DE723939C - Control device for gas turbines running at variable speed and self-propelling their compressor - Google Patents
Control device for gas turbines running at variable speed and self-propelling their compressorInfo
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Description
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.Control device for variable speed running and theirs Compressor self-propelled gas turbines The invention represents an application and Improvement of known, general principles for control procedures, as they were developed for steam power plants, for example. She relates on regulators for variable speed compressors and their compressors self-propelling gas turbines for driving electric power generators, in particular for vehicles, whereby the performance of the group by influencing the fuel regulated, but at the same time also the speed of the group by changing the excitation brought to the level required to deliver the amount of air with the best possible efficiency is, according to patent 674,067. With those working with variable speed Gas turbines are most economically viable when controlling the Fuel, the speed of the group is regulated according to the required output is, in such a way that the compressor receives the speed at which he the delivers the required amount of air with the best possible degree of efficiency. So there will be any amount of fuel assigned a very specific compressor speed. According to the patent mentioned this speed control by influencing the excitation of the gas turbine powered generator coupled to the compressor.
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.In the case of portable systems for which these proposed regulations are primarily determined, but cases can now also occur that deviate make it necessary from regular operation, where temporarily no longer the highest economic efficiency, but special services or operating conditions are required. These special operating states are mainly due to the properties the gas turbine and due to the peculiarities of the gas turbine operation. In addition to short-term interventions, long-term interventions can also be used Changes to the regular control conditions become necessary if the deviation from the regular operating state z. B. not due to special operating conditions (Approach, sudden changes in load, standstill, etc.), but through changes caused by the operating resources (change of fuel, change in air temperature, etc.) is.
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.In accordance with the present invention, there are particular additional devices provided that a temporary deviation from regular continuous operation, like him is secured by the control devices described in patent 67.I o67 do. In Fig. I of the drawing, the control circuit diagram of a system is shown, that in addition to the facilities for regular operation, all additional facilities, which form the subject of the present invention contains. Fig. 2 shows, however hint at the changes in the characteristic curve of the regular control set by using the additional control devices.
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.The most convenient way of controlling movements and forces is hydraulic transfer. In the present example, therefore, pressure oil was used throughout as the transfer medium accepted. Of course, rods or electrical power also come as such into consideration.
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.Main identifier of the regulation on which the additional regulation devices As mentioned at the beginning, simultaneous influencing is to be used of fuel and speed of the group. To this influencing both but independently to enable each other, the fuel control is in a further development of the invention and the speed control is operated by two independent control oil systems. The control oil itself can be supplied by a common pump. The distribution of the oil takes place through two or more main strands via fixed ones Bezels. In Fig. I, in which i the gas turbine, 2 the compressor, 3 the combustion chamber with the burner. and the fuel pump 5, and 6 the power generator of the power plant and the electricity supplied by the generator through lines 7, 7 'to (not shown) Engines, S is the common control oil pump. The pressure oil divides initially in two line groups 9 and io. The orifices or pressure holding valves i i ensure that they are maintained by appropriately dimensioning their drainage cross-section a certain oil pressure.
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.Since the level of this oil pressure but the position of the organ to be regulated and this position is to be temporarily changed, in further embodiment of the invention in addition to throttle orifices with an invariable throttle cross-section i i still those with manually adjustable, variable cross-sections in the control oil lines intended. Such a manually operated pressure control valve 12 is shown in the circuit diagram of Fig. I e.g. B. installed in front of aperture i i7.
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.The division of the control oil systems and how they can be influenced individually, without prejudice to the rest, it is necessary that that too Main control element, namely the main hand lever 13, at least two control pistons 14, i.I 'can be operated, each of which separately controls the outflow or inflow of the control oil regulates a cycle. By appropriately shaping the opening slots in The characteristic curves of the relevant controls can also be found in the associated control boxes influence.
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.Fig. I shows another provision for temporary creation special operating conditions, namely in the valve 15, which is used, depending on whether it is built into the inflow or outflow so as to linearize the amount of oil flowing in or to reduce the flow rate so that oil pressure remains in the system, of a drop in fuel, quantity and speed of the group below a certain level Minimum size prevented. This minimum dimension is normally when idling (engines de-energized) by the minimum speed at which there is still sufficient compression will, and by the minimum amount of fuel necessary to maintain the flame is necessary, given. If there is a rapid increase in load, z. B. when starting of a train, the willingness of the group can be increased by switching on of the valve 15, which increases the idle speed when the load is low.
