NO170951B - Reguleringsanordning for dobbeltakslet gassturbin - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder en reguleringsanordning som gjør det mulig å oppnå en dobbeltakslet gassturbin med høyt kompresjonsforhold, og som er i stand til å opprettholde høye virkningsgrader innenfor et stort effektreguleringsområde, og dette uavhengig av omgivelsestemperaturen.

Fra teknikkens stilling er det kjent flere typer regulering for dobbeltakslede gassturbiner. For eksempel beskriver US-patent nr. 4 266 401 et reguleringssystem for en gassturbin, og som er innrettet for å regulere tilførselen av brensel til turbinen i forhold til dens kompressorhastighet samt ledeskovlenes stilling i forhold til drivturbinhastig-heten.

En annen reguleringsanordning, som er kjent fra US-patent

nr. 4 539 810 og som er beregnet for å reagere på brukermani-pulasjon, anvendes for å avføle en gassturbins akselerasjons-forhold og er innrettet for å utnytte sådan avføling for styring av drivturbinmunnstykkenes åpningshastighet og/eller innstilling av kompressorens innløpsskovler.

Begge de ovenfor nevnte reguleringsanordninger er imidlertid beregnet for å utnyttes i forbindelse med gassturbiner for bruk i overflatekjøretøy, og søker å få en gassturbin til å virke som en etterligning av en vanlig forbrenningsmotor.

For stasjonær anvendelse av gassturbiner, slik som f.eks. som drivmotor for strømgeneratorer eller annet arbeidsmaskineri, er det kjent en annen type regulering basert på regulering av brenselsinnsprøytningen og orienteringen av de bevegelige munnstykker for drivturbinen ned til det minste omdreinings-tall hvor kompressoren arbeider normalt. For ytterligere reduksjon av tilført effekt til gassturbinen, styres orienteringen av bare en bevegelig statorskovlerekke, mens antall omdreininger pr. minutt, hvilket vil si kompressorens omdreiningshastighet eller turtall, opprettholdes konstant. Det sist omtalte reguleringssystem gjør det mulig å holde gassturbinens virkningsgrad hovedsakelig konstant innenfor et vidt variasjonsområde for effekten fra vedkommende turbin.

Dette system er imidlertid effektivt bare når det utnyttes på gassturbiner med moderate verdier for kompresjonsforholdet, hvilket vil si verdier av størrelseorden 7-8, og som iboende er mer elastiske med hensyn til opprettholdt virkningsgrad ved varierende belastninger (effekt). Når det gjelder høyere kompresjonsforhold, nemlig av størrelseorden 14 - 15, og derfor ved høyere syklusvirkningsgrader, foreligger det derimot en innebygget begrensning med hensyn til det effektvariasjonsområde hvor nevnte høye virkningsgrader kan oppnås, da virkningsgraden, som har et maksimum ved de betingelser som ligger til grunn for konstruksjonen, faktisk avtar raskere når driftsbetingelsene avviker fra nevnte konstruksjonsbetingels-er, enn den ville gjøre for gassturbiner med lavere kompresjonsforhold.

Formålet for foreliggende oppfinnelse er derfor nettopp å overvinne den ovenfor angitte ulempe og å frembringe en reguleringsanordning for en dobbeltakset gassturbin som gjør det mulig å oppnå høyere virkningsgrad ved høyere kompresjonsforhold, samtidig som tapet i virkningsgrad nedsettes til et minimum innenfor et vidt effektvariasjonsområde, uavhengig av omgivelsestemperatur.

Foreliggende oppfinnelse gjelder således en reguleringsanordning for å opprettholde konstant høy virkningsgrad i en dobbeltakslet gassturbin konstruert for en bestemt nominell omgivelsestemperatur, og som har: - en kompressor med høyt kompresjonsforhold sar.t utstyrt med flere rekker bevegelige statorskovler,

- en drivturbin forsynt med bevegelige munnstykker, og

- et forbrenningskammer for å tilføres brensel samt trykkluft fra kompressoren og å avgi ekspanderende forbrenningsgasser gjennom et kompressordrivende turbintrinn til drivturbinen.

