DE2523078C2

DE2523078C2 - Regelvorrichtung für Gasturbinenanlagen

Info

Publication number: DE2523078C2
Application number: DE2523078A
Authority: DE
Inventors: Reinhold 6370 Oberursel Werner
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1975-05-24
Filing date: 1975-05-24
Publication date: 1982-06-03
Also published as: DE2523078A1; GB1550426A; US4057960A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelvorrichtung für Gasturbinenanlagen mit einem einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Verdichterturbine aufweisenden Gaserzeuger, mit einer nachgeschalteten, im Durchsatz verstellbaren Krafterzeugungs- bzw. Schubeinrichtung, vorzugsweise in Form einer mit einem verstellbaren Leitrad versehenen Nutzleistungsturbine oder einer im Querschnitt veränderbaren Schubdüse oder eines Verstellpropellers, und mit einem Brennstoffzumeßventil, wobei die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer von der Drehzahl des Gaserzeugers, der Stellung eines Leistungswählhebels und der Temperatur der Luft am Eintritt in die Brennkammer beeinflußbar ist und wobei die Verstellung der Krafterzeugungs- bzw. Schubeinrichtung von der Drehzahl des Gaserzeugers und der Stellung des Leistungswählhebels beeinflußbar ist.

Eine solche gattungsgemäße Gasturbine wird üblicherweise zum Antrieb von Kraftfahrzeugen vorgeschlagen. Wird auf besonders guten Wirkungsgrad Wert gelegt, so ist auch ein Wärmetauscher eingebaut, mit dem die Abgaswärme zur Aufheizung der Luft vor der Brennkammer ausgenutzt wird.

Die Leistungsanpassung an die verschiedensten Erfordernisse des Fahrbetriebes erfolgt in der Weise, daß in Abhängigkeit von der Stellung des Fußpedals des Fahrers mit einem Drehzahlregler eine bestimmte Gaserzeugerdrehzahl eingestellt wird. Zur Aufrechterhaltung eines günstigen Teillastverbrauches und zum schnellen Einleiten von Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgängen ist es nun erforderlich, bei wechselnden Gaserzeugerdrehzahlen die Temperatur vor der Gaser-

zeugerturbine möglichst auf dem Maximalwert zu halten.

Es ist bekannt (MTZ 1974, Heft 10, S.333ff), die Turbineneintrittstemperatur mit Sensoren zu messen und direkt als Regelgröße zu verwendea Dieses Verfahren hat folgende Schwierigkeit: Die Sensoren sind der höchsten Temperatur von etwa 1000° ausgesetzt Dabei sollen sie eine Lebensdauer von ca. 10 000 Betriebsstunden erreichen. Diese Forderungen sind nur sehr schwer realisierbar, was insbesondere für die in Zukunft zu erwartende wesentliche Temperatursteigerung zutrifft, die z. B. durch Einsatz von Schaufelkühlung oder keramischen Werkstoffen erreichbar ist Weiterhin müssen zur Erfassung eines brauchbaren Mittelwertes der Turbineneintrittstemperatur mehrere Temperaturfühler und ein geeignetes Verfahren zur Mittelwertbildung verwendet werden. Dies ist erforderlich, weil die Temperatur hinter der Brennkammer erfahrungsgemäß relativ große örtliche Unterschiede aufweist Es handelt sich an dieser Stelle um die ungleichmäßigste Temperatur in der gesamten Gasturbine. Weiterhin müßten zur Verwirklichung einer reinen Temperaturregelung bei stationärem und instationärem Betrieb die Temperaturfühler extrem kleine Meßwertverzögerungen aufweisen. Diese sind mit den heute bekannten Fühlerbauarten bei weitem nicht erreichbar. Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, ist ein erheblicher Aufwand erforderlich, der durch Kompensation der Fühlerverzögerung durch Vorhaltglieder erfolgt, was praktisch nur mit elektrischen Mitteln möglich ist. Eine andere Möglichkeit zur Vermeidung extrem schneller Fühler besteht darin, die Turbineneintrittstemperatur zunächst nur angenähert, z. B. mit einer schnellwirkenden Brennstoffsteuerung, einzustellen und dann den genauen Wert über die Temperaturregelung relativ langsam durch Korrektur (Trimmung) einzustellen.