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.Another void additional control element is embodied by the controller 16. It serves to counteract particularly violent changes in load that may come from outside, but can also be initiated preventively by the leader. This represents manually enter the amount of fuel required for a specific load, and through the main lever 13, which flows in so much oil through the control piston 14 lets that a pressure is set which, through the power piston 17, sets the nozzle of the burner .I adjusts to the corresponding amount of fuel. Simultaneously will but also by control piston 14 via power piston 23, the cam 22 in brought a certain position, which together with the speed controller 18 by means of the rod 24 the piston of the regulating device i9 a certain position assigns. This piston i9 controls via the power piston 2o the resistor 21, the regulates the field of the power generator and thus a corresponding amount of fuel Forcing speed. So that this required fuel speed ratio is achieved is, the cam 22 receives a certain, carefully determined through experiments Shape.
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.With linkage 24, however, there is still another further development of the invention Control element, namely the control device 16 already mentioned above, coupled. Located the plant in. Persistence, d. H. the amount of fuel corresponds to the assigned Speed or vice versa, controller 16 is not effective, the piston is located of the control device 16 in the middle position and closes the oil line 25. But if the relationship is disturbed by a sudden change in load and the If the speed of the group is changed, the sleeve of the regulator i8 adjusts the piston of the Control device 16, which now allows oil to flow in or flow out in line 25 and by acting on the piston 17 an accelerated, independent of the hand crank 13 Fuel supply causes. This in turn means that the group moves faster adjusts to the new operating state than it would without this additional control device it is possible. It is for this momentary departure from normal operation as well incidentally, that temporarily in the due to larger amounts of fuel Gas turbine temperatures occur that would not be permissible for continuous operation.
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.The control conditions can be reproduced, for example, by the characteristic curves in FIG. 2 with the abscissa axis 0-A and the ordinate axis 0-B. Here, the abscissas are the powers (or, what is roughly the same, the fuel quantities) and the ordinates are the speed of the group (or the quantities of air supplied under the most favorable conditions). In regular operation, the regulation takes place automatically according to curves a, b, c. Is z. B. changed by the engagement on valve 15, the ratio; ie if the idling speed is increased for the purpose of more rapid loading, a control curve such as d, e results, which can be transferred back to the regular control curve after the higher load has been reached.
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.The control process that occurs when the control device 16 is played is due to the temporary transfer of the curve a, c into the curve lt, i if it is a load, or into the curve f, g if it is is a discharge, expressed.
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.If a prolonged change in the fuel speed ratio is required, e.g. B. as a result of a change in fuel or changed air intake temperatures (summer and winter operation), by limiting (stops) the variable throttle cross-section 12, an increase f, g or decrease la, i of the automatically adjusting control curve can be brought about.
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.A similar additional precaution for extraordinary operating conditions concerns the electrical side of the system. With small loads or when starting up from a small load it can be used to monitor and avoid motor torques impacts may be required to weaken the generator's field even further. For this purpose, a further resistor ü is connected upstream of the resistor ii, which is operated from the main crank 13, but only when this crank is in positions comes into action that correspond to small loads or fuel consumption. Since during this control period the effect of the resistor 21 is canceled or strong is weakened, the speed is only automatically determined by the speed controller 18 controlled by the controller 16.
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.In the case of locomotives in which some of the control devices are doubled, d. H. The possibility must be provided in the front and rear driver's cab created to use each of the two, but only one of the facilities, while the other is locked. It should also keep the gas turbine system idling can remain in operation even if the machinist changes status or leaves the machine for a short time. So this is the facility also an interference in the regular operating conditions, which moreover with a security measure that is blocking and protecting against abusive Actuation is connected. The device consists of the shut-off valves 26 and 26 ', with which the control oil circulation can be shut off completely, which means higher Loads of the plant are made impossible while the gas turbine is still unloaded «-can continue to run, since the maintenance of this operating state Required amount of control oil via line branch OK and control device 16 into the system got. The two valves 26,: 26 'are advantageously set up so that they can only be operated with special socket wrenches. The socket wrenches themselves are again designed so that they can only be removed when the valve is closed is. Therefore there is only one key in both valves, it is required to close the valve before the machinist changes cab or leave the machine.
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.With these valves or the main crank 13 can also electrical Switches, switching drums or the like for direct or indirect actuation of electrical circuits, such as traction and auxiliary engines, etc., must be coupled.
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