DE1295273B - Compensation device for several gas turbine systems working in parallel - Google Patents

Description

Die Hauptpatentanmeldung betrifft eine Ausgleichsvorrichtung für mehrere parallel arbeitende Gasturbinenanlagen mit freier Arbeitsturbine und mit jeweils selbständiger, ein Regelventil enthaltender Brennstoffregelanlage, das durch einen von der Drehzahl und vom Verdichtungsdruck der Turbinenanlage abhängigen Steuerdruck eingestellt wird, wobei jede Turbinenanlage eine eigene Ausgleichsvorrichtung mit einem auf Druck ansprechenden Teil aufweist, der den Steuerdruck zusätzlich beeinftußt und der auf der einen Seite vom Verdichtungsdruck der eigenen Turbinenanlage und auf der anderen Seite vom höchsten Verdichtungsdruck aller parallel arbeitenden Turbinenanlagen beaufschlagt wird.The main patent application relates to a compensation device for several gas turbine systems operating in parallel with a free power turbine and each with independent fuel control system containing a control valve, which is controlled by a control pressure dependent on the speed and the compression pressure of the turbine system is set, with each turbine system having its own compensation device has a pressure-responsive part which additionally influences the control pressure and on the one hand from the compression pressure of your own turbine system and on the other hand, from the highest compression pressure of all those working in parallel Turbine systems is acted upon.

Dabei ergibt sich eine verhältnismäßig einfache Ausgleichsvorrichtung, da diese über nur eine Kenngröße den Steuerdruck zusätzlich beeinflußt und die Ausgleichsvorrichtung an die ohnehin vorhandenen Leitungen für den Verdichtungsdruck angeschlossen werden kann. Bei der Ausbildung der Ausgleichsvorrichtung gemäß dem Hauptpatent wird jedoch in Kauf genommen, daß die Steigung der Reglerkennlinien beim Lastausgleich verändert wird, so daß die Empfindlichkeit bzw. der Verstärkungsfaktor der Regelung verhindert wird.This results in a relatively simple compensation device, because this also influences the control pressure and the compensation device via just one parameter be connected to the already existing lines for the compression pressure can. In the design of the compensation device according to the main patent, however accepted that the gradient of the controller characteristics changes during load balancing so that the sensitivity or the gain factor of the control is prevented will.

Die vorliegende Erfindung bezweckt daher die Ausgleichsvorrichtung der eingangs geschilderten Art so auszubilden, daß das Regelverhalten bei der Lastaufteilung gleichbleibt und die Empfindlichkeit der Regler nicht verringert ist.The present invention therefore aims at the balancing device of the type described above so that the control behavior in the load sharing remains the same and the sensitivity of the controller is not reduced.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der auf Druck ansprechende Teil auf einen Hebel einwirkt, der in an sich bekannter Weise vom Drehzahlregler der Arbeitsturbine verstellbar ist und mittels eines Ablaßventils den Steuerdruck einstellt. Somit kann in einfacher und zweckmäßiger Weise die Ausgleichsvorrichtung jeweils an die ohnehin vorhandene Leitung für den Verdichtungsdruck angeschlossen werden und beeinflußt den Steuerdruck über das von dem Drehzahlregler der Arbeitsturbine betätigte Ablaßventil. Dadurch ist es möglich, die Reglerkennlinie bei der Lastaufteilung parallel zu verschieben, so daß Regelverhalten und Empfindlichkeit der Anlagen konstant bleiben.This object is achieved according to the invention in that the pressure appealing part acts on a lever, which in a known manner from the speed controller the power turbine is adjustable and the control pressure by means of a drain valve adjusts. Thus, in a simple and expedient manner, the compensation device each connected to the existing line for the compression pressure and influences the control pressure via that of the speed controller of the power turbine actuated drain valve. This makes it possible to use the controller characteristic when distributing the load move in parallel so that control behavior and sensitivity of the systems are constant stay.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung zweier Turbinenanlagen mit der erfindungsgemäßen Ausgleichsvorrichtung, F i g. 2 eine graphische Darstellung der Reglerkennlinien der Turbinenanlagen und F i g. 3 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Ausgleichsvorrichtung. Die beiden Turbinenanlagen 10 a und 10 b sind gleich, so daß die folgende Beschreibung für beide Anlagen gilt. Die Anlage 10 a besteht aus einem Gaserzeugerteil mit einem Verdichter 12 a, einer Brennkammer 14 a und einer Verdichterantriebsturbine 16 a, einem Lufteinlaßstutzen 18 a und einer Düse 20 a für den Brennstoff sowie aus einer Arbeitsturbine 22 a mit der Abtriebswelle 24 a und dem Gasauslaßstutzen 26 a.An embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawing. It shows F i g. 1 shows a schematic representation of two turbine systems with the compensating device according to the invention, FIG. 2 shows a graphic representation of the control characteristics of the turbine systems and FIG. 3 shows a schematic representation of another embodiment of the compensation device. The two turbine systems 10 a and 10 b are the same, so that the following description applies to both systems. The system 10 a consists of a gas generator part with a compressor 12 a, a combustion chamber 14 a and a compressor drive turbine 16 a, an air inlet connection 18 a and a nozzle 20 a for the fuel and a power turbine 22 a with the output shaft 24 a and the gas outlet connection 26 a.