Denne reguleringsanordning i henhold til oppfinnelsen har da som særtrekk at den omfatter en kombinasjon av tre hver for seg kjente reguleringskretser, nemlig:

- en første krets som omfatter:

et første følerutstyr for å avføle turtallet for nevnte drivturbin og avgi et første turtallsignal som angir antall omdreininger pr. minutt for drivturbinen,

et første komparatorutstyr for å motta nevnte første turtallsignal og sammenligne dette med en første referanseverdi, for derved å avgi et signal som uttrykker resultatet av denne sammenligning, og

et styreorgan for en regulerende elektroventil for forbrenningskammerets brenselstilførsel og innrettet for å motta signalet fra nevnte første komparatorutstyr og styre

ventilen i samsvar med dette signal,

- en andre krets som omfatter:

et andre følerutstyr for å avføle turtallet for nevnte høykompresjonskompressor og avgi et andre turtallsignal som angir antall omdreininger pr. minutt for kompressoren,

utstyr for å avføle foreliggende omgivelsestemperatur og

avgi et temperatursignal som angir omgivelsestemperaturen,

et andre komparatorutstyr for å motta nevnte andre

turtallsignal og nevnte omgivelsestemperatursignal, samt å kompensere turtallsignalet i samsvar med temperatursignalet, for derved å avgi et temperaturkompensert andre turtallsignal, og

et styreorgan for høykompresjonskompressorens bevegelige statorskovler, og som er innrettet for å motta nevnte temperaturkompenserte andre turtallsignal og styre statorskovlene i samsvar med dette signal, samt

- en tredje krets som omfatter:

• et tredje følerutstyr innrettet for å avføle drivturbinens avgasstemperatur og avgi et signal som angir avgassens temperatur, • et tredje komparatorutstyr anordnet for å motta dette avgasstemperatursignal og innrettet for å sammenligne det med en tredje referanseverdi, samt også å motta nevnte andre turtallsignal og sammenligne dette med en andre referanseverdi samt å avgi et utgangssignal, som valgfritt angir resultatet av den ene eller den annen av nevnte sammenligninger, som styresignal til et signalmottagende styreorgan for innstilling av drivturbinens bevegelige munnstykker i samsvar med styresignalet.

Med en reguleringsanordning i henhold til oppfinnelsen oppnås da nevnte formål hovedsakelig ved at orienteringen av de bevegelig statorskovler i kompressoren sammen med brensels-innsprøytningen og orienteringen av de bevegelige munnstykker i drivturbinen varieres som en lineær funksjon av turtallet, dvs. antall omdreininger pr. minutt, for kompressoren, idet det hele korrigeres kontinuerlig på grunnlag av omgivelsestemperaturen. Nærmere bestemt måles turtallet for kompressoren, og dette kompenseres med hensyn på omgivelsestemperaturen, fortrinnsvis i samsvar med følgende velkjente formel:

hvor:

Nc er turtallet eller antall omdreininger pr. minutt for kompressoren, korrigert med hensyn på den absolutte

omgivelsestemperatur,

N er det målte turtall, dvs. antall omdreininger pr. minutt,

for kompressoren,

T er den absolutte omgivelsestemperatur, og

Tr er en absolutt nominell temperatur eller referansetemperatur.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere forklart under henvisning til den vedføyde tegning, hvis eneste figur angir en foretrukket praktisk utførelseform som imidlertid bare er angitt for å anskueliggjøre oppfinnelsen, men ikke begrense dens omfang,

da faktisk tekniske og konstruktive utførelsesvarianter til enhver tid er mulig uten at oppfinnelsens ramme overskrides.

Figuren på denne tegning viser skjematisk reguleringssystemet i henhold til oppfinnelsen for en dobbeltakslet gassturbin

med høyt kompresjonsforhold.

I figuren angir henvisningstallet 1 kompressoren for en dobbeltakslet gassturbin, mens turbinens to aksler henholdsvis er angitt ved henvisningstallene 2 og 3. Kompressoren komprimerer luft som tas inn gjennom et filter 4 og avgir komprimert luft til forbrenningskammeret 5, som også tilføres brensel gjennom en regulerende elektroventil 6. Forbrennings-gassene ekspanderer først inne i turbinen 7 som driver kompressoren 1 ved hjelp av akselen 2, samt derpå i drivturbinen 8 som driver en arbeidsmaskin eller en generator 9, hvorpå gassen avgis til atmosfæren gjennom et utløp 10.

