26 wird der vom Durchflußregelglied 42 bei einem Schnellschluß freigegebene Ouerschnitt
der Belastung und der Drehzahl der Kreislaufturbine entsprechend eingestellt. Erfolgt
der Schnellschluß bei kleinerer Belastung, bei der nur eine geringere Arbeitsmittelmenge
der Turbine ig zugeführt wird, so ist der Durchflußquerschnitt des Regelgliedes
42 kleiner als bei größerer Belastung mit einer entsprechend größeren Arbeitsmittelmenge.
Der bei einem Schnellschluß vorn Regelglied 42 eingestellte Durchflußquerschnitt
ist so, daß nach einem Schnellschluß gleichviel Arbeitsmittel durch die Verbindungsleitung
40 abgeführt wird wie unmittelbar vor dem Schnellschluß durch die Brenngasturbine.
Dadurch wird erreicht, daß ein Schnellschluß der Turbine ig keine unmittelbaren
Rückwirkungen auf den Kreislauf ausüben kann.
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Der Drehzahlregler 26 in Fig. 3 wird durch die Welle 5o einer nicht
gezeichneten Kreislaufturbine angetrieben. Er beeinflußt über eine Isodromvorrichtung
das Regelglied 34 in der Umgehungsleitung 35 einer ebenfalls nicht gezeichneten
Brenngasturbine so, daß an der Kreislaufturbine eine gleichbleibe-ndeDrehzahl eingehalten
wird. Die Isodromvorrichtung ist mit einer nachgiebigen Rückführung ausgerüstet
und besteht aus dem Stellmotor 36 mit Steuerschieber 51, der Rückführungsschleppvorrichtung
52 und der Feder 53. Die Isodromvorrichtung kann nur dann zur Ruhe kommen, wenn
der Hebel 5,4 in einer Lage steht, in welcher die Feder 53 spannungslos ist und
der Steuerschieber 5 i in Mittellage die Steuerkanäle 55 und 56 des Stellmotors
36 zudeckt. Diese Lage des Hebels 54 kann nur in einer einzigen Stellung des Drehzahlreglers
26 eintreten, nämlich in derjenigen, welche der einzustellenden Solldrehzahl entspricht.
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Weicht die Drehzahl der Kreislaufturbine vom Sollwert nach oben ab,
so steigt die Reglermuffe 57. Der Drehpunkt 58 des Hebels 54 bleibt vorerst unbewegt,
der Schieber 5i wird jedoch aufwärts
gezogen. Aus der Leitung 59
kann Druckflüssigkeit durch den Steuerkanal 55 in den über dem Stellmotorkolben
6o befindlichen Zylinderraum eindringen. Der Kolben wird nach unten gedrückt, so
daß mittels des Hebels 61 und des Jochs 62 der Durchflußquerschnitt des Regelgliedes
34 vergrößert wird. Es strömt nun eine größere Arbeitsmittelmenge nach der Brenngasturbine
und eine kleinere Menge nach der Kreislaufturbine. Die den Regelvorgang einleitende
anfängliche Drehzahlabweichung wird dadurch wieder aufgehoben.
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Um ein Überregeln und ein daraus entstehendes Pendeln der Regelvorrichtung
zu vermeiden, führt während des Regelvorganges der Stellmotorkolben 6o mit Hilfe
der Schleppkupplung 52 und des Hebels 54 den Steuerschieber 5 1 wieder gegen
seine Mittellage zurück. Hierbei wird die Feder 53 gespannt: Dadurch wirkt auf das
Gehäuse der Schleppkupplung 52 eine Kraft, welche über den Flüssigkeitsinhalt derZylinderräume
auf den Schleppkolben 63 wirkt. Im Zylinderraum unter dem Schleppkolben 63 entsteht
ein Überdruck gegenüber dem Zylinderraum über dem Schleppkolben, so daß der Flüssigkeitsinhalt
unter dem Kolben durch die Drosselbohrung 64 des Kolbens in den oberen Zylinderraum
gelangt.
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Die Verschiebung des Kolbens 64 im Zylinder der Schleppvorrichtung
52 erfolgt so länge, bis die Feder 53 spannungslos wird und der Schieber 5 i in
seine Mittellage zurückgeführt ist. Der Kolben 6o wird dann nicht mehr verschoben
und auf die Schleppkupplung keine Federkraft mehr ausgeübt. Diese Ruhelage ist aber
nur möglich, wenn der Regler z6 wieder genau in die der Solldrehzahl entsprechende
Stellung zurückgelangt ist und damit die den Regler antreibende Kreislaufturbine
wieder ihre Solldrehzahl erreicht hat.