Die US-PS 35 21 446 hat ebenfalls eine Regelvorrichtung für eine Gasturbinenanlage der genannten Gattung zum Gegenstand, die auch die Brennstoffzumessung und die Stellung des Leitapparates der Nutzleistungsturbine als Stellgrößen verändert Dies geschieht in Abhängigkeit von Druck-, Temperatur- und Drehzahlkenngrößen sowie durch manuelle Beeinflussung. Für die Veränderung der Brennstoffzumessung sind die Eintrittstemperatur zur Brennkammer, die Eintrittstemperatur des Gaserzeugerverdichters, die Gaserzeugerdrehzahl und der Umgebungsdruck von eingeschränktem Einfluß. Die Verstellung des Nutzturbinenleitapparates wird dagegen alternativ von der Gasgeneratordrehzahl, der Nutzturbinendrehzahl oder einem von Hand zu betätigenden Hebel verändert Hierdurch entstehen in nachteiliger Weise drei verschiedene Regelcharakteristiken aufweisende Bereiche, die zu einem diskontinuierlichen Kennfeld mit entsprechend ungünstigen Regelverhalten beim Überfahren der Bereichsgrenzen führen. In der ebenfalls vorbekannten US-PS 30 06 143 ist eine Regelvorrichtung für eine einfache Einwellengasturbine beschrieben, die ein Brennstoffzumeßventil aufweist, das sowohl durch Dreh- als auch durch Schiebebewegungen einen Durchlaßquerschnitt für den Brennstoff verändert Die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer erfolgt jedoch nicht ausschließlich über das Brennstoffzumeßventil, sondern auch gleichzeitig über

ίο Kanäle konstanten Querschnitts. Die Drehbewegung des Brennstoffzumeßventils wird durch den Druck vor der Gaserzeugerturbine beeinflußt, während die Schiebebewegung unmittelbar von einem Handstellhebel beeinflußt wird. Die durch diese direkte Kopplung gegebene Möglichkeit der Fehlbedienung ist von Nachteil. Dabei stellt das Brennstoffzumeßventil das einzige Stellorgan dar, eine Veränderung von Gasströmungsquerschnitten ist nicht vorgesehen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Regelvorrichtung zu schaffen, die günstig zu erfassende Kenngrößen für den Regelvorgang benutzt, die geeignet sind, die Erfassung von hohen Temperaturen mittels Temperaturfühlern zu vermeiden. Im wichtigsten Bereich der Gasturbine soll bei vereinfachter Kenngrößenerfassung mit Hilfe der Brennstoffzumessung im Zusammenwirken mit der Verstellung einer nachgeschalteten Krafterzeugungs- bzw. Schubeinrichtung ein günstiges Verbrauchsverhalten, insbesondere im stationären Betrieb und ein verbessertes Betriebsverhalten hinsichtlich des Ansprechens auf Beschleunigungs- und Verzögerungssteuersignale, also im instationären Betrieb, bei wiederum guten Verbrauchsverhalten erreicht werden. Die verwendete Regelvorrichtung soll dabei einfach im Aufbau sein.

Die Lösung dessen besteht darin, daß das Brennstoffzumeßventil abhängig von der Temperatur der Luft am Eintritt in die Brennkammer, dem Druck vor der Verdichterturbine und dem Stellglied eines mit der Drehzahl des Gaserzeugers betriebenen Drehzahlreglers, dessen Vorspannung durch den Leistungswählhebel veränderbar ist, verstellbar ist, und daß die Verstellung der Krafterzeugungs- bzw. Schubeinrichtung in Abhängigkeit der Stellung des Stellgliedes relativ zur Stellung einer auf die Temperatur der Luft 5 am Eintritt in die Brennkammer ansprechenden Temperaturdarstelleinrichtung erfolgt.

Dabei wird zur Vermeidung der Temperaturfühler vor der Verdichterturbine ein bestimmtes Verhalten der Verdachterturbine hinsichtlich ihres Gasdurchsatzes ausgenutzt Bei den heute zumindest bei Fahrzeuggasturbinen vorgesehenen Verdichter-Druckverhältnissen kann davon ausgegangen werden, daß der Leitkranz einer Verdichterturbine kritisch oder überkritisch arbeitet. Dafür gilt die für die spätere Betrachtung wichtige Ausgangsbeziehung für den Gasdurchsatz:

"*¹

(D

Hierin bedeutet:

/Ji₄ = Gasdurchsatz durch die Verdichterturbine
Ta =■ Gesamttemperatur vor der Verdichterturbine
p< — Gesamtdruck vor der Verdichterturbine
Aa, == Engste Strömungsfläche am Eintritt der Verdichterturbine

R = Gaskonstante

κ = Isentropenexponent a.m Eintritt der Verdichterturbine (κ * «4, zur Vereinfachung der Schreibweise)

Das heißt, daß die den Durchsatz kennzeichnende Größe praktisch eine Konstante ist Auch in den

Betriebsfällen (ζ. Β. bei niedrigeren Gaserzeugerdrehzahlen), in denen das kritische Druckverhältnis vor der Verdichterturbine noch nicht ganz erreicht wird, weicht diese Konstante nur wenig vom Maximalwert nach der Gleichung 1 ab. So werden z. B. noch 98% des Maximalwertes erreicht, wenn das Druckverhältnis bereits um 14,5% unter dem kritischen Druckverhältnis (=1,835) liegt. Hierbei ist noch zu beachten, daß bei einem Druckverhältnis von 1 (d. h. 45/5% unter dem kritischen Wert) bereits keine beschleunigte Strömung mehr vorhanden ist.

