-
Gasturbinenanlage mit Einrichtung zur Teillastregelung Gegenstand
der Erfindung ist eine Gasturbinenanlage mit wenigstens zwei Turbinen, von denen
die eine äußere Nutzleistung innerhalb eines weiten Drehzahlbereiches, z. B. für
Schiffsschraubenantrieb, erzeugt, während die andere innerhalb eines weiten Drehzahlbereiches
einen aerodynamischen Kompressor antreibt, der ein gasförmiges Arbeitsmittel diesen
Turbinen über Heizeinrichtungen zuführt, bei welchen die Brennstoffbeschickung der
Heizeinrichtungen in Abhängigkeit von getrennten Steuerventilen gebracht ist, von
welchen das eine die Brennstoffbeschickung der Heizeinrichtung regelt, durch welche
die Gase zu der Leistungsturbine gehen, während das andere Ventil die Brennstoffbeschickung
der Heizeinrichtung regelt, durch welche die Gase zu der den Kompressor antreibenden
Turbine gehen.
-
Die Erfindung beschränkt sich auf eine Anlage, bei welcher der aerodynamische
Kompressor mit axialer oder zentrifugaler Strömung ins Pumpen kommt, wenn er an
der Förderung einer gewissen minimalen Strömungsmenge gehindert wird, deren Wert
von der Drehzahl abhängt.
-
Die Erfindung ist bei strömungsmäßig parallel oder in Reihe geschalteten
Turbinen anwendbar. Im letzteren Falle wird die Niederdruckturbine als
Antrieb
des Kompressors gekuppelt, und die Hochdruckturbine liefert äußere Nutzleistung.
-
Die Bezeichnung Kompressor wird hier in einem-Sinne verwendet, der
eine Mehrzahl von Kompressoren umfaßt, die in Reihe und/oder parallel arbeiten und
mechanisch miteinander gekuppelt sind. Der Ausdruck Turbine wird in dem Sinne verwendet,
daß er die mögliche, wenn auch nicht gebräuchliche- Anordnung einer Mehrzahl von
Turbinen umfaßt, die mechanisch in Ein- oder Mehrwellenanordnung, thermodynamisch
in Reihe oder parallel verbunden sind, jedoch ohne dazwischenliegende Verbrennungskammern.
-
Die Erfindung steht im Zusammenhang mit dem Problem, das Pumpen (Pendeln)
des Kompressors zu verhindern, wenn der Leistungsbedarf der Leistungsturbine vermindert
wird.
-
Die Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung kennzeichnet sich dadurch,
daß, die genannten Steuerventile durch gemeinsame Steuermittel betätigt werden,
die so angeordnet sind, daß sie eine allmähliche Verminderung der Leistungsabgabe
der Anlage von der Höchstleistung aus bewirken, indem sie fortschreitend zunächst
die Brennstoffbeschikkung der Heizeinrichtung, durch welche die Gase zu der Leistungsturbine
gehen, bei annähernder Konstanthältung der Temperatur der Gase am Einlaß der den
Kompressor antreibenden Turbine und dann fortschreitend die gesamte Brennstoffbeschikkung
vermindern, um diese Temperatur der Gase am Einlaß herabzusetzen.
-
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung; welche Turbinen
mit- pärallelerl-- StrÖrrieilumfaßt, ist das gemeinsame System für die Steuerung
der Verbrennungskammern der beiden Turbinen so angeordnet, daß die Leistungsabgabe
geregelt wird, indem zunächst die Brennstoffbeschickung der Verbrennungskammer der
Leistungsturbine allmählich, annähernd bis auf Null, vermindert wird, während die
Temperatur am Einlaß der Kompressorturbine wenigstens annähernd so hoch wie bei
voller Leistung der Leistungsturbine gehalten wird, und daß dann allmählich die
Temperatur am Einlaß der Kompressorturbine vermindert wird.
-
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches Turbinen in Serie
aufweist, bewirkt das Steuersystem für die Regelung der Leistungsabgabe der Leistungsturbine
bei voller Leistung nur die Brennstoffbeschickung der Verbrennungskammer der Leistungsturbine
und dann, wenn die Leistung vermindert wird: a) während der Betriebszustände von
voller Leistung bis zu ungefähr s/4 der vollen ,Leistung um nur die Beschickung
der Verbrennungskammer der Leistungsturbine mit allmählich abnehmenden 'Brennstoffmengen;
b) während der Betriebszustände von etwa 3/4 der vollen Leistung kleiner werdend
eine weitere allmähliche Verminderung der BrennstofFbeschikkung der Verbrennungskammer
der Leistungsturbine und gleichzeitig allmählich, annähernd von Null an, eine Erhöhung
der .Brennstoffbeschickung der Verbrennungskammer der Kompressorturbine, bis die
Brennstoffbeschickung derVerbrennungskammer der Leistungsturbine annähernd Null
bis etwa 15 % der vollen Leistung erreicht, und c) _ dann eine allmähliche Verminderung
der Brennstoffbeschickungder Verbrennungskammer der Kompressorturbine.