Turtallet eller antall omdreininger pr. minutt for akselen 3 i drivturbinen 8 avføles av føleren 11 og sammenlignes i en komparatorenhet 12 med en referanseverdi eller innstilt verdi 13, idet utgangssignalet 12' fra komparatorenheten 12 utnyttes for å styre brenselselektroventilen 6. Samtidig som dette finner sted avføles antall omdreininger pr. minutt N for kompressorakselen 2 av en føler 14, og denne avfølte verdi eller den avfølte temperaturverdi av føleren 15 for gassene fra utløpet 10, sammenlignes med fastlagte verdier i en komparatorenhet 16, som i sin tur over sin utgang 17 styrer de bevegelige munnstykker 18 for drivturbinen 8.

Endelig utgjør antall omdreininger pr. minutt N avfølt av føleren 14, sammen med verdien av omgivelsestemperaturen 3 avfølt av føleren 19, også inngangssignalet til en enhet 20 som utfører en kompensasjon av antall omdreininger pr. minutt N med hensyn på nevnte temperatur, med det formål å oppnå et signal som uttrykker det korrigerte antall omdreininger pr. minutt i samsvar med ligningen:

og statorskovlen 21 i kompressoren 1 styres da i samsvar med denne ligning.

Claims (2)

1. Reguleringsanordning for å opprettholde konstant høy virkningsgrad i en dobbeltakslet gassturbin konstruert for en bestemt nominell omgivelsestemperatur, og som har: - en kompressor (1) med høyt kompresjonsforhold samt utstyrt med flere rekker bevegelige statorskovler (21), - en drivturbin (8) forsynt med bevegelige munnstykker (18), og - et forbrenningskammer (5) for å tilføres brensel samt trykkluft fra kompressoren og å avgi ekspanderende forbrenningsgasser gjennom et kompressordrivende turbintrinn (7) til drivturbinen (8), karakterisert ved en kombinasjon av tre hver for seg kjente reguleringskretser, nemlig: - en første krets som omfatter: et første følerutstyr (11) for å avføle turtallet for nevnte drivturbin (8) og avgi et første turtallsignal (li<1>) som angir antall omdreininger pr. minutt for drivturbinen, et første komparatorutstyr (12) for å motta nevnte første turtallsignal (11') og sammenligne dette med en første referanseverdi (13), for derved å avgi et signal (12') som uttrykker resultatet av denne sammenligning, og et styreorgan for en regulerende elektroventil (6) for forbrenningskammerets brenselstilførsel og innrettet for å motta signalet (12') fra nevnte første komparatorutstyr (12) og styre ventilen i samsvar med dette signal, - en andre krets som omfatter: • et andre følerutstyr (14) for å avføle turtallet for nevnte høykompresjonskompressor (1) og avgi et andre turtallsignal (14') som angir antall omdreininger pr. minutt for kompressoren, • utstyr (19) for å avføle foreliggende omgivelsestemperatur og avgi et temperatursignal (19') som angir omgivelsestemperaturen , • et andre komparatorutstyr (20) for å motta nevnte andre turtallsignal (14') og nevnte omgivelsestemperatursignal (19'), samt å kompensere turtallsignalet (14') i samsvar med temperatursignalet (19'), for derved å avgi et temperaturkompensert andre turtallsignal (20'), og . et styreorgan for høykompresjonskompressorens bevegelige statorskovler (21), og som er innrettet for å motta nevnte temperaturkompenserte andre turtallsignal (20') og styre statorskovlene i samsvar med dette signal, samt - en tredje krets som omfatter: et tredje følerutstyr (15) innrettet for å avføle drivturbinens avgasstemperatur og avgi et signal (15') som angir avgassens temperatur, et tredje komparatorutstyr (16) anordnet for å motta dette avgasstemperatursignal (15') og innrettet for å sammenligne det med en tredje referanseverdi, samt også å motta nevnte andre turtallsignal (14') og sammenligne dette med en andre referanseverdi samt å avgi et utgangssignal, som valgfritt angir resultatet av den ene eller den annen av nevnte sammenligninger, som styresignal (17) til et signalmottagende styreorgan for innstilling av drivturbinens bevegelige munnstykker (18) i samsvar med styresignalet.

2. Reguleringsanordning ifølge krav 1, karakterisert ved at det andre komparatorutstyr (20) er innrettet for å frembringe nevnte temperaturkompenserte andre turtallsignal (20') ved å dividere det avfølte andre turtallsignal (14') med kvadratroten av forholdet mellom den foreliggende omgivelsestemperatur (T) og en nominell referansetemperatur (Tr), regnet i absolutte temperaturverdier.