Man sieht aus Gleichung 1, daß die Konstante eine Funktion der engsten Strömungsfläche A₄ und der thermodynamischen Größen ist. A₄ kann als gegebene Konstruktionsgröße betrachtet werden. Bei realen Gasen ist

K₄ =f ( T₄ —— !,wobei
\ m_L /

m_B den Brennstoffdurchsatz,
m_L den Luftdurchsatz bedeutet.

Der Einfluß von T₄ auf x₄ entfällt bei der im Hauptbetriebsbereich angestrebten konstanten Temperatur T₄ vollständig. Das Brennstoff-Luft-Verhältnis

~r~ hat nur einen sehr schwachen Einfluß auf K₄ und R. Diese Einflüsse auf die Konstante dürften daher für den praktisch vorkommenden Bereich von ~r— vernachlässigbar klein sein. Auch unter der Voraussetzung, daß Gleichung 1 für verlustlose Düsenströmung gilt, diese aber praktisch nicht vorliegt, ergeben sich keine nennenswerten Abweichungen der Konstante K\.

Betrachtet man nun die Beziehung für den Brennstoffdurchsatz so folgt:

rh_L ■

(T₄ -T₃₆)

_u · n_Bk

(2)

Hierin bedeutet:

ma = Brennstoffdurchsatz
riiL = Luftdurchsatz

T₄ = Gesamttemperatur vor der Verdichterturbine Γ3.6 = Gesamttemperatur am Eintritt in die Brennkammer
Cp (T₃£ H- T₄) = Mittelwert für die spezifische Wärme zwischen ^und T₄

Hu = unterer Heizwert des Brennstoffes
VBK = Ausbrenngrad der Brennkammer.

Löst man Gleichung 1 nach dem Luftdurchsatz m_L auf und setzt die so gewonnene Gleichung in Gleichung 2 ein, so folgt:

-p₄ ■

— T₃₆)

l+

■Vt_a-h_u-

(3)

Diese Gleichung stellt nun das Gesetz dar, nachdem der BrennstofTdurchsatz ins zugemessen werden muß, um ein konstantes Ta aufrecht zu erhalten. Bei näherer Betrachtung zeigt sich, daß dies ein sehr einfach und relativ genau zu verwirklichendes Steuergesetz ist. Man kann es ohne nennenswerte Einbußen an Genauigkeit vereinfacht zu:

Wß = K₂ -p₄ ■ (T₄ - T₃ ₆)

umwandeln.

Um ein konstantes T₄ zu erreichen, braucht man nach der Gleichung nur den Druck p₄ und die Temperaturdifferenz T₄- Tl₆ zu messen und miteinander zu multiplizieren. Dieses einfache Gesetz ist dadurch möglich, weil auch die Größe

K,=

K₁ C_n

, - T₄)

praktisch konstant ist. Die Größe ~r~ ist

gegenüber 1, so daß die auftretenden Änderungen dieser Größen K-i nur unwesentlich beeinflussen. Weiterhin ist der Ausbrenngrad t\bk bei modernen Gasturbinenbrennkammern nahezu 1 und als konstant anzusehen. Auch der untere Heizwert H₁₁ ist bei allen infrage kommenden Brennstoffen praktisch gleich. Die größte Abweichung von einem konstanten Wert von Ki ist in der spezifischen Wärme zu erwarten. Diese hängt aber bei vernachlässigbarem Einfluß des Brennstoff-Luft-Verhältnisses —r- bei konstantem T₄ nur noch vom

gemessenen Tu ab. Aus diesem Grunde ist es möglich, den dadurch entstehenden Fehler in der Brennstoffzumessung im gesamten möglichen Betriebsbereich durch

j5 Wahl eines etwas geänderten Wertes von K2 und eines etwas geänderten Einflusses von T3.6 weitgehend auszuschalten.

Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung enthält nun als wesentlichen Gedanken die Brennstoffzumessung nach Gleichung 4 und darüber hinaus das Zusammenwirken dieser Zumessung mit einem Drehzahlregler für den Gaserzeuger und einer Nutzleistungsturbinen-Leitrad-Verstelleinrichtung.
Handelt es sich um eine Regelvorrichtung für eine Gasturbine, bei der der Gaserzeuger zwischen dem Verdichter und der Brennkammer einen Wärmetauscher aufweist, so wird vorgeschlagen, daß als Temperaturzustandsgröße die Temperatur am Austritt des Wärmetauschers bzw. am Eintritt in die Brennkammer dient Diese Stelle hinter dem Wärmetauscher ist besonders günstig, weil sich dort die Temperatur nur relativ langsam ändert und eine verhältnismäßig gleichmäßige Verteilung aufweist