Die Abtriebswellen 24 a, 24 b sind durch eine Einrichtung 28 gekuppelt. Der Brennstoff wird durch die Brennstoffleitung 30 a und ein Brennstoffregelventil 32 a zur Düse 20 a der Turbinenanlage 10 a geführt. Das Ventil 32 a wird über eine strichpunktiert dargestellte Verbindungseinrichtung 34 a von einer pneumatischen Regeleinrichtung 36 a gesteuert. Diese besteht aus einem Gehäuse 38 a, welches einen mit einer Endwand am unteren Ende des Gehäuses 38 a befestigten evakuierten Balg 40 a sowie einen größeren, auf dem Umfang an den Gehäuseseitenwänden befestigten offenen Balg 42 a enthält. Das Gehäuse wird so in eine erste Kammer 44 a und eine zweite Kammer 46 a unterteilt, die den Balg 40 a enthält. Die beweglichen Enden der Bälge 42 a und 40 a sind durch eine Stange 48 a miteinander verbunden, die dadurch von der Summe der auf die Bälge wirksamen Druckkräfte axial bewegt wird. Die Stange 48 a ist über die Einrichtung 34 a mit dem Brennstoffregelventil 32 a verbunden.The output shafts 24 a, 24 b are coupled by a device 28. The fuel is fed through the fuel line 30 a and a fuel control valve 32 a to the nozzle 20 a of the turbine system 10 a. The valve 32 a is controlled by a pneumatic control device 36 a via a connecting device 34 a shown in phantom. This consists of a housing 38 a which contains an evacuated bellows 40 a attached to one end wall at the lower end of the housing 38 a and a larger open bellows 42 a attached to the circumference of the housing side walls. The housing is divided into a first chamber 44 a and a second chamber 46 a, which contains the bellows 40 a. The movable ends of the bellows 42 a and 40 a are connected to one another by a rod 48 a, which is thereby moved axially by the sum of the compressive forces acting on the bellows. The rod 48 a is connected to the fuel control valve 32 a via the device 34 a.

Der Verdichtungsdruck wird durch eine Leitung 50 a von der Turbinenanlage 10 a auf die Kammer 46 a übertragen, in der er am Balg 40 a außen und am Balg 42 a innen wirkt. Dieser Verdichtungsdruck wird durch die Leitung 52 a über eine Drossel 54 a auch auf die Kammer 44 a übertragen. Mit dieser ist eine Leitung 56 a verbunden, die sich in zwei Schenkel 58 a und 60 a verzweigt, von denen jeder an einem von einem Regler gesteuerten Ablaßventil 62 a bzw. 64 a endet. Das Ventil 62 a wird durch einen Drehzahlgrenzregler 66 a gesteuert, welcher durch eine Verbindungseinrichtung 68 a proportional zur Drehzahl des Gaserzeugerteiles angetrieben wird. Der Regler 66 a öffnet das Ventil 62 a entgegen der Kraft einer Feder 70 a, wenn die Gaserzeugerdrehzahl einen vorher festgelegten Höchstsicherheitswert überschreitet. Das Ventil 64 a wird durch einen einstellbaren Fliehkraftregler 72 a gesteuert, dessen Welle 74 a durch die Welle 24 a der Nutzleistungsturbine 22 a angetrieben wird. Eine Reglermuffe 80 a wirkt auf einen drehbar gelagerten Hebel 82 a gegen die Kraft einer Feder 84 a ein, deren Vorspannung durch einen Hebel 86 a einstellbar ist, der vom Leistungswählhebel 90 a betätigt wird. Auf dem unteren Ende des Hebels 82 a ist eine Ventilplatte 88 a ausgebildet, die mit dem Ablaßventil 64 a zusammenwirkt. Je höher die Drehzahl der Arbeitsturbine 22 a, desto weiter offen ist das Ablaßventil 64 a.The compression pressure is transmitted through a line 50 a from the turbine system 10 a to the chamber 46 a, in which it acts on the bellows 40 a on the outside and on the bellows 42 a on the inside. This compression pressure is transmitted through the line 52 a via a throttle 54 a to the chamber 44 a. With this a line 56 a is connected, which branches into two legs 58 a and 60 a , each of which ends at a drain valve 62 a or 64 a controlled by a regulator. The valve 62 a is controlled by a speed limit controller 66 a, which is driven by a connecting device 68 a proportional to the speed of the gas generator part. The controller 66 a opens the valve 62 a against the force of a spring 70 a when the gas generator speed exceeds a predetermined maximum safety value. The valve 64 a is controlled by an adjustable centrifugal governor 72 a , the shaft 74 a of which is driven by the shaft 24 a of the power turbine 22 a. A regulator sleeve 80 a acts on a rotatably mounted lever 82 a against the force of a spring 84 a, the bias of which is adjustable by a lever 86 a, which is actuated by the power selector lever 90 a. On the lower end of the lever 82 a, a valve plate 88 a is formed, which cooperates with the drain valve 64 a. The higher the speed of the power turbine 22 a, the more open the drain valve 64 a.

