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Regelanordnung an Gasturbinenanlagen.
Unter einer Gasturbinenanlage mit vorgeschaltetem Brennkraftumformer soll ein solcher Maschinensatz verstanden werden, der aus einer mit einem Kompressor gekuppelten Brennkraftmaschine und einer Gasturbine besteht, wobei die Gasturbine die von der Brennkraftmaschine gelieferten Treibgase verarbeitet. Die Nutzarbeit wird im wesentlichen nur von der Gasturbine geleistet, während die Brennkraftmaschine im wesentlichen nur den Kompressor antreibt und die von ihm geförderte Luft aufnimmt. Die einen Luftüberschuss aufweisenden Verbrennungsgase der Brennkraftmaschine werden als Treibgase an die Gasturbine abgegeben.
Der Arbeitsvorgang möge an Hand der schematischen Darstellung in Fig. 1 erläutert werden. Der Linienzug A, jP, C, jP umschliesst das Diagramm eines Dieselprozesses, wenn angenommen wird, dass die Verbrennungsgase bis auf den Atmosphärendruck herunterexpandieren, wie es ja in Turbinen möglich ist. Von diesem Diagramm verarbeitet die Brennkraft- maschine nur den obern Teil bis zur Horizontalen a-a, nämlich das Diagramm D, B, G, H.
Wie durch gleiche Schraffur angedeutet ist, ist dieses Diagramm inhaltsgleich dem Kompressordiagramm A, 0, F, D, wenn man von Verlusten bei der Umsetzang absieht. Hienach ist also die Brennkraftmaschine in der Lage, einen Kompressor anzutreiben, der die Fördermenge F, D liefert, d. h. geradesoviel als nötig ist, um den Brennkraftzylinder wieder mit Frischluf aufzuladen. Wird etwa noch ein Überschuss an Luft verlangt, z. B. wegen besseren Ausspülens des Brennkraftzylinders, so müsste die Trennungslinie a-a tiefergelegt werden, weil die Kompressionsarbeit grösser geworden ist und einen grösseren Teil des Dieseldiagramms verlangt.
Die Arbeitsweise einer solchen Maschinenkombination ist bei Anwendung des Zweitaktverfahrens folgende :
Im Punkte D beginnt die Kompression des im Dieselzylinder eingeschlossenen Luft. volumens F, D und sie endet im Punkte B. Jetzt wird in bekannter Weise Brennstoff eingespritzt, und nach einer gewissen Gleichdruckperiode erfolgt die Expansion bis zum Punkt < ?, wo der Auslass öffnet. Der Druck sinkt schnell ab bis zum Gegendruck pi der Dieselmaschine.
Es wird der Punkt H auf der Linie a-a erreicht und nun öffnen Einlassschlitze, die durch den Kolben gesteuert werden. Während der Kolben sich von H bis zum Totpunkt J hin und wieder zurückbewegt, strömt das von dem Kompressor geförderte Luftvolumen F, D durch die Einströmschlitze in den Dieselzylinder ein und verdrängt ein gleich grosses Volumen heisser Gase in die Treibgasleitung, die zur Gasturbine führt. Nach Wiederabschluss der Einlassschlitze im Punkt H schiebt der Kolben noch das restliche Volumen heisser Gase in die Treibgasleitung aus, bis im Punkte D der Auslass schliesst und die Kompression von neuem beginnt.
Diese Arbeitsweise stellt also gewissermassen einen Umwandlungsprozess dar, mit dem Ergebnis, dass ein Treibgasvolumen F, E vom Drucke pl an die Gasturbine geliefert wird und eine Nutzarbeit zu leisten vermag, die durch das Diagramm 0, F, E, K bestimmt ist. Die aus Dieselmaschine und Kompressor bestehende Maschinenanlage kann daher kurz als Brenn-
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kraftumformer bezeichnet werden, da sie nur Energien umformt ; selbst aber keine Nutzarbeit, wenigstens keine nennenswerte, zu leisten hat.