Wird die Regelvorrichtung auf eine Gasturbine

ss angewandt, die keinen Wärmetauscher hat, kann anstelle der Temperatur hinter dem Wärmetauscher die Temperatur am Verdichteraustritt ermittelt werden. Da sich die Temperatur dort verhältnismäßig schnell ändern kann, wäre wieder ein schnellwirkender Fühler erforderlich, der jedoch hier wegen der geringeren Temperatur eine höhere Standzeit hat Um dies zu vermeiden, wird vorgeschlagen, daß als Temperaturzustandsgröße eine durch Addition einer der Temperatur am Eintritt des Verdichters entsprechenden Größe und der Temperaturdifferenz zwischen Verdichteraustritt und -eintritt entsprechenden Größe ermittelte Meßgröße dient wobei die der Temperaturdifferenz entsprechende Größe durch ein Fliehkraftmeßwerk simuliert

ist, dessen Ausgangshub dem Quadrat der Verdichterdrehzahl proportional ist. Dabei greifen der Ausgang des Fliehkraftmeßwerkes und das Geberglied der Temperatur am VerdichtereintriU an den Enden eines Waagebalkens an, an dem der Summengeber für die Temperaturzustandsgröße befestigt ist. Diese Simulation der Temperaturdifferenzgröße mittels des Fliehkraftmeßwerkes ist sehr genau bei ein- oder mehrstufigen Radialverdichtern mit radialem Schaufelaustritt des Laufrades und hoher Schaufelzahl. Diese Verdichterbauform wird sehr häufig bei kleineren Gasturbinen, die hier hauptsächlich interessieren, angewendet. Die Erklärung hierfür ist in der Tatsache zu suchen, daß die der Luft beim Durchtritt durch solche Verdichter mitgeteilte Erhöhung der Gesamtenergie dem Quadrat der Drehzahl proportional ist. Dies ergibt sich dadurch, daß die effektive Förderhöhe von einer Kennziffer für die effektive Förderhöhe und dem Quadrat des Umfangs abhängt. Die Kennziffer für die effektive Förderhöhe ist bei den oben geschilderten Verdichterbauarten nahezu konstant. Für Verdichter, die von der oben definierten Bauart abweichen, ist die Kennziffer zwar nicht mehr genau konstant, es dürfte sich jedoch in vielen Fällen die beschriebene Einrichtung zur Ermittlung der Temperaturzustandsgröße als brauchbare Annäherung für Radialverdichter mit gekrümmten Schaufeln oder für Axialverdichter anwenden lassen. Diese Simulation der Temperaturdifferenz ist auch für einwellige Strahltriebwerke mit verstellbarer Schubdüse geeignet. Dabei ersetzt die verstellbare Schubdüse die Nutzleistungsturbine und das dieser vorgeschaltete Leitrad. Die gleiche Temperatursimulation dürfte auch Anwendung finden bei einer Gasturbine mit Verstellpropeller. Analog der der Leitradverstellung einer nachgeschalteten Nutzleistungsturbine kann auch der Anstellwinkel von Luftschraubenblättern verstellt werden. Eine Erhöhung des Anstellwinkels bewirkt eine erhöhte Leistungsaufnahme der Luftschraube und entspricht in der Auswirkung einer Verkleinerung des Leitradwinkels bei der Leitradverstellung.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt ist Es zeigt

F i g. 1 eine Regelvorrichtung gemäß der Erfindung für einen Gaserzeuger und eine nachgeschaltete Nutzleistungsturbine, deren Leitrad durch einen Verstellmechanismus verstellbar ist und wobei ein Brennstoffzumeßventil vorgesehen ist, an dem ein Geber für die Temperatur vor der Brennkammer, ein Geber für den Druck vor der Verdichtungsturbine und das Stellglied eines Drehzahlreglers angreifen,

Fig.2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die es ermöglicht als Ersatz für eine der stark schwankenden Temperatur am Verdichteraustritt entsprechende Temperaturzustandsgröße eine von der Temperatur am Verdichtereintritt und einer Sumulation der Temperaturdifferenz am Verdichter bestimmte Temperaturzustandsgröße darzustellen.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Pumpe bezeichnet, die Brennstoff zu einem Brennstoffzumeßventfl 2 fördert. Das Brennstoffzumeßventil 2 hat einen Ventilkörper 3, der verschiebbar und verdrehbar in einer Büchse 4 gelagert ist. Im Ventilkörper 3 und in der Büchse 4 sind Zumeßquerschnitte 3a und 4a von im wesentlichen rechteckigem Querschnitt vorgesehen. Die wirksame öffnung zwischen den beiden ZumeBquerschnitten wird durch Verdrehen und Verschieben des Ventilkörpers verändert. Die Verdrehung erfolgt durch einen mit dem Druck pt, vor der Verdichterturbine beaufschlagten Federbalg 5, der zur Ausschaltung des Brennstoffdrukkes pi„ gegen einen evakuierten Federbalg wirkt. Die axiale Verschiebung des Ventilkörpers erfolgt in Abhängigkeit von der Temperatur 71b hinter dem Wärmetauscher bzw. vor der Brennkammer oder durch Änderung einer Temperaturzustandsgröße, die durch eine später beschriebene Vorrichtung erzeugt wird. Die Temperatur 73.6 wird zu einem Temperaturgeber 6, an