Beim Hochfahren, wenn sich die Turbinen 16 a und 22 a unter ihrer Nenndrehzahl befinden, sind die beiden Ablaßventile 62 a und 64 a geschlossen. Dann ist an der Drossel 54 a keine Strömung vorhanden; demzufolge bildet sich kein Druckabfall aus, so daß der Druck in der Kammer 44 a gleich dem Druck in der Kammer 46 a ist und der Balg 42 a in Ruhelage ist. Wenn sich die Arbeitsturbine 22 a der gewählten Drehzahl nähert, dann drückt der Fliehkraftregler 72 a die Ventilplatte 88 a auf, so daß eine Strömung durch die Drosselstelle 54 a und ein Druckabfall an ihr entsteht, wodurch der Druck in der Kammer 44 a auf einen Wert unterhalb des in der Kammer 46 a vorhandenen Werts absinkt. Der abnehmende Druck in der Kammer 44 a hat zur Folge, daß der größere Balg 42 a das Ventil 32 a in Schließrichtung bewegt. Während der Verzögerung wird der Leistungswählhebel 90 a zurückgenommen und entspannt somit die Feder 84 a. Die Anlage befindet sich damit im Zustand einer Überdrehzahl, wobei die Ventilplatte 88 a sich in ihrer größtmöglichen Öffnungsstellung am Anschlag 92 a befindet. Dieses verursacht einen verhältnismäßig konstanten maximalen Druckunterschied am Balg 42 a, der zum Schließen des Ventils 32 a führt. Somit geht die Verzögerung im wesentlichen umgekehrt wie die Beschleunigung vor sich, abgesehen davon, daß sie bei einem bedeutend niedrigeren Brennstoffverbrauch stattfindet, was auf die verminderte Wirksamkeit des Balgs 40 a zurückzuführen ist.When starting up, when the turbines 16 a and 22 a are below their rated speed, the two drain valves 62 a and 64 a are closed. Then there is no flow at the throttle 54 a; consequently, there is no pressure drop, so that the pressure in the chamber 44 a is equal to the pressure in the chamber 46 a and the bellows 42 a is in the rest position. When the power turbine 22 a approaches the selected speed, then the centrifugal governor 72 a presses the valve plate 88 a , so that a flow through the throttle 54 a and a pressure drop occurs at it, whereby the pressure in the chamber 44 a to a value drops below the value present in the chamber 46 a. The decreasing pressure in the chamber 44 a has the consequence that the larger bellows 42 a moves the valve 32 a in the closing direction. During the delay, the power selector lever 90 a is withdrawn and thus relaxes the spring 84 a. The system is thus in the state of overspeed, the valve plate 88 a being in its greatest possible open position on the stop 92 a. This causes a relatively constant maximum pressure difference at the bellows 42 a, which leads to the closing of the valve 32 a. Thus, the deceleration is essentially the reverse of the acceleration, apart from the fact that it takes place at a significantly lower fuel consumption, which is due to the reduced effectiveness of the bellows 40 a.