Für einen solchen aus Brennkraftumformer und Gasturbine bestehenden Maschinensatz muss eine ganze Reihe neuartiger Regelanordnungen geschaffen werden, von denen die erste erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet ist, dass bei Änderungen der Gasturbinenbelastung Brennstoff-oder Luftzufuhr zum Brennkraftumformer oder beide in Abhängigkeit von der Turbinenbelastung so eingeregelt werden, dass der Treibgasdruck Pi sich mit der Turbinenbelastung im gleichen Sinne ändert. Hiebei kann der von der Turbinenbelastung ausgehende Impuls, z. B. gegeben durch den Drehzahlregler der Turbine, entweder gleichzeitig auf die Brennstoffund Luftzufuhr einwirken (Parallelschaltung), oder der Impuls wirkt nur auf die eine der beiden Zufuhren, und die andere wird in Abhängigkeit von dem Ergebnis der ersten Einwirkung, z. B. vom Treibgasdruck, geregelt (Hintereinanderschaltung).
Ein Ausführungsbeispiel für diese und die noch folgende Regelanordnung ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Der Brennkraftumformer 1 enthält einen Stufenkolben, dessen oberer Teil 2 aus dem Dieselzylinder 3 und dessen unterer Teil 4 zu dem Kompressorzylinder 5 gehört. Der Stufenkolben ist in seiner oberen Totlage gezeichnet, in der gerade Brennstoff durch das gesteuerte Einlassventil 6 eingespritzt wird, unter Einwirkung der Verbrennung und nachfolgenden Expansion bewegt sich der Kolben abwärts. Bevor er seine untere Totlage erreicht, wird zunächst das gesteuerte Auslassventil 7 geöffnet, das als entlastetes Kolbenventil ausgebildet ist und den Austritt in die Treibgasleitung 8 freigibt.
Darauf öffnet der Kolben die Einstromschlitze ; Frischluft strömt aus dem Raum 9 in den Dieselzylinder ein und schiebt aus ihm die heissen Gase in die Treibgasleitung, bis der Kolben bei seinem Aufwärtsgang die Einströmschlitze wieder abschliesst. Der Raum 9 dient als Sammelbehälter für die von mehreren Brennkraftumformern geförderte Luft, die auf derselben Kurbelwelle, versetzt zueinander, angeordnet zu denken sind. Nach Abschluss der Einströmselilitze schiebt der Kolben allein die restlichen Gase aus, bis das Auslassventil 7 zwangläufig geschlossen wird. Auf dem letzten Teil seines Aufwärtsganges wird die in den Dieselzylinder eingeschlossene Frischluft komprimiert und ein neues Arbeitsspiel beginnt.
Während dieses Kolbenspiels wird gleichzeitig durch den Kompressorkolben 4 Frischluft aus dem Sammelraum 10 durch die Saugventile 11 eingesaugt und durch die Druckventile 12 in den Sammelraum 9 gedrückt.
Die vom Brennkraftumformer gelieferten heissen Treibgase strömen durch die Leitung 8 in einen Sammelraum 75, an den auch die ändern Brennkraftumformer angeschlossen sind, und von da zur Gasturbine, die beispielsweise aus zwei Stufen bestehen kann. Die erste Tur-
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fliegend angeordnet zu denken und wird durch den Treibgasstrom beaufschlagt, nachdem er in Expansionsdüse auf eine hohe Geschwindigkeit gebracht und dadurch so weit abgekühlt ist, dass die Turbine selbst nisht mehr gefährdet ist. Durch die Leitung 15 strömen die Treibgase in die zweite Turbinenstufe 16, die als Überdruckstufe ausgebildet sein kann und die Restenergie der Treibgase ausnutzt. Mit der Gasturbine ist ein Generator 17 gekuppelt.
Der auf der Turbinenwelle 14 angeordnete Drehzahlregler 18 wirkt erfindungsgemäss auf die Brennstoffzufuhr zum Brennkraftumformer ein, z. B. in der Weise, dass er iiber das Gestänge 19, 20, 21 einen schrägen Nocken 22 verschiebt. Dieser Nocken sitzt fest auf einer Hülse 23 die auf der durch Schraubenräder 25, 26, 21 angetriebenen Steuerwelle 24 längsverschiebbar angeordnet ist und durch den Hebel 21 verstellt werden kann. Je nach der Stellung des schrägen Nockens wird das Brennstoffventil 6, das über den Hebel 28 durch den Nocken 22 gesteuert wird, je nach der Turbinenbelastung früher oder später geschlossen.