-
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung.
-
Fig. i zeigt in schematischer Darstellung eine Anlage mit parallel
geschalteten Turbinen.
-
Das Verhalten dieser Anlage ist in den Diagrammen der Fig. 2 und 3
veranschaulicht. Fig. 2 zeigt ein Diagramm für den Kompressor i und seine Antriebsturbine
2. Die Ordinaten stellen das Druckverhältnis, die Abszissen die Leistung des Kompressors
dar, d. h. die Leistungsabgabe der Turbine oder die an den Kompressor i gelieferte
Leistung, wobei diese Leistungen gleich sind. In der Fig. 3, die sich auf die Leistungsturbine
5 bezieht, stellen die Ordinaten das Druckverhältnis und dieAbszissen die Strömungsmenge
der Leistungsturbine dar.
-
Fig. i a zeigt in schematischer Form eine Anlage mit in Reihe geschalteten
Turbinen. Das Verhalten dieser Anlage ist durch die Diagramme der Fig. 2a und 3
a veranschaulicht. Fig. 2 a zeigt das Diagramm für den Kompressor i und seine Antriebsturbine
2. Die Ordinaten stellen die Leistung des Kompressors dar, d. h. die Leistungsabgabe
der Turbine 2 oder die dem Kompressor i zugeführte Leistung, wobei diese Leistungen
gleich sind. Die Abszissen stellen die Strömungsmenge dar. In Fig. 3 a, die sich
auf die Leistungsturbine 5 bezieht, stellen die Ordinaten das Druckverhältnis für
die Leistungsturbine und die Abszissen die Strömungsmenge dar.
-
Gemäß Fig. i liefert ein Kompressor i einen Teil seiner Druckluftförderung
durch eine Verbrennungskammer 3 in eine Turbine 2, die mechanisch als Antrieb des
Kompressors i gekuppelt ist. Ein Anlaufmotor- io ist ebenfalls mit dem Kompressor
i und mit der Turbine 2 gekuppelt. Der Rest der Druckluftförderung des Kompressors
i geht durch eine Verbrennungskammer 4 und dann zu einer Turbine 5, welche die äußere
Nutzleistung durch Antrieb der Belastung 6 liefert, die ein elektrischer Generator
eines Schiffsantriebssystems sein kann. Die Auspuffgase der beiden Turbinen gehen
durch einen Wärmeaustauscher 7, welcher die Temperatur der von dem Kompressor i
geförderten Luft erhöht, bevor sie zu den Verbrennungskammern 3 und geht. Ein normalerweise
ganz geöffnetes Drosselventil 9 und ein normalerweise geschlossenes Dekompressionsventil
$ sind an den dargestellten Stellen eingeschaltet, wobei das Ventil 9 in dem zu
der Verbrennungskammer 4 führenden Zweig der Förderleitung des Kompressors i und
das Ventil 8 an derselben Leitung vor dem Ventil 9 abgezweigt ist. Es ist ein Handrad
oder ein einziger Hebel 16 für die Handbetätigung vorgesehen, welcher über die Nockenwelle
17 und die Nocken 3¢, da, Ventile 3b, 4b in der Brennstoffleitung 18 in der Weise
betätigt, daß die Brennstoffbeschick ung der beiden Verbrennungskammern 3 und 4
in einem reziproken
Verhältnis, das später näher erläutert wird,
vermindert wird.
-
Das Dekompressionsventil 8 und das Drosselventil 9 werden ebenfalls
durch den gleichen Hebel 16 mittels der Nocken 811 und 9a betätigt. An Stelle eines
Handrades oder Handhebels kann man jede bekannte Bauart eines hydraulischen oder
pneumatischen Steuerantriebes oder eines auf mechanischem oder elektrischem Wege
betätigten (nicht dargestellten) Getriebes verwenden.
-
In der Brennstoffleitung zu der Verbrennungskammer 3 ist ein durch
eine thermostatische Kapsel 20 betätigtes Ventil i9 eingeschaltet, das durch eine
Leitung 21 mit der Leitung verbunden ist, welche die Verbrennungskammer 3 mit der
Turbine des Kompressors i verbindet.