Die Ausgleichsvorrichtung 96 a wirkt gleichsinnig mit der Feder 84 a zur Rückstellung des Reglers 72 a, d. h. im Sinn einer Drehzahlerhöhung, und besteht aus einem Gehäuse 98 a, einer federbelasteten Membran 100 a und einer Stange 102 a, die mit dem Hebel 82 a zusammenwirkt.The compensating device 96 a acts in the same direction as the spring 84 a to reset the controller 72 a, ie in the sense of an increase in speed, and consists of a housing 98 a, a spring-loaded membrane 100 a and a rod 102 a, which cooperates with the lever 82 a .

Die Betätigung der Membran 100 a gegen die Federkraft erfolgt durch den Verdichtungsdruck, der von der Leitung 50 a durch die Zweigleitungen 104 a und 106 a und die feste Drossel 108 a in das Gehäuse 98 a auf die linke Seite der Membran 100 a übertragen wird. Auf der rechten Seite der Membran 100 a wirkt der maximale Verdichtungsdruck, der in einer der Anlagen 10 a oder 10 b erzeugt und durch das Umschaltventil 110 über die Leitungen 112 und 114 herangeführt wird. Die Ventilplatte 116 verschließt jeweils das Ende der Leitungen 104 a oder 104 b, in welcher der geringere Druck ansteht.The actuation of the diaphragm 100 a against the spring force takes place through the compression pressure which is transmitted from the line 50 a through the branch lines 104 a and 106 a and the fixed throttle 108 a into the housing 98 a on the left side of the diaphragm 100 a. The maximum compression pressure, which is generated in one of the systems 10 a or 10 b and fed through the switching valve 110 via the lines 112 and 114 , acts on the right-hand side of the membrane 100 a. The valve plate 116 closes the end of the lines 104 a or 104 b, in which the lower pressure is applied.

Die Reglerkennlinien A und B für die Anlagen 10 a und 10 b sind in F i g. 2 dargestellt und infolge der Unterschiede zwischen den Anlagen und ihren Reglern verschieden geneigt. Bei einer Drehzahl N1 geben die Schnittpunkte der Senkrechten mit den Kennlinien A und B die ungleiche Lastverteilung an.The control characteristics A and B for the systems 10 a and 10 b are shown in FIG. 2 and inclined differently due to the differences between the systems and their controllers. At a speed of N1, the intersections of the vertical with the characteristic curves A and B indicate the unequal load distribution.

Durch die Ausgleichsvorrichtungen erfolgt nun eine Verschiebung der Reglerkennlinie A nach A' ohne Änderung der Neigung bzw. ohne Änderung der Empfindlichkeit. Da die Anlage 10 b den höheren Lastanteil und damit den größeren Verdichtungsdruck aufweist, wirkt dieser an der rechten Seite der Membran 100 a der Ausgleichsvorrichtung 98 a. Die Membran 100 a bewegt sich nach links und damit die Ventilplatte 88 a in Schließrichtung, so daß das Ventil 32 a weiter geöffnet wird, und der Lastanteil der Anlage 10 a vergrößert wird. Die Anlagen 22 a und 22 b nehmen eine neue Drehzahl N., an, bei welcher die Reglerkennlinien A' und B sich schneiden und jede Anlage einen gleichen Lastanteil übernimmt. Zur Einstellung auf die Drehzahl N1 werden die Leistungswählhebel 90 a, 90 b entsprechend neu eingestellt.The compensating devices now shift the control characteristic curve A to A ' without changing the inclination or without changing the sensitivity. Since the system 10 b has the higher load share and thus the greater compression pressure, this acts on the right side of the membrane 100 a of the compensating device 98 a. The membrane 100 a moves to the left and thus the valve plate 88 a in the closing direction, so that the valve 32 a is opened further, and the load portion of the system 10 a is increased. The systems 22 a and 22 b assume a new speed N., at which the control characteristics A ' and B intersect and each system takes on an equal load share. To set the speed N1, the power selector lever 90 a, 90 b are adjusted accordingly.

Somit wird die Ausgleichsvorrichtung einfach an die ohnehin vorhandenen Leitungen 50 a und 50 b angeschlossen. Es eignen sich auch andere Kenngrößen zur Durchführung des Leistungsvergleichs mit unterschiedlicher Genauigkeit sowie unterschiedlicher Ansprechempfindlichkeit und Kompliziertheit. Bei Anlagen mit gleicher Abtriebsdrehzahl kann zum Leistungsvergleich eine Drehmomentmessung an den Abtriebswellen durchgeführt werden. Der Temperaturabfall an der Turbine 22 a ändert sich proportional mit der Leistung, wie es auch bei der Drehzahl der Turbine 16 a, wenn auch mit geringerer Genauigkeit, der Fall ist.Thus, the compensation device is simply connected to the lines 50 a and 50 b, which are already present. Other parameters are also suitable for performing the performance comparison with different levels of accuracy and different levels of sensitivity and complexity. In systems with the same output speed, a torque measurement can be carried out on the output shafts to compare performance. The temperature drop across the turbine 22 a changes proportionally with the power, as is the case with the speed of the turbine 16 a, albeit with less accuracy.

