Verfahren zur Erhöhung der Bereitschaft für plötzliche Lastaufnahmen von Gasturbinenanlagen. Bei Gasturbinen mit Gleichdruckverbren nung wird mit Rücksicht auf den Wirkungs grad die Treibgastemperatur bei allen Be lastungen so hoch gehalten, als es die Be triebssicherheit der Beschaufelung erlaubt. Erfolgt die Bemessung der Treibgastemperatur durch Kühlluftbeimischung, so verlangt jede Belastung der Turbine eine bestimmte Luft menge und diese, bei Kreiselverdichtern, eine ganz bestimmte Drehzahl des Verdichters, wenn die Anlage mit gutem Wirkungsgrad arbeiten soll.
Man lässt aus diesem Grunde die ihren Verdichter antreibende Gasturbine, wo nur immer möglich, mit veränderlicher Drehzahl arbeiten, oder führt mit Vorteil die Anlage mehrwellig aus, wobei die Nutzleistungs- turbine gleichbleibende, die den Verdichter antreibende Gasturbine aber veränderliche Drehzahl erhält. Erschwert wird dadurch allerdings die Regelung, da es nicht möglich ist, ohne besondere Vorkehrungen die Tur bine mit ihrem Verdichter bei grösseren und plötzlichen Belastungszunahmen rasch genug auf die Drehzahl zu beschleunigen, die erfor derlich ist, damit der Verdichter die der neuen Belastung entsprechende Luftmenge liefert.
Es könnte zwar der zu einer Lei stungserhöhung erforderliche Brennstoff so fort zugeführt und einwandfrei verbrannt werden, da dieser in der Kühlluft mehr wie genug Sauerstoff vorfände; diese Massnahme ist aber nicht ohne weiteres zulässig, da viel zu hohe Temperaturen entstehen würden. Es würde überdies eine Temperaturerhöhung allein, ohne gleichzeitige Erhöhung der Treib gasmenge nicht genügen, um die erforderliche Beschleunigungsarbeit aufzubringen. Neben dem Kühlmittel muss also auch für ein sofort zusätzlich zur Verfügung .stehendes Treib mittel gesorgt werden.
Es wird nun vorgeschlagen, zur Erhöhung der Bereitschaft für plötzliche Lastaufnah men von Gasturbinenanlagen mit einer oder mehreren Wellen, von denen mindestens eine eine mit der Belastung ändernde Drehzahl aufweist, den Treibbasen mindestens einer Turbine bei plötzlichen Belastungszunahmen zur Beschleunigung des Regelvorganges, und zwar nur während der Zeit dieses Vorganges, Wasser oder Wasserdampf beizumischen.
Wasser zur Niedrighaltung der Treibgas temperaturen beizumischen, ist bei Gastur binen schon oft vorgeschlagen worden; ebenso ist es bekannt, mit Dampf zu kühlen oder vor allem durch Beimischung von Dampf die Leistung von Gasturbinen zu erhöhen. Diese Beimischung erfolgt aber stets dauernd, das heisst nährend des regulären Betriebes und bedeutete, sofern der Dampf nicht lediglich aus nicht anders verwertbaren Abwärmen be stand, stets eine Verschlechterung des An lagewirkungsgrades.
Im vorliegenden Fall erfolgt das Wasser einspritzen oder die Dampfbeimischung nur während der kurzen Zeit, die nötig ist, um die durch Belastungserhöhungen bedingte Drehzahlerhöhung herbeizuführen. Diese Zeit ist so kurz, dass eine etwaige Wirkungs gradsverschlechterung keine Rolle spielt. Wird der Dampf aus Abwärmen gewonnen, so fällt auch hier eine Wirkungsgradver schlechterung dahin.
Man hat auch schon vorgeschlagen, bei den Gasturbinen, die Aufladeverdichter zu Brennkraftkolbenmaschinen antrieben. den Regelvorgang durch Druckluft zu beschleu nigen, die in Flaschen gespeichert und zu sammen mit den Treibgasen oder getrennt durch besondere Düsen auf das Turbinenrad beschickt wurde. Dieses Verfahren kann wohl für die verhältnismässig kleinen Leistungen der Aufladeeinrichtungen in Betracht kom men, ist aber für Gasturbinenanlagen, bei denen es sich um Hauptmaschinen handelt, viel zu unwirtschaftlich, umfangreich und kostspielig.