-
Es ist klar, daß die Kapsel 2o durch irgendeine andere bekannte Einrichtung
ersetzt «erden könnte, die auf Druck oder Temperatur anspricht.
-
" Die Arbeitsweise der in Fig. i gezeigten Anord.-iiung wird im folgenden
an Hand der Diagramme der Fig. 2 und 3 erläutert.
-
In Fig.2 ist die strichpunktierte Linie A-0 die Grenzlinie
für den stabilen Betrieb des Kompressors und die Linien A-C, B-D und E-F stellen
je eine Charakteristik für konstante Drehzahl des Kompressors dar. Die Linien G-H
und J-K sind Linien für konstante Temperaturen am Einlaß der Turbine 2 des Kompressors,
die durch Untersuchung bestimmt werden können. Die Linie G-H stellt eine höhere
Temperatur dar als die Linie J-K. In Fig. 3 sind die Linien L-11?, NO und
PQ Linien für konstante Temperaturen am Einlaß der Leistungsturbine 5; wobei die
Linie L-117 diejenige der höchsten Temperatur ist. Die Linien R-S, T- U und
V- W
sind - Linien konstanter Leistungsabgabe. Die Punkte X in Fig. 2 und
X' in Fig. 3 bezeichnen den Betriebszustand, für welchen die Anlage gebaut ist.
-
Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß zur Aufrechterhaltung eines stabilen
Betriebes bei verminderten Leistungen verhindert werden muß, daß die Einlaßtemperatur
der Turbine a des Kompressors mehr als sehr wenig unter die konstante Temperatur
absinkt, die durch die Linie G-H dargestellt wird, «-elche von der- Pumpgrenzlinie
A-0 entfernt ist. Um sicher zu geben, daß .die Pumplinie A-0 nicht
in Richtung auf die Linie J-K für niedrigere Temperatur überschritten wird, die
schon -in dem unstabilen Pumpbetriebszuständ liegt, wird diese Einlaßtemperatur
konstant gehalten oder sogar etwas erhöht, wenn die Leistung vermindert wird. Offensichtlich
müssen übermäßig- hohe Temperaturen vermieden werden. Man erreicht dieses Ziel bei
Tier dargestellten Anlage, wenn man die Leistungsabgabe der Leistungsturbine vermindert,
indem man zunächst nur die Einlaßtemperatur an der Leistungsturbine 5 vermindert
und gleichzeitig die Brennstoffbeschickung. der Verbrennungskammer 3 -der Kompressorturbine
2 nur soviel herabsetzt, wie nötig ist, um die Einlaßtemperatur der Kompressorturbine
2 annähernd konstant zu halten oder ihre Erhöhung nur um einen so kleinen Wert zuzulassen,
wie zulässig ist: Dieser Vorgang dauert an, bis die Brennstoffbeschickung der Verbrennungskammer
d. annähernd auf Null vermindert wurde. Die Arbeitsweise der Antriebsturbine a während
dieses Vorganges wird durch den Bereich X-Y auf der isothermischen Linie G-H in
Fig.2, die wie oben erwähnt, die Arbeitsweise des Kompressors i und seiner Antriebsturbine
2 darstellt, bei verschiedenen Betriebszuständen und durch die Linie X'-Y' in Fig.3
wiedergegeben. Die letztere stellt die Verminderung der Leistungsabgabe der Leistungsturbine
5 von der Leistung RS, für welche die Anlage bestimmt ist, auf eine niedrigere Leistung
(zwischen den Linien T- U und h- W) dar, und gleichzeitig die Verminderung
der Einlaßtemperatur an der Leistungsturbine von der Isotherme LM auf eine
niedrigere Temperatur (zwischen den Isothermen NO und PQ). Die Punkte
Y und Y' stellen den Betriebszustand dar, bei welchem in die Verbrennungskammer
q. der Leistungsturbine 5 kein Brennstoff eingelassen wird.
-
Die Turbine 5 wird dann mit Luft gespeist; die von dem Kompressor
i adiabatisch verdichtet und in dem W ärmeaustauscher 7 durch die Auspuffgase der
Turbine z erwärmt wurde, und ihre Leistungsabgabe beträgt annähernd 2o °lo der ganzen
Leistung: Eine weitere Verminderung der Leistungsabgabe der Leistungsturbine 5 wird
vorgenommen, indem man die Einlaßtemperatur an der Kompressorturbine 2 so weit vermindert,
bis ein Punkt erreicht wird, wo jede weitere Verminderung die Gefahr des Pumpens
für den Kompressor i in sich schließen würde. Die Linien Y-Z und Y'-Z' stellen den
entsprechenden Betriebszustand der Anlage dar. Wie ersichtlich, liegt der Punkt
Z sehr nahe an der Pumplinie des Kompressors i und muß als Grenze gewählt werden,
die nicht überschritten werden darf.