Weisen die Turbinenanlagen bei einer gegebenen Leistung nicht annähernd den gleichen Verdichtungsdruck auf, wie es vorstehend angenommen wurde, so ist es möglich, diesen Fehler dadurch zu vermeiden, daß gemäß F i g. 3 in die Abzweigung 122 a der Leitung 106 a ein von Hand einstellbares Ablaßventil eingebaut ist. In der Leitung 104 a ist eine Drossel 120 a vorgesehen, während das Ablaßventil aus der Drossel 124 a und der Ventilnadel 126 a besteht. Ist beispielsweise bei gleicher Leistung der Verdichtungsdruck der Anlage 10 a größer als derjenige der Anlage 10 b, so öffnet man die Ventilnadel 126 a etwas, so daß der Druck hinter der Drossel 120 a verkleinert wird. Eine entsprechende Einrichtung ist auch für die Turbinenanlage 10 b vorgesehen. Andererseits kann auch die Einstellung so vorgenommen werden, daß eine Anlage im Hinblick auf ihre Lebensdauer mit geringerer Leistung fahren soll.If the turbine systems do not have approximately the same compression pressure for a given output, as was assumed above, it is possible to avoid this error in that according to FIG. 3 a manually adjustable drain valve is installed in the branch 122 a of the line 106 a. In line 104 a, a throttle 120 a is provided, while the drain valve consists of the throttle 124 a and the valve needle 126 a. If, for example, the compression pressure of the system 10 a is greater than that of the system 10 b at the same output, the valve needle 126 a is opened somewhat so that the pressure downstream of the throttle 120 a is reduced. A corresponding device is also provided for the turbine system 10 b. On the other hand, the setting can also be made in such a way that a system should run with less power in view of its service life.

Claims (2)

Patentansprüche: 1. Ausgleichsvorrichtung für mehrere parallel arbeitende Gasturbinenanlagen mit freier Arbeitsturbine und mit jeweils selbständiger, ein Regelventil enthaltender Brennstoffregelanlage, das durch einen von der Drehzahl und vom Verdichtungsdruck der Turbinenanlage abhängigen Steuerdruck eingestellt wird, wobei jede Turbinenanlage eine eigene Ausgleichsvorrichtung mit einem auf Druck ansprechenden Teil aufweist, der den Steuerdruck zusätzlich beeinflußt und der auf der einen Seite vom Verdichtungsdruck der eigenen Turbinenanlage und auf der anderen Seite vom höchsten Verdichtungsdruck aller parallel arbeitenden Turbinenanlagen beaufschlagt wird, nach Patentanmeldung P 12 74 852.-6-13, dadurch gekennzeichnet, daß der auf Druck ansprechende Teil (100a, 100b) auf einen Hebel (82 a, 82 b) einwirkt, der in an sich bekannter Weise vom Drehzahlregler (79 a, 79 b) der Arbeitsturbine (22 a, 22 b) verstellbar ist und mittels eines Ablaßventils (64 a, 64 b) den Steuerdruck einstellt. Claims: 1. Compensation device for several gas turbine systems working in parallel with a free power turbine and each with an independent fuel control system containing a control valve, which is set by a control pressure dependent on the speed and the compression pressure of the turbine system, with each turbine system having its own compensating device with a pressure-responsive one Has part which additionally influences the control pressure and which is acted upon on the one hand by the compression pressure of its own turbine system and on the other hand by the highest compression pressure of all turbine systems operating in parallel, according to patent application P 12 74 852.-6-13, characterized in that the pressure-responsive part (100 a, 100 b) acts on a lever (82 a, 82 b) which can be adjusted in a manner known per se from the speed controller (79 a, 79 b) of the power turbine (22 a, 22 b) and by means of a drain valve (64 a, 64 b) adjust the control pressure according to 2. Ausgleichseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung (104 a, 104 b) für die Meßgröße Verdichtungsdruck ein von Hand einstellbares Ablaßventil (124, 126 a, 126 b) vorgesehen ist.2. Compensation device according to claim 1, characterized in that a manually adjustable drain valve (124, 126 a, 126 b) is provided in the line (104 a, 104 b) for the measured variable compression pressure.