ίο dessen Stelle ein Summengeber der noch zu beschreibenden Vorrichtung gegebenenfalls verwandt werden kann, übertragen, dessen Bewegung über ein federnd gelagertes Rohr 7 und über einen federnden Anschlag 8 auf den Ventilkörper 3 übertragen wird. Am Brennstoff ventil 2 wird der Druck mit Hilfe eines Δ p-Reglers 9 konstant gehalten. Damit wird erreicht, daß der der nicht dargestellten Brennkammer über ein Druckhalteventil 10 zufließende Brennstoff bei gegebenem spezifischen Gewicht nur noch von der Größe der Zumeßquerschnitte 3a und 4a abhängt. Mit den bisher beschriebenen Elementen wird das Grundprinzip der Brennstoffzumessung nach der in der Beschreibung genannten Gleichung 4 verwirklicht. Sie tritt genau genommen in dieser Form nur während der Beschleunigung des Gaserzeugers auf, bei dem keine Beeinflussung des Ventilkörpers in Abhängigkeit von der Drehzahl erfolgt

Zur Drehzahlbeeinflussung ist am Ventilkörper 3 ein Hebel 13 befestigt, der in Richtung eines Drehzahlreg-

jo lers 12 zeigt Der Drehzahlregler 12 ist in üblicher Weise ausgebildet und von der Gaserzeugerwelle angetrieben. Der Drehzahlregler 12 weist ein Stellglied 11 auf, welches über eine Feder belastbar ist, deren Vorspannung durch einen willkürlich betätigbaren Verstellhebel

J5 14, der bei Kraftfahrzeugen durch ein Gaspedal ersetzt sein kann, variiert wird.

Ist die wirkliche Drehzahl des Gaserzeugers kleiner als die durch den Verstellhebel 14 gewählte Solldrehzahl, so ist das Stellglied 11 vom Hebel 13 abgehoben und beeinflußt den Ventilkörper nicht 1st die Solldrehzahl erreicht, so beginnt die Beeinflussung des Ventilkörpers 3 durch das Stellglied 11.

An die Brennstoffleitung hinter der Pumpe 1 ist eine Steuerleitung angeschlossen, in der ein /vRegler 17, eine Abströmstelle 17a und eine Blende 176 eingebaut sind. Die Steuerleitung 15 führt zu einem Steuerschieber 16, der einen Steuerkolben 16a beherrscht, welcher die Verstellung des Leitrades vor der Nutzleistungsturbine bewirkt Zwischen Steuerschieber 16 und Steuerkolben

so 16a ist eine Rückkopplung 166 vorgesehen, die eine proportionale Verstellung des Steuerkolbens entsprechend einer Verschiebung des Steuerschiebers bzw. entsprechend dem Druck in der Steuerleitung bewirkt. An die Steuerleitung 15 ist das Rohr 7 angeschlossen, dessen Mündungsdüse Ta am Anschlag 8 im wesentlichen dichtend anliegt Der p₅-Regler erzeugt in Verbindung mit der Abströmstelle 17a und der Blende 176 einen konstanten Servodnick Ps- Während eines Beschleunigungsvorganges des Gaserzeugers liegt die Mündungsdüse 7a auf dem Anschlag 8 auf, da das Stellglied 11 vom Hebel 13 abgehoben hat Die Mündungsdüse des Rohres 7 ist verschlossen. Der Druck Pl. der zur Leitradverstellvorrichtung der Nutzleistungsturbine geleitet wird, ist dadurch gleich dem Servodruck p* Wie der F i g. 1 entnehmen ist, bewirkt ein hoher Druck in der Leitung 15 eine maximale Leitradverstellung β^χ (entsprechend einer maximalen Strömungsfläche) wogegen ein kleiner

Druck ein j3_m,„ bewirkt.