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Ein ähnlicher Regelvorgang, jedoch mit umgekehrten Bewegungsrichtungen
entsteht, wenn die Drehzahl der Kreislaufturbine vom Sollwert nach unten abweicht.
Dann wird durch den Regler 26 mit Hilfe der Isodromvorrichtung der Durchflußquerschnitt
des Regelgliedes 34 verkleinert. Der Brenngasturbine strömt weniger Arbeitsmittel
zu, der Kreislaufturbine dagegen mehr, so daß die Drehzahl wieder auf den Sollwert
ansteigt.
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Der einzustellende Sollwert kann mittels des Hebels 65 verändert werden.
Wird der Hebel in Minus Richtung des Doppelpfeils 66 verschoben, so wird die Feder
53 angehoben.. Der Hebel 54 kann dann nur in einer Lage zur Ruhe kommen, in welcher
die Stellung der Reglerhülse 57 entsprechend tiefer und der Wert für die Solldrehzahl
vermindert ist. Umgekehrt wird beim Verschieben des Hebels in Plus-Richtung des
Döppelpfeils 66 der Wert für die Solldrehzahl erhöht. Die Feder 53 wird dann nach
unten verschoben, entsprechend muß in der Ruhelage die Reglermuffe 57 höher liegen.
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Durch die Verwendung der Isodromvorrichtung wird für die Regelung
ein hohes Maß von Stabilität erreicht. Die Isodromvorrichtung stabilisiert das Reglerverhalten
der Anlage selbst dann, wenn die Charakteristiken der einzelnen Maschinen an sich
zu einem labilen Verhalten führen würden.
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Das Regelglied 42 der in der aus der Zuleitung i8 der Brenngasturbine
abzweigenden Verbindungsleitung 40 und das Abschlußglied 46 in der Zufuhrleitung
i8 werden mit Hilfe des durch die Welle 67 der nicht gezeichneten Brenngasturbine
angetriebenen Reglers 45 dann beeinflußt, wenn die Drehzahl dieser Turbine über
die obere Grenze des zulässigen Drehzahlbereichs hinaus ansteigt.
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Bei zulässigen Drehzahlen der Brenngasturbine befindet sich der Steuerschieber
68 in einer Lage, in welcher aus der Leitung 69 Druckflüssigkeit in die Leitung
70 strömen kann. Diese Druckflüssigkeit gelangt in die Zylinderräume über
den Kolben 71 und 72, der Stellmotoren 43 und 47, so daß das Regelglied 42 vollständig
geschlossen und das Abschlußglied 46 vollständig geöffnet ist. Das Arbeitsmittel
strömt dann durch die Leitung 18 ungehindert in die Brenngasturbine.
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Erreicht die Drehzahl der Brenngasturbine den oberen Grenzwert des
zulässigen Drehzahlbereichs, so wird mit Hilfe des Hebels 76 der Bund 73 angehoben.
Der Schieber 68 gelangt in eine obere Stellung, in welcher die Verbindung zwischen
den Leitungen 69 und 7o unterbrochen, dagegen eine Verbindung zwischen den Leitungen
69 und 74 hergestellt wird. Die Druckflüssigkeit strömt nunmehr in die Zylinderräume
unter den Stellmotorkolben 71 und 72. Der Drosselkegel des Regelgliedes 42 wird
angehoben, bis der Stellmotorkolben 71 am Kolben 75 zum Anschlag kommt, und das
Abschlußglied 46 wird in die vollständig geschlossene Stellung gebracht.
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Der Kolben 75 wird mittels des Jochs 62 und der Isodromvorrichtung
durch den. Regler 26 der Kreislaufturbine so eingestellt, daß die durch die Verbindungsleitung
4o abgeführte Arbeitsmittelmenge gerade gleich groß der unmittelbar vor der Unterbrechung
durch die Leitung i8 zur Brenngasturbine strömende Arbeitsmittelmenge ist. Durch
diese Maßnahme wird erreicht, daß bei einem Schnellschlußi der Brenngasturbine keine
unmittelbaren Rückwirkungen auf den Betrieb des Kreislaufs entstehen.
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Die Brenngasturbine kann auch umgekehrt wie bei den beschriebenen
Anlagen zum Antrieb eines Verdichters und die Kreislaufturbine als Nutzleistungsturbine
verwendet werden. Die Turbinen und die Verdichter können je nach den Betriebsverhältnissen
in mehrere Gehäuse aufgeteilt sein.