Sinkt beispielsweise die Belastung, so wirkt der Drehzahlregler auf früheres Schliessen des Brennstoffventils, und es wird weniger Brennstoff in den Dieselzylinder eingespritzt. Die Folge ist, wie ein Blick auf das Diagramm, Fig. 1 lehrt, dass der schraffierte Hochdruckteil des Diagramms kleiner wird, d. h. die Dieselmaschinenarbeit reicht nicht mehr aus, die Kompressorarbeit bei gleichbleibendem Druck pi zu decken. Infolgedessen wird die Drehzahl des Brennkraftumformers sinken.
Wenn nun der Durchströmquerschnitt der Expansionsdüsen vor der Gasturbine 13 unverändert gehalten wird, muss bei sinkender Drehzahl des Brennkraftumformers, also bei Verringerung des Treibgasvolumens, auch der Druck Pi sinken bis ein neuer Gleichgewichtszustand erreicht ist, bei dem beide schraffierten Diagrammteile der Fig. 1 zwar kleiner, aber wieder inhaltsgleich geworden sind.
Hand in Hand mit der Brennstoffregelung erfolgt die Luftregelung, u. zw. ist in der Darstellung nach Fig. 2 nicht der Fall gezeichnet, bei dem die Luftzufuhr gemeinsam mit der Brennstoffzufuhr von demselben Drehzahlregler der Turbine geregelt wird (Parallelschaltung), sondern bei dem die Luftregelung der Brennstoffregelung nachgeschaltet ist (Hintereinanderschaltung). Der Impuls für die Luftregelung kann dann entweder von einem auf der Kurbelwelle des Brennstoffreglers angeordneten Zentrifugalregler mit grossem Ungleichförmigkeitsgrad
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abgenommen werden oder, wie die Fig. 2 zeigt, von den Änderungen des Treibgasdruckes i, wozu die Impulsleitung 29 dient.
Bevor auf die Luftregelung weiter eingegangen wird, soll zunächst eine Modifikation besprochen werden, die an der bisher besprochenen Kompressoranlage vorgenommen wird und in Fig. 2 eingetragen ist.
Während bisher nur von einer einzigen Kompressionsstufe die Rede war, indem gemäss Fig. 1 der Kompressor vom Atmosphärendruck auf den Treibgasdruck P1 förderte, soll jetzt dem eigentlichen Kompressor noch eine Stufe vorgeschaltet werden. Dies hat den Vorteil, dass der Kolbenkompressor 5 erheblich kleinere Abmessungen bekommt, weil schon eine geringe Vorverdichtung des Ansaugevolumens des Kompressors ganz erheblich reduziert. Die Vorverdichtung kann dann zweckmässig in einem besonders angetriebenen Kreiselverdichter vorgenommen werden, der für grosse Volumina wirtschaftlicher zu bauen ist. Das Diagramm der Fig. 1 geht dann in das Diagramm der Fig. 3 über, in welchem der Vorverdichtungsdruck mit pa bezeichnet ist. Die erhebliche Verringerung des Ansaugevolumens des Kolbenkompressors ist deutlich zu erkennen.
Der in Fig. 2 eingezeichnete Vorverdichter 30 saugt die Frischluft aus der Atmosphäre durch die Leitung 31 an und drückt sie durch die Leitung 32 zunächst in einen Behälter 33 und von dort durch die Leitung 34 in den vorher schon genannten Sammelraum 10, von wo aus sie den einzelnen Kolbenkompressoren zugeführt wird.
Der Vorverdichter 30 kann in verschiedener Weise angetrieben werden, entweder durch den Brennkraftumformer mittels eines Zahngetriebes oder durch die Gasturbine, indem er von deren Welle direkt oder mittels Zahnradübersetzung zur Erzielung besonders hoher Drehzahl angetrieben wird, oder er erhält, wie in Fig. 2 gezeigt, eine besondere Antriebsturbine 35, die mit Treibgas aus einer Zwischenstufe der Hauptturbine 13, 16 gespeist wird. Zu dem Zweck ist von der Leitung 15 die Leitung 36 abgezweigt. Die Abgase entweichen durch die Leitung 37 in den Abgaskessel 38, in den auch die Abgasleitung 39 der Hauptturbine einmündet. Durch die gemeinsame Abgasleitung 40 strömen die Gase ins Freie.
