Verfahren zur Einstellung des Drehzahlverhältnisses zwischen zwei Turbomaschinen einer Gasturbinenanlage und Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens. Die Erfindung bezieht sich auf ein Ver fahren zur Einstellung des Drehzahlverhält nisses zwischen zwei Turbomaschinen einer Gasturbinenanlage mit Hilfe einer hydrauli schen Kupplung und besteht darin, dass der Flussigkeitsinhalt der Kupplung verschieden eingestellt wird.
Zweckmässig wird der Flüssigkeitsinhalt ,der Kupplung durch Zu- und Abführen von Flüssigkeit ständig erneuert. Bei der eben falls Gegenstand der Erfindung bildenden Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens isst an eine zwei Turbomaschinender Gastur binenanlage verbindende hydraulische Kupp lung eine Vorrichtung zur Zu- und Abfuhr von Flüssigkeit angeschlossen, mit deren Hilfe der Flüssigkeitsinhalt der Kupplung verschieden eingestellt wird. In dieser Vor richtung ist zweckmässig mindestens ein Regelorgan angeordnet, mit dessen Hilfe der Flüseigkeitsinhalt der Kupplung eingestellt wird. Das Regelorgan kann z. B. in der Zu fuhrleitung oder aber auch in der Abfuhr- Leitung angeordnet sein.
Die Einstellung des Riegelorganes kann durch einen Fliehkraft regler erfolgen, zum Beispiel so, dass eine der gekuppelten Turbomaschinen mindestens an nähernd mit unveränderlicher Drehzahl läuft.
An Hand der Zeichnung, welche zwei Aus führungsbeispiele, einer Einrichtung zur Aus führung des Verfahrens zeigt, wird auch das Verfahren beispielsweise erläutert. Fig. 1 zeigt an einer Gasturbinenanlage ein erstes Beispiel der Einrichtung; Fig.2 stellt ein zweites Beispiel dar.
Das vom Verdichter 1 (Fig.1) verdichtete Arbeftsmittel gelangt in die Rohre des Wärme- austauschers 2 und wird hier vorgewärmt. In der Austrittsleitung des Wärmeaustau- schers an der Stelle 19 findet eine Aufteilung des Arbeitsmittelstromes statt. Ein Teil ge langt :durch @diie Leitung 18 in den Erhitzer 3 und wird bei der Umströmung der Wärme- auskausichrohre auf :die höchste. Betriebstem peratur gebracht.
Dias verdichtete und erhitzte Arbeitsmittel wird in der Turbine 4 entspannt und strömt dann in den die Wärmeaustausehrohre des Wärmeaustauschers 2 umgebenden Raum, wo es einen Teil seiner Restwärme an das aus dem Verdichter 1 kommende Arbeitsmittel abgibt. Ein weiterer Teil der Restwärme wird im Kühler 5 an ein Kühlmittel abge führt, worauf das Arbeitsmittel von neuem dem Verdichter 1 wieder zuströmt und den Kreislauf von neuem beginnt.
Ein zweiter Teil des, an der Stelle 19 aufgeteilten Arbeitsmittelstromes wird dem Kreislauf entnommen und als Verbrennungs luft dem Brenner des Gaserhitzers 3 zuge führt. Die Verbrennungsgase strömen durch die Wärmeaustauschrohre des Gaserhitzers und gelangen dann in die Turbine 8, aus der sie nach Entspannung an weitere nicht ge zeichnete Verbrauchsstellen, z. B. in Wärme- austauscher, oder aber ins Freie abgeführt werden können.
Dem Kreislauf wird durch den Verdichter 6 als Ersatz für die an der Stelle 19 entnom mene Teilmenge ständig Luft aus der Atmo sphäre zugeführt. Diese Ersatzmenge wird in den Wärmeaustauscher 2 an ,einer Stelle ein- geführ t, an der das aus der Turbine 4 rück strömende Arbeitsmittel ungefähr die gleiche Temperatur wie die Ersatzmenge aufweist.
Die vom Arbeitsmittelstrom des Kreis laufes beaufschlagte Turbine 4 treibt die Ver dichter 1 und 6. Alle drei Turbomaschinen sind miteinander unmittelbar gekuppelt. Au- Berdem ist mit dieser Maschinengruppe noch der Anlassmotor 7 verbunden. Die Turbine R, welche durch die aus dem Kreislauf entnom mene Teilmenge beaufschlagt ist, treibt über ein Getriebe 9 den Sehiffspropeller 10.
