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Regelvorrichtung für mit veränderlicher Drehzahl laufende und ihren
Verdichter selbst antreibende Gasturbinen Die Erfindung stellt eine Anwendung und
Vervollkommnung an sich bekannter, allgemeiner Grundsätze für Regelverfahren dar,
wie sie beispielsweise für Dampfkraftanlagen entwickelt wurden. Sie bezieht sich
auf Regelvorrichtungen für mit veränderlicher Drehzahl laufende und ihren Verdichter
selbst antreibende Gasturbinen zum Antrieb von elektrischen Stromerzeugern, insbesondere
für Fahrzeuge, wobei die Leistung der Gruppe durch Beeinflussung des Brennstoffes
geregelt, gleichzeitig aber auch die Drehzahl der Gruppe durch Veränderung der Erregung
auf die zur Lieferung der Luftmenge bei bestem Wirkungsgrad erforderliche Höhe gebracht
wird, gemäß Patent 674 o67. Bei solchen mit veränderlicher Drehzahl arbeitenden
Gasturbinen erhält man die höchste Wirtschaftlichkeit, wenn mit der Regelung des
Brennstoffes entsprechend der verlangten Leistung auch die Drehzahl der Gruppe geregelt
wird, und zwar so, daß der Verdichter die Geschwindigkeit erhält, bei der er die
verlangte Luftmenge mit bestem Wirkungsgrad liefert. Es wird also jeder Brennstoffmenge
eine ganz bestimmte Verdichterdrehzahl zugeordnet. Nach dem genannten Patent erfolgt
diese Geschwindigkeitsregelung durch Beeinflussung der Erregung des von der Gasturbine
angetriebenen und mit dem Verdichter gekuppelten Stromerzeugers.
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Bei ortsbeweglichen Anlagen, für die die vorliegenden Regelungsvorschläge
in erster Linie bestimmt sind, können nun aber auch Fälle vorkommen, die ein Abweichen
vom regulären Betrieb nötig machen, bei denen
vorübergehend also
nicht mehr die höchste Wirtschaftlichkeit, sondern besondere Leistungen oder Betriebszustände
verlangt werden. Diese besonderen Betriebszustände sind vor allem durch die Eigenschaften
der Gasturbine und durch die Eigentümlichkeiten des Gasturbinenbetriebes bedingt.
Neben kurzzeitigen Eingriffen können auch über längere Betriebsdauern sich erstreckende
Veränderungen der regulären Regelverhältnisse nötig werden, wenn die Abweichung
vom regulären Betriebszustand z. B. nicht durch besondere Zustände des Betriebs
(Anfahrt, plötzliche Belastungsänderungen, Stillstand usw.), sondern durch Änderungen
der Betriebsmittel (Brennstoffwechsel, Änderung der Lufttemperatur usw.) verursacht
ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung sind besondere zusätzliche Einrichtungen
vorgesehen, die eine vorübergehende Abweichung vom regulären Dauerbetrieb, wie er
durch die im Patent 67.I o67 beschriebenen Regeleinrichtungen gesichert ist, möglich
machen. In Fig. i der Zeichnung ist das Regelschaltbild einer Anlage dargestellt,
das neben den Einrichtungen für den regulären Betrieb noch alle zusätzlichen Einrichtungen,
die den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bilden, enthält. Fig. 2 zeigt dagegen
andeutungsweise, welche Änderungen sich im Kennlinienverlauf der regulären Regelung
durch Anwendung der zusätzlichen Regeleinrichtungen einstellen.
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Am bequemsten lassen sich Regelbewegungen und -kräfte hydraulisch
übertragen. Im vorliegenden Beispiel wurde daher durchweg Drucköl als Übertragungsmittel
angenommen. Es kommen als solches natürlich auch Gestänge oder elektrischer Strom
in Betracht.
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Hauptkennzeichen der Regelung, an welcher die zusätzlichen Regelungseinrichtungen
Anwendung finden sollen, ist, wie eingangs erwähnt, die gleichzeitige Beeinflussung
von Brennstoff und Drehzahl der Gruppe. Um diese Beeinflussung beider aber unabhängig
voneinander zu ermöglichen, wird in Weiterbildung der Erfindung die Brennstoffregelung
und die Drehzahlregelung durch zwei voneinander unabhängige Steuerölsysteme bedient.
Das Steueröl selbst kann von einer gemeinsamen Pumpe geliefert werden. Die Verteilung
des Öles erfolgt aber durch zwei oder mehrere Hauptstränge über fest eingestellte
Blenden. In Fig. i, in welcher i die Gasturbine, 2 der Verdichter, 3 die Brennkammer
mit dem Brenner. und der Brennstoffpumpe 5, und 6 der Stromerzeuger der Kraftanlage
ist und der vom Stromerzeuger gelieferte Strom durch Leitungen 7, 7' an (nicht gezeichnete)
Motoren geliefert wird, ist S die gemeinsame Steuerölpumpe. Das Drucköl teilt sich
zunächst in zwei Leitungsgruppen 9 und io. Die Blenden oder Druckhalteventile i
i be--,virken durch entsprechende Bemessung ihres Abflußquerschnitts die Aufrechterhaltung
eines bestimmten Öldruckes.