Es ist selbstverständlich auch möglich, die Nebenturbine 35 an eine andere Zwischenstufe anzuschalten oder sie der Hauptturbine 16 nachzuschalten, wo bei dann die Treibgase in der Hauptturbine nur bis auf einen bestimmten Gegendruck expandieren.
Nach diesen Erläuterungen kann die Luftregelung weiterbehandelt werden, Erfindunggemäss erfolgt sie in der Weise, dass der Vorverdichtungsdruck P2 eingeregelt wird, u. zw. zweckmässig nach dem Treibgasdruck P1 so, dass das Verhältnis beider Drücke, gemessen in Atmo- sphärenüberdruck, im wesentlichen Konstant bleibt.
Die Vorrichtung dazu ist in Fig. 2 schematisch dargestellt, indem ein Taktgeber 41 angeordnet wird, der zwei durch je eine Membran 42, 43 abgeschlossene Druckräume 44, 45 enthält. Die Membranen sind durch eine Stange 46 miteinander verbunden und spielen sich unter dem Einfluss der beiden Druckfedern 47,48 in eine Gleichgewichtslage ein. Die Stange 46 ist mit dem Hebel 49 verbunden, der in bekannter Weise die Hilfssteuerung 50 eines durch Drucköl betriebenen Servomotors 51 betätigt. Befindet sich der Taktgeber 41 in der Gleichgewichtslage, so steht die Hilfssteuerung 50 so, dass der Ölzu-und-abfluss des Servomotors verschlossen ist und der Servomotorkolben feststeht.
Die beiden Druckräume 44 und 45 des Taktgebers werden durch die Leitungen 29 und 52 an die Treibgasleitung 75 bzw. an den Druckraum 10 des Vorverdichters angeschlossen. Werden nun die wirksamen Druckflächen der beiden Membranen 43, 42 so bemessen, dass ihr Flächenverhältnis gleich dem gewünschten konstant zu haltenden Druckverhältnis P1 : P2 ist, so bleibt der Taktgeber solange in der Gleichgewichtslage, als das Druckverhältnis sich nicht ändert. Ändert sich dagegen der eine Druck, z. B. der Treibgasdruck P1, indem er sinkt, so wird das Gleichgewicht des Taktgebers gestört. Die Stange 46 verschiebt sich aufwärts und schiebt die Hilfssteuerung 50 ebenfalls aufwärts. Die Folge ist eine Verschiebung des Servomotorkolbens abwärts.
Da mit dem Servomotorkolben das Ventil 53 gekuppelt ist, wird das Ventil 53 ebenfalls abwärts bewegt und lässt durch die grösser gewordene Ventilöffnung mehr Luft aus dem Behälter 33 ins Freit treten. Dadurch sinkt der Förderdruck des Vorverdichters, u. zw, so weit, bis der Taktgeber seine Gleichgewichtslage wieder erreicht hat, d. h. bis das alte Druckverhältnis : wieder hergestellt ist. Anstatt die überschüssige Luft durch die Leitung 54 ins Freie treten zu lassen, kann man sie auch in der Ansaugleitung des Vorverdichters zurückströmen lassen. oder man verlegt das Regelventil 53 in die Ansaugleitung des Vorverdichters und drosselt die Ansaugluft.
Die beschriebene Vorrichtung zur Luftregelung ist besonders in dem Falle zweckmässig, wenn der Vorverdichter 30 mit der Hauptturbine 13, 16 gekuppelt ist und bis zum Leerlauf herunter mit derselben Drehzahl läuft. In dem Falle, wie er in der Fig. 2 dargestellt ist, wird die Drehzahl der Antriebsturbine 35 des Vorverdichters sich mit fallendem Treibgasdruck von
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Füllung gleiche Vorausstromung und veränderlicher Ausschub tritt. Man erkennt aus Fig. 4, dass die Kompressionslinie höher liegt, als wenn der Punkt D'nicht nach rechts verschoben, sondern senkrecht unter D liegen geblieben wäre.