Die Gruppe, der Turbomaschinen 1, 4 und 6 ist mit der Turbomaschine 8 durch eine hydraulische Kupplung 11 verbunden. Zur Einstellung des Drehzahlverhältnisses zwi schen den zu beiden Seiten der Kupplung 11 angeordneten Turbomaschinen wird der Flüs sigkeitsinhalt der Kupplung verschieden ein gestellt. Durch die Leitung 12 wird der Kupplung Flüssigkeit zugeführt, durch die Leitung 13 kann Flüssigkeit aus der Kupp- hing werden. In der Leitung 12 ist das Regelorgan 15 und in der Leitung 13 das Regelorgan 16 angeordnet. Beide Regel organe werden durch den Geschwindigkeits regler 14 gesteuert, der von der gemein samen Welle der Turbomasdrinen 1, 4 und 6 angetrieben ist.
Durch geeignete Einstellung der Regelorgane 15 und 16 ist es möglich, mittels Zu- und Abführens von Flüssigkeit den Flüssigkeitsinhalt der Kupplung auf dem erforderlichen Mass zu halten und stän dig zu erneuern. Durch die Erneuerung des Flüssigkeitsinhaltes wird die infolge Flüs sigkeitsreibung erzeugte Wärme ständig ab geführt. Die Flüssigkeit wird ausserhalb der Kupplung gekühlt, bevor sie von neuem wie der in die Kupplung eingeführt wird.
Durch den Regler 14 kann erreicht wer den, dass die Gruppe der Turbomaschinen 1, 4 und 6 mindestens annähernd mit unverän derlicher Drehzahl arbeitet. Steigt die Dreh- zahll der Turbomasehinen 1, 4 und 6, so öff net der Fliehkraftregler 14 das Ventil 15. Die Kupplung wird mehr gefüllt und die Leistungsabgabe erhöht, wobei die Drehzahl wieder auf den ursprüngliche n Sollwert ab wird. Sinkt die Drehzahl der Turbo- masehine n 1, 4 und 6, so öffnet der Fliehkraft regler das Ventil 16, so d,ass der Flüssigkeits inhalt der Kupplung vermindert wird und die Leistungsabgabe abnimmt, bis die Drehzahl wieder auf den verlangten Sollwert angestie gen ist.
An Stelle der in Fig. 1 gezeigten Regel- varrichtung zur Einstellung des Fliüsigkeits- inhaltes der hydraulischen Kupplung kann auch die in Fig. 2 gezeigte Regelvorrichtung verwendet werden. Mit der Welle 20 ist. dann die Gruppe der Verdrehter und ihrer Turbine (1, 4 und 6, Fig. 1) verbunden, wäh rend mit der Welle 21 die Nutzleistungs turbine (8, Fig. 1) verbunden ist.
Durch die 1,ydrauli.ehe Kupplun- 11 wird von der schneller dreh:eii@den Welle Leistung auf clie langsamer drcliende Welle übertragen-. Die Übertragungsrichtung kann je nach dem Drehzahlverhältnis wechseln. Aus der Lei tung<B><U>97</U></B> 7 wird der Kupplung 11 über die Regelorgane 28 und 30 und die Leitung 32 Flüssigkeit zugeführt.
Durch d ie unveränder liche, Öffnung 33 wird der Kupplung ständig Flüssigkeit entnommen. Die Fliehkraftregler 22 und 23 werden von der Welle 20 und der Fliehkraftregler 24 von der Welle 21 an getrieben. Der Regler 25 wird durch den Druck des Arbeitsmittels im Kreislauf der Gasturbinenanlage beeinflusst; er bleibt so, lange unverändert, als der Druckverlauf im Kreislauf der Gasturbinenanlage sich nicht ändert.
Die in der Zeichnung gezeigte Stellung der Regelorgane entspricht einem Betriebszu stand, bei dem von der schneller drehenden Welle 20 Leistung durch die hydraulische Kupplung auf die langsamer drehende Welle 21 übertragen wird. Der Kupplung strömt aus der Leiturg 27 über das Regelorgan 28, durch dis Verbindungsleitung 29, über das Regel organ 30 und durch, die Leitung 32 Arbeits flüssigkeit zu. Durch die Öffnung 33 strömt eine Menge von Arbeitsflüssigkeit aus der Kupplung ab, die dem Druck des Flüssig keitsinhalter entspricht. Dieser Druck isst von der Drehzahl der Kupplung und der Grösse des FDüssigkeitsinhaltes abhängig.