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Da die Höhe dieses Öldruckes aber die Stellung des zu regelnden Organes
bestimmt und diese Stellung vorübergehend v eränderbai- sein soll, so werden in
weiterer Ausgestaltung der Erfindung neben Drosselblenden mit unveränderlichem Drosselquerschnitt
i i noch solche mit von Hand einstellbarem, veränderlichem Ouerschnitt in den Steuerölleitungen
vorgesehen. Ein solches handbetätigtes Druckregelventil 12 ist im Schaltbild der
Fig. i z. B. vor Blende i i7 eingebaut.
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Die Aufteilung der Steuerölsysteme und die Beeinflußbarkeit derselben
einzeln, ohne Beeinträchtigung der übrigen, macht es erforderlich, daß auch das
Hauptregelorgan, nämlich der Haupthandhebel 13, mindestens zwei Steuerkolben 14,
i.I' sich betätigen läßt, von denen jeder getrennt den Ab- oder Zulauf des Steueröles
eines Kreislaufs regelt. Durch entsprechende Formgebung der Öffnungsschlitze in
den zugehörigen Regelbüchsen lassen sich auch die Kennlinien der betreffenden Regelungen
beeinflussen.
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Fig. i zeigt eine weitere Vorkehrung zur vorübergehenden Schaffung
besonderer Betriebsverhältnisse, und zwar im Ventil 15, das dazu dient, je nachdem
ob es in den Zu- oder Abfluß eingebaut ist, die Ölzuflußmenge so zu verineliren
bzw. die Abflußmenge so zu vermindern, daß im System ein Öldruck bestehen bleibt,
der ein Herabsinken von Brennstoff-, menge und Drehzahl der Gruppe unter ein bestimmtes
Mindestmaß verhindert. Dieses 'Mindestmaß ist normalerweise bei Leerlauf (Motoren
stromlos) durch die Mindestdrehzahl, bei welcher noch genügend Verdichtung erhalten
wird, und durch das Mindestmaß von Brennstoff, das zur Aufrechterhaltung der Flamme
nötig ist, gegeben. Steht eine rasche Belastungserhöhung bevor, z. B. beim Anfahren
eines Zuges, so kann die Bereitschaft der Gruppe erhöht werden durch Einschalten
des Ventils 15, das die Leerlaufdrehzahl bei kleiner Belastung erhöht.
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Ein weiteres nichtiges Zusatzregelglied ist durch den Regler 16 verkörpert.
Er dient dazu, besonders heftigen Belastungsänderungen, die von außen koinmnen,
aber auch vorbeugend vom Führer eingeleitet werden können, zu begegnen. Dieser stellt
von Hand die Brennstoffmenge ein, die für eine bestimmte Belastung nötig ist, und
zwar durch clen Haupthebel 13, der durch den Steuerkolben 14 so viel Öl zuströmen
läßt, daß sielt ein Druck einstellt, der durch den Kraftkolben 17 die Düse des Brenners
.I auf die entsprechendeBrennstoffmenge einregelt. Gleichzeitig
wird
aber auch durch Steuerkolben 14 über den Kraftkolben 23 die Kurvenscheibe 22 in
eine bestimmte Lage gebracht, die nun zusammen mit dem Geschwindigkeitsregler 18
mittels der Stange 24 dem Kolben der Regelvorrichtung i9 eine bestimmte Stellung
zuweist. Dieser Kolben i9 steuert über den Kraftkolben 2o den Widerstand 21, der
das Feld des Stromerzeugers regelt und ihm damit eine der Brennstoffmenge entsprechende
Drehzahl aufzwingt. Damit dieses verlangte Brennstoffdrehzahlverhältnis erreicht
wird, erhält die Kurvenscheibe 22 eine bestimmte, durch Versuche sorgfältig ermittelte
Form.
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Mit Gestänge 24 ist aber in Weiterbildung der Erfindung noch ein weiteres
Regelglied, nämlich die oben bereits erwähnte Regelvorrichtung 16, gekuppelt. Befindet
sich die Anlage in. Beharrung, d. h. entspricht die Brennstoffmenge der zugeordneten
Drehzahl oder umgekehrt, so ist Regler 16 nicht wirksam, es befindet sich der Kolben
der Regeleinrichtung 16 in Mittelstellun& und schließt die Ölleitung 25 ab.
Wird das Verhältnis aber durch eine plötzliche Belastungsänderung gestört und die
Drehzahl der Gruppe geändert, so verstellt die Muffe des Reglers i8 den Kolben der
Regeleinrichtung 16, der nun Öl in Leitung 25 einströmen oder ausströmen läßt und
durch Einwirkung auf Kolben 17 eine beschleunigte, von der Handkurbel 13 unabhängige
Brennstoffzufuhr bewirkt. Dies hat wiederum zur Folge, daß die Gruppe sich rascher
auf den neuen Betriebszustand einstellt, als es ohne diese zusätzliche Regeleinrichtung
möglich wäre. Es ist für diese kurzzeitige Abweichung vom normalen Betrieb auch
nebensächlich, daß dabei infolge größerer Brennstoffmengen vorübergehend in der
Gasturbine Temperaturen auftreten, die für einen Dauerbetrieb nicht zulässig wären.