-
Die letzte Verminderung der Leistungsabgabe der Leistungsturbine wird
vorgenommen, indem man gleichzeitig das Dekompressionsventil 8 öffnet und das Drosselventil
9 schließt, wobei diese Ventile allmählich geöffnet bzw. geschlossen werden, bis
man die Belastung Null erreicht, wenn das Dekompressionsventil fast vollständig
geöffnet und das Drosselventil vollständig geschlossen ist, falls die Turbine 5
im Leerlauf weiterlaufen soll, oder aber vollständig geöffnet bzw. -geschlossen
ist, falls die Turbine 5 ganz stillgesetzt werden soll.
-
Wenn die Ventile 8 und 9 in den in Fig. i angezeigten Stellen angeordnet
sind, d. h. vor der Verbrennungskammer q., sind sie nur der verhältnismäßig niedrigen
Temperatur der aus dem Wärmeaustauscher 7 austretenden und in die Verbrennungskammern
3 und q. eintretenden Gase ausgesetzt.
-
Für den Betrieb der Anlage zwischen den Punkten X, Y und X',
Y' der Fig. 2 und 3 kann die Brennstoffbeschickung der beiden Verbrennungskammern
3 und q. gleichzeitig geregelt werden, indem man die Ventile 3b und .ab mit Hilfe
der Nocken 3a und q,a während des ganzen Betriebes unter die Kontrolle des Hebels
16 bringt.
-
In anderer Weise kann jedoch das Ventil 3b vollständig geöffnet bleiben
und die Brennstoffbeschikkung der Verbrennungskammer 3 in Abhängigkeit
von
der Temperatur und dem Einlaßdruck der Turbine 2 durch die thermostatische Einrichtung
gesteuert werden, welche das Ventil ig und die Kapsel 2o der obenerwähnten, abgeänderten
Anordnung umfaßt. Der Druck und die Temperatur in der Leitung 21 steigen mit der
wachsenden Einlaßtemperatur der Turbine 2 und bewirken, daß sich die Kapsel 2o ausdehnt
und der Brennstoffdurchlaß durch das Ventil ig beschränkt wird.
-
Für den Betrieb der Anlage zwischen den Punkten Y, Z und Z' überwacht
der Hebel 16 in jedem Fall die Speisung der Verbrennungskammer 3 und verschließt
diejenige der Verbrennungskammer ¢ mit Hilfe der Nocken 3a und 4a- und der Ventile
3b und 4b.
-
Gemäß Fig. i a fördert der Kompressor i seine verdichtete Luft durch
eine Verbrennungskammer 4 in die Turbine 5, die die äußere Nutzleistung durch Antrieb
der Belastung 6 liefert. Diese Belastung kann z. B. durch den Generator eines elektrischen
Schiffsantriebssystems gebildet werden. Die Auspuffgase der Turbine 5 gehen durch
die andere Verbrennungskammer 3 in die Turbine 2, die mechanisch als Antrieb des.
Kompressors i gekuppelt ist. Ein Anlaufmotor io ist ebenfalls mit dem Kompressor
i und mit der Turbine 2 gekuppelt. Die Auspuffgase der Turbine 2 gehen durch einen
Wärmeaustauscher 7, welcher die Temperatur der von dem Kompressor i geförderten
Luft erhöht, bevor diese Luft in die Verbrennungskammer 4 geht. Ein Drosselventil
g, das normalerweise ganz geöffnet ist, und ein normalerweise geschlossenes Dekompressionsv
entil 8 sind an den dargestellten Stellen zwischen dem Kompressor i und der Verbrennungskammer
4 angeordnet. Ein Abzweigventil i i, das normalerweise geschlossen ist, ist in einem
Kanal angeordnet, der von dem Kompressor i abgezweigt ist und direkt zu der Verbrennungskammer
3 führt. Der einzige Betätigungshebel 16 betätigt eine Nockenwelle 17 mit Nocken
11",-8a, 9a, 4a und 3a zur Betätigung des Abzweigventils i i, des Dekompressionsventils
8, des Drosselventils g sowie der Brennstoffventile 4b und 3b, welche die Brennstoffbeschickung
der Speiseleitung i8 zu den Verbrennungskammern 4 und 3 steuern.