Die Zeichnung zeigt zwei Gasturbinen anlaben, die mit Einrichtungen zur Durch führung des Verfahrens versehen sind. An Hand derselben wird das Verfahren gemäss der Erfindung beispielsweise erläutert. Fig. 1 betrifft eine Anlage mit zwei Gasturbinen, einer gemeinsamen Brennkammer und mit Verwendung von Dampf zur Beschleunigung des Regelvorganges. Die atmosphärische Luft wird vom Verdichter 1 angesaugt, verdichtet und der Brennkammer 2 zugeführt, in wel cher der Brennstoff verbrannt wird. Nach der Brennkammer gelangt das Treibgas einer seits in die Nutzleistungsturbine 3, welche den Stromerzeuger 4 mit gleichbleibender Drehzahl antreibt, und anderseits in die zweite Turbine 5, welche ihre Leistung an den Verdichter 1 abgibt und mit veränder licher Drehzahl betrieben wird.
Zur Inbetrieb setzung wird die Verdichtergruppe vom An wurfsmotor 6 angetrieben. Der Geschwindig keitsregler 7 bestimmt über eine Kulisse oder Kurvenbahn 8 die Stellung des Brennstoff ventils 9, das von einem Kraftkolben 10 und seinem Steuerkolben 11 betätigt wird. Sinkt zum Beispiel die Drehzahl des Stromerzeu gers 4 wegen Lastaufnahme, so wird das Brennstoffventil 9 mehr geöffnet, so dass die Temperatur der Treibgase ansteigt und die Turbinen 3 und 5 mehr Leistung abgeben können. Über eine zweite Kurvenbahn 12 wird die Drehzahlregelung der Verdichter- bruppe beeinflusst, indem über eine dritte Kurvenbahn 13 und einen Steuer 14 und Kraftkolben 15 die Verteilung der Leistungs abgabe von den Treibgasen an die beiden Turbinen geregelt wird.
Im Beispiel sind zwei mittels Zahnstangen- und Seilzugsan triebes verstellbare Drosselorgane 16 und 17 eingezeichnet, welche die Gase abwechselnd vor der einen oder andern Turbine drosseln. Bei einer Belastung beispielsweise wird zu n,zu- 'Mist heiunveränderter Ste ll ungdes Ge- seliwindi;gkeitsreglers 18 die Kurvenbahn 13 durch das Gestänge angehoben, so dass zu nächst das Ventil 16 ganz geöffnet wird (falls es iiieht schon offen war), so dass das Ventil 1 7 zii schliessen anfängt.
Dadurch wird die Leistmig der Turbine 5 so lange erhöht, bis die Drehzahl desVerdiehters ihren Sollwert erreicht hat. Ist das der Fall, stellt der Geschwindigkeitsregler 18 über die Kurvenhahn 13 die lieistimgsverteilung zwi schen den beiden Turbinen wieder so weit zu- rück, dass die Drehzahl des Verdichters nicht weiter ansteigt oder absinkt.
An Stelle der Drosselorgane 16 und 17 können auch Mischventile vorgesehen werden, die den Treibgasen Kaltluft vom Verdichter druckstutzen beimischen, oder die Turbinen können mit einer Einlasssteuerung versehen sein.
Bei einer plötzlichen grösseren Entlastung funktioniert die Regulierung ohne weiteres in zulässiger Weise: Zunächst wird die Treibgastemperatur infolge der Brennstoff reduktion sofort stark absinken, sodann wird aber infolge der nach und nach sinkenden Drehzahl des Verdichters die Luftmenge re duziert, so dass die Temperatur wieder an steigt. Bei einer plötzlichen grossen Belastung würde sich jedoch vorübergehend eine unzu lässig hohe Treibgastemperatur einstellen. In diesem Moment greift nun gemäss der Erfin dung ein Regelorgan ein, das den Treibgasen Wasser oder Wasserdampf beimischt. Bei dem Beispiel Fig. 1 spricht ein Temperatur fühler 19 an, sobald die Temperatur ihren höchstzulässigen Wert erreicht hat.
Er setzt elektrisch oder mechanisch über den Emp fänger 20 den Steuerkolben 21 in Bewegung, der den Kraftkolben 22 steuert. Durch den Kraftkolben 22 wird das Ventil 23 betätigt, durch welches nun, erfindungsgemäss, Dampf in das Treibgassystem eingeblasen wird.