Steigt die Drehzahl der Welle 20, so hebt der Fliehkraftregler 22 den Schieber des Regelorganes 30 nach oben. Durch den am Schieber befindächen kegelförmigen Teil wird ein grösserer Querschnitt freigegeben, so dass der Kupplung eine vermehrte Flüssig keitsmenge zugeführt wird. Der dabei ent stehende grössere Flüssigkeitsinhalt vermag von der Welle 20 mehr Leistung auf die Welle 21 zu übertragen. Dadurch wird die Drehzahl der Welle 20 wieder auf den Soll- wert Gleichzeitig mit demAn- heben des Schiebers im Regelorgan 30 durch den Fliehkraftregler 22 wird auch der Schie ber im Regelorga n 28durch den Fliehkraft, regler 23 angehoben.
Wohl ist die Muffe des Reglers 23. über einen am festen Punkt 36 gelagerten Hebel mit der Muffe des Reglers 24 verbunden; das Steigender Drehzahl der Welle 20 verursacht aber dennoch ein Stei gen des Reglers 23, wobei nicht nur seine eigene Muffenbelastung, sondern auch die Muffenbelastung des Reglers 24 entspre chend ansteigt. Das Anheben des Schiebers im Regelorgan 38 durch den Regler 23 ändert aber am beschriebenen Regelvorgang nichts, weil die zur hydraulischen Kupplung durch strömende Flüssigkeitsmenge allein durch das Regelorgan 30 mit Hilfe des kegelförmi gen Teils des Schiebers eingestellt wird.
Fällt die Drehzahl der Welle 20 - und zwar innerhalb eines Bereiches, der noch über der Drehzahl der Wedle 21 liegt - so wird mit Hilfedes Fliehkraftreglers 22 die Flüs sigkeitszufuhr zur Kupplung mit Hilfe des Schiebers im Regelorgan 30 vermindert odergar vollständig unterbrochen. Die verminderte Zu fuhr von Flüssisigkeit zur Kupplung lässt den Fllüssigkeitsinhalt in der Kupplung kleiner werden, so dass eine geringere Leistung durch die Kupplung übertragen wird. Dabei kann die Drehzahl der Welle 20 wieder auf ihren Sollwert ansteigen. Im Grenzfall bei voll ständiger Unterbrechung der Flüssigkeitszu fuhr läuft die Kupplung ganz leer, Leistung kann dann nicht mehr übertragen werden.
Gleichzeitig bewirkt auch das Abfallen der Drehzahl an der Welle 20 ein Sinken des Reglers 23 und des Schiebers im Regel- organ28. Der Durchflussquerschnitt bleibtaber vorerst noch grösser als der Durchflussquer schnitt im Regelorgan 30, so dass an der Regelung durch das Organ 28 nichts geän dert wird. Beim Sinken des Reglers 23 läss t der am festen Punkt 36 gelagerte Hebel den Regler 24 ansteigen, wobei die Muffenbela stung der beiden Regler einander entspre chend angeglichen werden.
Würde nach Endleerung der Kupplung Die Drehzahl der Welle 20 nicht wiedex auf den Sollwert ansteigen, gegebenenfalls sogar unter die Drehzahl der Welle 21 abfallen, so wird der Sehleber des Regelorganes 30 noch weiter nach unten sinken, bis er schliesslich eine Verbin- dung zwischen den Leitungen 34 und 32 frei gibt.
Die beiden Regler 23 und 24 sind so ausgebildet und angeordnet, dass bei gleicher Direhzahl der Wellen 210 und 21 der ,Schieber ,des Regelorganes <B>28</B> i, seine mittlere Lage ge- langt.
Diese Mittellage wird sowohl bei Über einstimmung hoher Drehzahl der beiden Wel len 20 und 21 als auch bei Übereinstimmung niedriger Drehzahlen der Wellen 20 und 2l erreicht, weil der die beiden Muffen der Regler verbindende Hebel an einem festen Punkt 36 gelagert ist. Fällt also die Drehzahl der Welle 20 unter die Dreh zaihl der Welle 21, so wird auch gleichzeitig durch den Flieh kraftregler 23 der Schieber des Regelorganes 28 so weit nach unten bewegt, dass aus der Leitung 27 über die Leitung 34 Flüssigkeit in das Regelorgan 30 strömen kann. Da der Schieber dieses Regelorganes 30 schon die Verbindung zwischen den Leitungen 34 und 32 freibegeben hat, kann nun wieder Flüssig keit aus der Leitung 27 in die Kupplung ge langen. Die Kupplung wird erneut mit Flüs sigkeit gefüllt, so dass nunmehr umgekehrt.
Leistung von der Welle 21 auf die Welle 20 übertragen wird, bis die Drehzahl an der Welle 20 mindestens angenähert den Wert der Drehzahl der Welle 21 erreicht hat.