Betrachtet man eine Beschleunigung des Gaserzeugers durch eine plötzliche Erhöhung der gewählten Solldrehzahl durch den Verstellhebel 14, so wird das Stellglied 11 des Drehzahlreglers 12 nach oben verschoben und hebt vom Hebel 13 ab. Die Brennsloffzumessung erfolgt nun für konstantes Ta in Abhängigkeit von Γ« und p*. Durch die verschlossene Mündungsdüse 7a wird ein hoher Steuerdruck zur Leitradverstellvorrichtung geleitet und damit ß_mas eingestellt. Dadurch wird der Gegendruck an der Verdichterturbine stark abgesenkt. Dies hat zur Folge, daß am Rotor des Gaserzeugers bei Ta = konstant die höchstmöglichen Beschleunigungsmomente zur Verfügung stehen und der Gaserzeuger damit in der kleinstmöglichen Zeit auf den gewählten Sollwert beschleunigt. Ist die gewünschte Solldrehzahl erreicht, so senkt sich das Stellglied 11 auf den Hebel 13 und bewirkt eine Verschiebung des Ventilkörpers 3 nach unten und damit eine kleine Verminderung von Ta. Solange das Spiel s zwischen dem Anschlag 8 und dem Ventilkörper 3 noch nicht zu 0 geworden ist, wird der Leitradwinkel auf ß_may gehalten, was der maximalen Durchströmfläche entspricht. Erst wenn 5=0 geworden ist, und bei weiter steigender Drehzahl des Gaserzeugers die Mündungsdüse 7 a vom Anschlag 8 abhebt, wird der Steuerdruck gesenkt und die Leitradverstellvorrichtung in Richtung einer geringeren Durchströmfläche verschoben. Sinkendes β senkt aber die Beschleunigungsmomente am Gaserzeuger ab, so daß die Beschleunigung schließlich 0 wird. Eine zu weite Verringerung von β würde dabei bei dem vorliegenden T* und der Solldrehzahl Verzögerungsmomente erzeugen und damit durch Absenkung der Gaserzeugerdrehzahl zu einem Schließen der Mündungsdüse la und damit wiederum zu einem öffnen des Leitrades führen. Daher stellt sich der stationäre Betriebszustand bei s=0 und einer sehr kleinen öffnung der Mündungsdüse Ta ein. Diese öffnung reicht gerade noch aus, um für die gewählte Gaserzeugerdrehzahl und das gewünschte Ta die erforderliche Leitradverstellung einzustellen. Die gewünschte stationäre Temperatur Ta ist um einen kleinen Betrag geringer, als die Temperatur Ti beim Beschleunigen, weil der Ventilkörper um den Betrag s und um den sehr kleinen Öffnungshub der Mündungsdüse 7a weiter unten steht und der zugemessene Brennstoffdurchsatz dadurch geringer als beim Beschleunigen ist Die Größe dieses Temperaturunterschiedes zwischen Beschleunigung und stationärem Betrieb läßt sich also im wesentlichen durch das Spiel s beeinflussen. Durch diese Regelung kann daher auch überhaupt auf eine solche Temperaturdifferenz verzichtet und s=ö gewann werden. In diesem Faiie würde der federnde Anschlag 8 entfallen können (Anschlag 8 und Ventilkörper 3 bilden dann eine Einheit).

Man kann sich den Regelvorgang auch in zwei nacheinander ablaufenden Teilvorgängen vorstellen. Dies ist dann möglich, wenn man sich die Leitradverstellung als sehr langsam wirkend vorstellt Dann würde sich am Ende eines Beschleunigungsvorganges des Gaserzeugers zunächst durch Eingreifen des Drehzahlreglers ein Gleichgewichtszustand einstellen, der zu einer weitgeöffneten Leitradverstellung gehört und durch niedrigen Brennstoffdurchsatz und tiefe Temperatur Ta gekennzeichnet ist Durch langsames Schließen des Leitrades wird nun durch den Drehzahlregler ein immer weiter steigender BrennstofTdurchsatz freigegeben und Ta steigt so lange an, bis das durch die Brennstoffzumessung gegebene maximale T₄ erreicht ist. Ein Überschreiten dieser Grenze wird wieder durch die Umkehr der Leitradverstellvorrichtung verhindert. Man kann daher die Verstellgeschwindigkeit der

·-, Leitradverstellung so groß wählen, daß keine nennenswerten Verzögerungen der vollen Leistungsabgabe auftreten und daß gleichzeitig auch noch ausreichend gedämpfte Regelvorgänge erzielbar sind.
Grundsätzlich ließe sich auch die Drehzahlregelung

ι« mit einem Drehzahlregler ausführen, der direkt auf die Leitradverstellvorrichtung einwirkt. Eine solche Verstellung würde jedoch wesentlich langsamer wirken als die Verstellung eines kleinen Brennstoffventilkörpers. Daher wird bei der vorgeschlagenen Regelvorrichtung

π ein wesentlich kleineres Überschwingen der Drehzahl als bei direkter Regelung der Leitradverstellung erreicht. Darüber hinaus wird bei willkürlicher Betätigung eines bei Kxaftfahrzeuggasturbinen vorgesehenen Bremshebels (willkürliche ß-Vergrößerung) ein Durchgehen des Gaserzeugers ohne zusätzlichen Aufwand vermieden.