Die Einführung des Dampfes kann, wie im gezeigten Ausführungsbeispiel, in die Brennkammer, sie kann aber auch in die Treibgasleitung oder unmittelbar vor die Turbine oder auch in eine spätere Stufe der Turbine erfolgen. Durch die Beimischung des Dampfes wird das Treibgasvolumen erhöht. Da die Schluckfähigkeit der Turbine sich aber nicht ändert, so müsste ein Druckanstieg eintreten, der ein Absinken der Fördermenge des Verdichters in das Pumpgebiet zur Folge hätte. Um das zu verhüten, werden Zusatz öffnungen vorgesehen, die während des Re gelvorganges geöffnet werden.
Als solche Zu satzöffnungen kommen in Betracht entweder besondere Düsengruppen, oder Leit- oder Laufschaufeln, deren Durchtrittsquerschnitte durch Verdrehen vergrössert werden, oderUm- gehungsleitungen, durch die entweder einige Stufen derselben Turbine, oder bei mehreren hintereinandergeschalteten Turbinen, ganze Turbinen. übersprungen oder zueinander par allelgeschaltet werden. Es kann auch eine be sondere, nur während des Regelvorganges Leistung liefernde Turbine vorgesehen sein.
In den vorliegenden Ausführungsbeispie len wird die Querschnittserhöhung durch Ein führen des Treibmittels in eine tiefere Stuf der Verdichterantriebsturbine herbeigeführt. Das Abzweigrohr 28 ist im regulären Betrieb abgeschlossen. Kommt Kraftkolben 22 in Be wegung, so öffnet er gleichzeitig mit dem Dampfeinspritzventil 28 die im Rohr 28 ein gebaute Klappe.
Der zur Beschleunigung des Regelvor ganges verwendete Dampf kann, wie ein gangs erwähnt, aus Abwärmen der Gastur bine oder in besonders gefeuerten Kesseln während längeren Arbeitsperioden erzeugt werden. Um eine genügend grosse Dampf menge aber sofort zur Verfügung zu haben, wird dieser Dampf zweckmässigerweise in einem Gefällespeieher 24, der mit Rückschlag ventil 25 und Kondenstopf 26 versehen ist, gespeichert.
In Fig. 2 ist an einem zweiten Beispiel schematisch erläutert, wie die Erfindung auf eine einwellige mit veränderlicher Drehzahl arbeitende Gasturbinenanlage angewendet wer den kann. Der Geschwindigkeitsregler 32 wirkt über eine Kurvenbahn 33 auf den Kraftkol ben 35 und seinen Steuerkolben 36 und somit auf das Brennstoffventil 9. Sinkt zum Bei spiel die Drehzahl, so wird das Brennstoff ventil mehr geöffnet. Eine zweite Kurven bahn 34 wird von Hand oder von einem an dern Regler verstellt; dadurch wird .die Dreh zahl beeinflusst. Bei einem Verschieben der Kurvenbahn 34 nach rechts wird beispiels weise das Brennstoffventil zunächst mehr ge öffnet.
Dadurch steigt die Drehzahl und der Geschwindigkeitsregler reguliert von dann an auf erhöhter Drehzahl. Die Wasserdampf- beimischung erfolgt genau wie beim ersten Beispiel beschrieben. An Stelle von Dampf kann auch Wassar den Treibgasen beigemengt werden. In diesem Falle ist die Brennstoffmenge sofort noch mehr zu erhöhen, da nun nicht nur Überhit zungswärme für den Dampf, sondern auch noch die Verdampfungswärme für das einge spritzte Wasser aufzubringen ist. Die zur Verbrennung dieses Brennstoffes erforderliche Luft wird wieder der Kühlluft entnommen, bis das Gebläse so weit aufgeholt hat, um die dem neuen Belastungszustand entsprechende Treibmittelmenge allein zu liefern.
Für den Einsatz der Wassereinspritzung sorgt auch hier wieder der Temperaturfühler 19. An Stelle des Speichers 24 tritt ein Wassergefäss mit Windkessel. Es kann die benötigte, ver hältnismässig kleine Wassermenge aber auch unmittelbar von einer Pumpe geliefert wer den.
An Stelle des Temperaturfühlers 19 kön nen auch andere Impulsgeber verwendet wer den. So zum Beispiel Gemischregler, die un mittelbar das Verhältnis Brennstoffmen-e zur Brennluftmenge vergleichen. Dabei kann die Brennstoffmenge durch eine Durchfluss mengenmessung oder einfach durch die Stel lung des Brennstoffventils oder durch eine dieser Stellung zugeordnete Grösse (beim ersten Beispiel der Drehzahl der Nutz leistungsturbine) gemessen werden, während die Luftmenge entweder ebenfalls durch eine Durchflussmengenmessung oder durch die Drehzahl des Verdichters bestimmt wird.