Die Gasturbinenanlage wird zweckmässig so entworfen, dass bei normaler Belastung zwischen den Turbomaschinen keine Leistung über die Kupplung ausgetauscht werden muss. Die Welle 20 soll eine möglichst unveränderli- ehe Drehzabl aufweisen, währe die Drehzahl der Welle 21 bei Veränderung der Belastung sieh, entsprechend dem Propellergesetz ändert. Es entstehen dann zwei grundsätzlich ver- schiedeue Regelungshereiche, nämlich erstens der Teillastbereich, in welchem die Welle 20 eine höhere Drehzahl besitzt als die Welle 21 und somit der Welle 21 Leistung abzugeben vermag, und zweitens der Überlastbereieb, wo die Welle 21 schneller läuft und Leistung auf die Welle 20 übertragen kann.
Wenn die Anlage wie voranstehend ent-. worfen ist, wird im Teillastbereich dureh den Regler 22 der Flüssigkeitsinhalt der Kupp lung vergrössert, sobald eine Erhöhung der Drehzahl der Welle 20 eintritt, bis infolge der vermehrten Leistungsübertragung von der Welle 20 auf die Welle 21 die Drehzahl wie der in den Bereich des Sollwertes ahgesenkt isst. Sollte bei Teillast die Drehzahl der Welle 20 unter die Drehzahl der Welle. 21 fallen, so ird mit Hilfe der Regelorgane 28 und 30 wieder der Flüssigkeitsinhalt der Kupplung vergrössert. Dann wird umgekehrt Leistung von der Welle 21 auf die Welle 20 übertra gen.
Im Überlastgebiet erhöht der Regler 22 den Flüssigkeitsinhalt der Kupplung, wenn die Drehzahl der Welle 20 unter den Soll- werthereicb abfällt, so dass von der Welle 21 auf die Welle 20 Leistung übertra=gen wird. Steigt die Drehzahl der Welle 20 im Über lastbereich über die Drehzahl der Welle 21, so bietet die Regelung eine Sicherung gegen- zu hohe Drehzahl der Welle 20. Beim Erreiehen einer zu haben Drehzahl wird näm lich von der Welle 20 auf die Welle 21 Lei stung übertragen.
Der Druckverlauf im Kreislauf des Arbeitsmittels für die Gasturbinen wird mit der Belastung der nlage verändert. Bei Er- höhnrng der Belastung wird der Druckverlauf im Kreislauf erhöht und umg2ekehrt beim Sin ken der Belastung abgesenkt. Bei Änderung der Höhe des Druckverlaufes im Arbeitsmittel kreislauf findet eine zusätzliehe Beeainflussung durch den Regler 25 statt, und zwar in dem Sinne, dass die Salldrebzahl der Welle 20 mit abnehmender Belastung der Gesamtanlage vermindert und mit zunehmender Belastung vergrössert wird.
Der Kolben 35 steht auf der obern Seite unter dem Druck des gasförmigen Arbeits mittels an einer ausgewählten Stelle des Kreislaufeis und auf der untern Seite unter dem Druck einer Feder.
Steigt der Druck, @o. wird der Hebel 26 durch den Regler 25 nach unten gezogen. Das Gleichgewicht der Regelung wird nun bei einer höheren Drehzahl der 'Welle 20 eingestellt als bei geringeren. Drücken. Sinkt der Druck, so, steigt umgekehrt der Kolben 35 an. Es wird dann das R@egelung2glcieh-- gewicht bei einer niedrigeren Drehzahl der Welle 20 h@ergestell:t.
Die Drehzahl der Welle 20 und damit .der Gruppe der Turbine 4 und der Verdichte r 1 und 6 wird bei höherer Belastung der Ge samtanlage höher und bei geringerer Bela.- stung niedriger eingestellt. Die Veränderung der Drehzahl der Welle 20, kann je nach Be triebsbedingungen in einem Bereich von 5 bis 10% sich bewegen.
Die Erfindung kann auch auf andere Gasturbinenanlagen angewendet werden, z.B. solche, bei denen die Nutzleistungsturbine im Kreislauf eingeschaltet ist und mindestens eine Verdichterturbine durch die Abgase d er Anlage beaufschlagt irrt. Die hydraulische Kupplung wird vorteilhaft cis. hydrodynami sche Kupplung ausgebildet, bei der die Lei tung mit Hilfe von strömender Flüssigkeit übertragen wird. In einer solchen Kupplung kann auch ein Leitkranz angeordnet sein, welcher die Strömung der Arbeitsflüssigkeit innerhalb der in geeigneter Weiss lenkt.