Es sei bezüglich F i g. 1 noch gesagt, daß es sich hier lediglich um eine schematische Darstellung handelt. Durch die Andeutung von bestimmten konstruktiven Ausführungen soll nur das vorgeschlagene Prinzip erläutert werden. Bei einer Verwirklichung dieser Regelung wird man die günstigste Ausführung der Elemente noch ermitteln müssen. So wird man z. B. die Elemente 9, 10 und 17 wahrscheinlich nicht als

jo eingeläppte Steuerschieber ausführen, sondern mit Federbälgen und Prallplattenventilen. Obwohl grundsätzlich auch eine elektrische Ausführung möglich ist, erscheint es doch im vorliegenden Falle vorteilhaft, die Regelung in hydromechanischer Bauweise auszuführen.

Zusätzlich zu den bereits angeführten Vorteilen sei noch auf folgendes hingewiesen:

Die vorgeschlagene Regelung geht von der relativ gleichmäßigen Temperatur Tu im Heißteil der Gasturbine aus, die sich außerdem wegen der Wärmekapazität des Wärmetauschers auch noch am langsamsten ändert. Man kann daher mit einem, zur besseren Mittelwertbildung möglichst lang ausgeführten, mechanisch wirkenden Einzelgeber für die Temperatur T« auskommen, der wegen des wesentlich tieferen Temperaturniveaus hinsichtlich der Lebensdauer unproblematisch und auch noch genügend schnell ist

Die vorgeschlagene Regelung ermöglicht unter allen Betriebsbedingungen die größtmögliche Beschleunigung des Gaserzeugers im Rahmen der thermodynamiseen Grenzen der Gasturbine. So wird z. B. die Beschleunigungsverminderung mit steigender Höhe automatisch und ohne Turbinenüberhitzung in richtiger Weise geregelt Die opiimale Ausnutzung der Beschleunigungsfähigkeit der Gasturbine ist wichtig, weil die Gasturbine hierin hinsichtlich dem sonst bei Lastkraft fahrzeugen üblicherweise verwandten Dieselmotor normalerweise unterlegen ist

Die Regelung läßt sich ohne jede Elektronik verwirklichen. Durch den Wegfall der Elektronik fallen praktisch alle Schwierigkeiten fort die mit störenden bzw. Störungen verursachenden elektromagnetischen Wellen zusammenhängen.

Der den Brennstoff regelnde Teil der Regelvorrichtung kann mit der Brennstoffpumpe zusammengebaut und direkt an der Gasturbine angeordnet werden. Es entstehen keine Temperaturprobleme wie bei einer elektronischen Regelung. Die Vorrichtung gemäß Fig.2 dient dazu, eine

Temperaturzustandsgröße zur Verfügung zu stellen, die als Ersatz für die Temperatur vor Eintritt in die Brennkammer dient. In Fi g. 2 ist mit 20 ein Geberglied bezeichnet, das die Temperatur 7~i vor Eintritt in den Verdichter in mechanische Bewegung überträgt. Weiterhin ist mit 21 ein Fliehkraftmeßwerk bezeichnet, das vom Gaserzeuger angetrieben ist und dessen Ausgang 22 eine Weggröße liefert, die dem Quadrat der Verdichterdrehzahl proportional ist. Das Geberglied 20 und der Ausgang 22 greifen an den Enden eines Waagebalkens 23 an. Etwa in der Mitte des Waagebalkens 23 ist ein Summengeber 24 befestigt, der in einem Gehäuse radial geführt ist. Es sei darauf hingewiesen, daß der Summengeber 24 nicht nur in der Mitte, sondern auch außermittig angeordnet sein kann, um die Einflüsse des Gebergliedes 20 und Ausgangs 22 ungleich stark übertragen zu können. Der Summengeber 24 wird bei Anwendung dieser Vorrichtung an der Regelvorrichtung gemäß Fig. 1 anstelle des Temperaturgebers 6 an das Rohr 7 angeschlossen. Wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, ist die Temperaturdifferenz bei einem ein- oder mehrstufigen Radialverdichter zwischen Verdichteraustritt und Verdichtereintritt etwa proportional dem Quadrat der Drehzahl, so daß am Ausgang 22, bei entsprechender Auslegung des Fliehkraftmeßwerks, ein der Temperaturdifferenz zwischen Ausgang und Eingang des Verdichters entsprechender Vorschub erfolgt. Infolgedessen liegt am Summengeber 24 eine

κι der Temperatur am Austritt des Verdichters proportionale Weggröße vor. Da sich die Temperatur vor dem Verdichter, entsprechend der Umgebungstemperatur nur langsam ändert, braucht auch hier kein schnellwirkender Fühler vorgesehen zu werden. Dagegen wirkt

ι ■> die Simulation der schnellwirkenden Temperaturänderung hinter dem Verdichter entsprechend schnell, da das Fliehkraftmeßwerk mit der Verdichter- bzw. mit der Gaserzeugerwelle gekuppelt ist.