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Es lassen sich die Regelverhältnisse etwa durch die Kennlinien der
Fig. 2 mit der Abszissenachse 0-A und der Ordinatenachse 0-B
wiedergeben.
Darin sind die Abszissen die Leistungen (oder, was ungefähr dasselbe ist, die Brennstoffmengen)
und die Ordinaten die Drehzahl der Gruppe (bzw. die unter günstigsten Bedingungen
gelieferten Luftmengen). Im regulären Betrieb erfolgt die Regelung selbsttätig nach
Kurve a, b, c. Wird z. B. durch den Eingriff am Ventil 15 das Verhältnis geändert;
d. h. die Leerlaufdrehzahl zum Zwecke rascherer Belastung erhöht, so ergibt sich
eine Regelkurve etwa wie d, e, die nach Erreichung der höheren Last wieder
in die reguläre Regelkurve übergeleitet werden kann.
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Der Regelvorgang, der sich beim Spielen der Regeleinrichtung 16 einstellt,
ist durch die vorübergehende Überführung der Kurve a, c in die Kurve
lt, i, wenn es sich um eine Belastung, -oder in' die Kurve f, g, wenn es
sich um eine Entlastung handelt, ausgedrückt.
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Ist eine länger andauernde Änderung des Brennstoffdrehzahlverhältnisses
erforderlich, z. B. infolge Wechsels des Brennstoffes oder veränderter Luftansaugetemperaturen
(Sommer- und Winterbetrieb), so kann durch Begrenzung (Anschläge) des veränderlichen
Drosselquerschnitts 12 eine Hebung f, g oder Senkung la, i der selbsttätig
sich einstellenden Regelkurve herbeigeführt werden.
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Eine ähnliche zusätzliche Vorkehrung für außerordentliche Betriebszustände
betrifft die elektrische Seite der Anlage. Bei kleinen Belastungen oder beim Hochfahren
aus kleiner Belastung kann es zur Überwachung der Motorendrehmomente und Vermeidung
von Stößen erforderlich sein, das Feld des Generators noch weiter zu schwächen.
Es wird zu diesem Zweck dem Widerstandii ein weiterer Widerstand ü vorgeschaltet,
der von der Hauptkurbel 13 aus bedient wird, aber erst bei Stellungen dieser Kurbel
in Tätigkeit tritt, die kleinen Belastungen oder Brennstoffverbrauchen entsprechen.
Da während dieser Regelperiode die Wirkung des Widerstandes 21 aufgehoben oder stark
geschwächt ist, so wird die Drehzahl selbsttätig nur noch vom Geschwindigkeitsregler
18 über den Regler 16 gesteuert.
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Bei Lokomotiven, bei denen ein Teil der Regeleinrichtungen doppelt,
d. h. im vorderen und hinteren Führerstand, vorzusehen sind, muß die Möglichkeit
geschaffen werden, jede der beiden, aber immer nur eine der Einrichtungen zu gebrauchen,
während die andere gesperrt ist. Es soll ferner die Gasturbinenanlage unter Leerlauf
auch dann im Betrieb bleiben können, wenn der Maschinist den Stand wechselt oder
die Maschine für kurze Zeit verläßt. Bei dieser Einrichtung handelt es sich also
ebenfalls um einen Eingriff in die regulären Betriebsverhältnisse, der überdies
mit einer Sicherheitsmaßnahme, die der Blockierung und dem Schutz vor mißbräuchlicher
Betätigung dient, verbunden ist. Die Einrichtung besteht aus den Absperrventilen
26 und 26', mit denen der Steuerölumlauf ganz abgesperrt werden kann, wodurch höhere
Belastungen der Anlage unmöglich gemacht werden, während die Gasturbine aber noch
unbelastet «-eiterlaufen kann, da die zur Aufrechterhaltung dieses Betriebszustandes
erforderliche Steuerölmenge über Leitungszweig io und Regeleinrichtung 16 ins System
gelangt. Es werden die beiden Ventile 26,:26' mit Vorteil so eingerichtet, daß sie
sich nur mit besonderen Steckschlüsseln betätigen lassen. Die Steckschlüssel selbst
sind wieder so beschaffen, daß sie sich nur entfernen lassen, wenn das Ventil geschlossen
ist. Da für
beide Ventile nur ein Schlüssel vorhanden ist, ist es
erforderlich, das Ventil abzuschließen, bevor der Maschinist den Führerstand wechselt
oder die Maschine verläßt.
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Mit diesen Ventilen bzw. der Hauptkurbel 13 können auch elektrische
Schalter, Schaltwalzen o. dgl. für unmittelbare oder mittelbare Betätigung von Stromkreisen,
wie Fahr-und Hilfsmotoren usw., gekuppelt sein.