Ein Ausfuhrungsbeispiel dieses Erssndungsgedankens ist in Fig. 2 schematisch eingezeichnet.
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in bekannter Weise durch die Steuerwelle 24 angetrieben wird und auf ihr axial verschiebbar angeordnet ist. Die Verschiebung des Nockens erfolgt unter der Einwirkung des Treibgasdruckes, indem dieser durch die Impulsleitung 65 unter den federbelasteten Kolben 66 geleitet wird, der über den Hebel 67 an der Nockenscheibe angreift. Mit sinkendem Treibgasdruck wird die Nockenscheibe nach abwärts geschoben und bietet dem Hebel 63 eine kürzere Nockenbahn, d. h. das Auslassventil 7 schliesst früher.
Wenn die Hauptregelung des ganzen Maschinensatzes in der vorgeschlagenen Weise vorgenommen wird. dass der Tl1l'binenregler primär auf die Brennstoffzufuhr der Dieselmaschine zurückwirkt, so ist bei dem verhältnismässig langen Wege zwischen der Impulsgabe und ihrer Auswirkung auf die der Turbine zuzuführende Treibgasenergie eine Verzögerung nicht ausgeschlossen, besonders, wenn die Belastungsänderungen sehr plötzlich auftreten. In einem solchen Falle wird zur Unterstützung der normalen Regelung erfindungsgemäss eine Zusatzregelung vorgesehen. die z.
B. ausgelöst durch einen bekannten Beharrnngsregler, bei starker Entlastung die der Gasturbine zuströmende Treibgasmenge nur so lange verringert, bei starker Belastung dagegen die Energie des Treibgasstromes so lange erhöht, bis der von der Brennkraftmaschine gelieferte Treibgasstrom auf den neuen Gleichgewichtszustand eingeregelt ist.
In einem Ausführungsbeispiel, das auch wieder ganz schematisch in Fig. 2 dargestellt ist, ist der Turbinenregler 18 bzw. ein besonderer Beharrungsregler durch die Stange 68 mit einer Vorrichtung 69 verbunden, die so ausgebildet ist. dass sie unwirksam bleibt, solange der Turbinenregler langsame Bewegungen macht. Erst wenn der Turbinenregler infolge plötzlicher Belastungsstösse schnelle Bewegungen ausführt, verschiebt sich die Vorrichtung aufwärts oder abwärts, um nach kurzer Zeit wieder in ihre Gleichgewichtslage zurückzukehren, sobald der neue Belastungszustand sich eingespielt hat. Wenn nun z.
B. bei einer plötzlichen Belastungszunahme die Hülse des Reglers 18 sinkt. wird die als Ölkatarakt gezeichnete Vorrichtung 69 etwas abwärts bewegt, und öffnet über dem Hebel 70 das Brennstoffventil 71, so dass zusätzlicher Brennstoff in den Treibgasstrom, eingeführt wird, wodurch die Treibgasenergie sich erhöht. Inzwischen kommt die Hauptregelung nach, die Vorrichtung geht wieder in den Gleichgewichtszustand zurück und schliesst das Brennstoffventil 71 wieder. Tritt umgekehrt eine plötzliche Belastungsabnahme auf, so schiebt sich die Vorrichtung 69 ein wenig aufwärts und öffnet das Ventil 72, damit Treibgase durch die Leitung 73 ins Freie strömen können, also der Turbine entzogen werden.
Inzwischen kommt die Hauptregelung nach und die in ihre Gleichgewichtslage zurückgehende Vorrichtung 69 bringt das Ventil 72 wieder zum Abschluss.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Regelanordnung an Gasturbinenanlagen, bei denen eine mit einem Verdichter gekuppelte Brennkraftmaschine als Brennkraftumformer und Treibgaserzeuger wirkt, dadurch gekenn- zeichnet. dass bei Änderung der Turbinenbelastung Brennstoff-oder Luftzufuhr zum Brennkraftumformer oder beide in Abhängigkeit von der Turbinenbelastung so eingeregelt werden, dass der Treibgasdruck sich mit der Turbinenbelastung im gleichen Sinne ändert.