Hier/u 2 Blatt Zeichnuneen

Claims

Patentansprüche:

1. Regelvorrichtung für Gasturbinenanlagen mit einem einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Verdichterturbine aufweisenden Gaserzeuger, mit einer nachgeschalteten, im Durchsatz verstellbaren Krafterzeugungs- bzw. Schubeinrichtung, vorzugsweise in Form einer mit einem verstellbaren Leitrad versehenen Nutzleistungsturbine oder einer im Querschnitt veränderbaren Schubdüse oder eines Verstellpropellers, und mit einem Brennstoffzumeßventil, wobei die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer von der Drehzahl des Gaserzeugers, der Stellung eines Leistungswählhebels und der Temperatur der Luft am Eintritt in die Brennkammer beeinflußbar ist und wobei die Verstellung der Krafterzeugungs- bzw. Schubeinrichtung von der Drehzahl des Gaserzeugers und der Stellung des Leistungswählhebels beeinflußbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffzumeßventil (2) abhängig von der Temperatur der Luft am Eintritt in die Brennkammer, dem Druck vor der Verdichterturbine und dem Stellglied (11) eines mit der Drehzahl des Gaserzeugers betriebenen Drehzahlregiere (12), dessen Vorspannung durch den Leistungswählhebel (14) veränderbar ist, verstellbar ist, und daß die Verstellung der Krafterzeugungsbzw. Schubeinrichtung in Abhängigkeit der Stellung des Stellgliedes (11) relativ zur Stellung einer auf die Temperatur der Luft am Eintritt in die Brennkammer ansprechenden Temperaturdarstelleinrichtung (6) erfolgt.

2. Regelvorrichtung für Gasturbinenanlagen ohne Abgaswärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturdarstelleinrichtung (6) einen Temperaturfühler (20) für die Temperatur der Luft am Verdichtereintritt und ein die Temperaturerhöhung im Verdichter simulierendes Fliehkraftmeßwerk (21), dessen Ausgangshub dem Quadrat der Drehzahl des Gaserzeugers proportional ist, aufweist, die auf ein Summierglied geschaltet sind, dessen Ausgang der Temperatur der Luft am Eintritt in die Brennkammer entspricht.

3. Regelvorrichtung nach Anspruch 1 oder ν Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffzumeßventil (2) einen an sich bekannten drehbaren und axial verschieblichen Ventilkörper (3) zur Einstellung des Zumeßquerschnitts aufweist, wobei die Drehung des Ventilkörpers (3) bekanntermaßen abhängig vom Druck vor der Verdichterturbine erfolgt, und daß der Ventilkörper (3) zur axialen Verschiebung in Öffnungsrichtung federbelastet ist und in Schließrichtung durch das Stellglied (11) des Drehzahlreglers (12) und die Temperaturdarstelleinrichtung (6) sich gegenseitig übersteuernd belastet ist, wobei eine Vergrößerung der Drehzahl des Gaserzeugers und eine Vergrößerung der Temperatur der Luft am Eintritt in die Brennkammer in Schließrichtung wirken.

4. Regelvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung der Krafterzeugungs- bzw. Schubeinrichtung durch eine Fühleinrichtung gesteuert ist, die das Maß der Übersteuerung des Ventilkörpers (3) durch das Stellglied (11) des Drehzahlreglers (12) gegenüber der Temperaturdarstelleinrichtung (6) als Maß für die Verstellung benutzt, wobei einer Vergrößerung der Übersteuerung eine Verkleinerung des Durchsatzes der Krafterzeugungs- bzw. Schubeinrichtung entspricht

5. Regelvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ventilkörper (3) ein mit einem Anschlag versehener und durch eine Feder vorgespannter Puffer (8) vorgesehen ist, über welchen die Temperaturdarstelleinrichtung (6) auf den Ventilkörper (3) wirkt, und daß die Fühleinrichtung als Maß der Übersteuerung den Abstand zwischen Puffer (8) und Temperaturdarstelleinrichtung (6) benutzt.

6. Regelvorrichtung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei der die Verstellung der Krafterzeugungs- bzw. Schubeinrichtung durch einen servogesteuerten hydraulischen Stellmotor mit Stellungsrückführung erfolgt, wobei das Servoventil einen Steuerschieber aufweist, der in einer Richtung federbelastet ist und in Gegenrichtung durch den Druck aus einer Steuerleitung beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturdarstelleinrichtung (6) an einem schwenkbaren Rohrstück (7) angreift, welches an seinem äußeren Ende eine in die Schwenkrichtung weisende Düse (Ja) aufweist, die dem Puffer (8) bzw. der entsprechenden Stelle des Ventilkörpers (3) gegenübersteht, und welches an seinem inneren Ende an die zum Steuerschieber (16) führende Steigleitung (15) angeschlossen ist

7. Regelvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerleitung (15) weiterhin über eine Blende (17b) mit einer Druckmittelquelle konstanten Druckes verbunden ist.