-
-In Fig. 2 a ist die strichpunktierte Linie A- O die Pumpgrenzlinie
des Kompressors i und die Linien A-C, B-D und E-F sind je eine Charakteristik für
konstante Drehzahl des Kompressors. Die Linien G-H und 7-K sind Linien konstanter
Einlaßtemperatur für die Turbine 2 des Kompressors, die durch Untersuchung bestimmt
werden können. Die Linie G-H stellt eine höhere Temperatur dar als die Linie I-K.
Der Punkt X bezeichnet den Betriebszustand, für welchen die Anlage bestimmt
ist, und die Punkte Y und Z stellen Betriebszustände mit verminderter Leistung dar.
Die Punkte X', Y', Z' in dem Diagramm der Fig. 3 a stellen die entsprechenden Betriebszustände
für die Leistungsturbine 5 dar. Die Linien X-Y-Z und X'-Y'-Z' wurden "durch Untersuchung
bestimmt.
-
Um in dem gesamten Betriebsbereich während der Leistungsverminderung
bis auf Null im Abstand von der Pumplinie A- O zu bleiben, wird die Drennstoffbeschickung
zu den beiden Verbrennungskammern in folgender Weise geregelt: Während des durch
die Linie X-Y in Fig. 2 a und durch die Linie X'-Y in Fig. 3 a dargestellten Betriebes
wird der Brennstoff im wesentlichen nur der Verbrennungskammer 4 der Leistungsturbine
zugeführt, wobei die Brennstoffmenge allmählich vermindert wird, wenn die Betriebsverhältnisse
sich von denjenigen, die durch die Punkte X und X'
dargestellt sind,
in Richtung auf die durch die Punkte Y und Y' dargestellten, entfernen.
-
Dadurch wird zunächst die Einlaßtemperatur an der Leistungsturbine
5 vermindert, was eine Verminderung des Druckverhältnisses p2 : p1 jeder
der in Reihe geschalteten Turbinen 2 und 5 zur Folge hat, und daraus ergibt sich
eine Verminderung des Temperaturverlustes in der Leistungsturbine 5. In Verbindung
mit der verminderten Einlaßtemperatur bewirkt dies, daß die Ausgangstemperatur der
Leistungsturbine 5, welche die Einlaßtemperatur der in Reihe mit der Turbine 5 liegenden
Turbine 2 ist, annähernd konstant bleibt.
-
Wie ersichtlich, ist demnach die Linie X-Y in Fig. 2 a, welche die
Temperatur am Eintritt der Turbine 2 darstellt, annähernd parallel zu den Linien
G-H und I-K, und sie ist daher selbst eine Isötherme.
-
Wenn die Punkte Y und Y' bei etwa 3/s der vollen Leistungsabgabe
der Leistungsturbine 5 erreicht werden, beginnt die Brennstoffbeschickung der Verbrennungskammer
3 der Turbine des Kompressors. Bei dem durch die Linie Y-Z in Fig. 2 a und Y'-Z'
ift Fig. 3 a dargestellten Betriebszustand wird die Brennstoffbeschickung der Verbrennungskammer
3 der Turbine des Kompressors allmählich erhöht, während diejenige der Verbrennungskammer
4 der Leistungsturbine allmählich vermindert wird. Die Punkte Z und Z' stellen die
Verhältnisse dar, die vorhanden sind, wenn die Brennstoffbeschickung der Verbrennungskammer
4 der Leistungsturbine annähernd auf Null vermindert wurde. Nach Überschreiten der
Punkte Z und Z' wird eine weitere Leistungsverminderung durch allmähliche Verminderung
der Brennstoffbeschickung der Verbrennungskammer 3 der Turbine des Kompressors vorgenommen,
bis die Betriebsverhültnisse sich der Pumpgrenzlinie des Kompressors zu weit nähern.
Eine weitere Verminderung der Belastung wird dann vorgenommen, indem man das Drosselventil
g allmählich schließt und das Dekompressionsventil 8 oder das Abzweigventil i 1
mit Hilfe des Hebels 16 öffnet.
-
Bei der an Hand der Figuren beschriebenen Anlage wird die Brennstoffbeschickung
der Brennstoffkammer der Leistungsturbine unter gewissen Betriebsbedingungen vollständig
unterbrochen. Inder Praxis wird man es vorziehen, eine geringe Brennstoffbeschickung
jeder Verbrennungskammer zu allen Zeiten aufrechtzuerhalten, um keine neue Zündung
erforderlich zu machen, wenn die Betriebsverhältnisse sich ändern. Eine derartige
geringe Beschickung hat jedoch auf die charakteristischen,
Eigenschaften
der Anlage keinen wesentlichen Einfluß.