Treibgaserzeugungsanlage. Die Erfindung betrifft eine Treibgaser zeugungsanlage mit nachgeschaltetem Treib gasverbraucher und bezweckt, bei rasch er folgenden, grösseren Belastungsänderungen einen Wechsel einer Betriebstemperatur des Verbrauchers zu verlangsamen oder ganz zu vermeiden.
Gemäss der Erfindung ist eine Regelein richtung vorgesehen, die eine Drosselvorrich tung und ein regelbares Treibgasablassorgan umfasst, welche beiden Teile zwischen Treib gaserzeuger und Verbraucher eingeschaltet sind.
Die Anlage nach der Erfindung lässt sich derart ausbilden, dass bei raschen und vor übergehenden Belastungsänderungen des Treibgasverbrauchers z. B. das Mittel der Temperaturen des Treibgases zwischen Ein- und Austritt an einer als Verbraucher ver wendeten Gasturbine annähernd konstant bleibt, wodurch die thermisch und mechanisch hoch beanspruchten Teile der Gasturbine we sentlich geschont werden und ihre Lebens dauer sich vergrössert.
Um grössere Leistungsverluste zu vermei den, kann die Betätigung der Regeleinrich tung sich auf einen verhältnismässig kurzen Übergang vom alten zum neuen Belastungs zustand beschränken und durch weitere Vor richtungen die Leistung des Treibgaserzeu gers nach einiger Zeit selbsttätig der Lei stung des Verbrauchers wieder angepasst werden.
Auf der Zeichnung sind einige Ausfüh rungsbeispiele der Erfindung schematisch dar gestellt.
Fig. 1 stellt ein Temperatur-Entropie- Diagramm dar.
In Fig. 2 ist eine Anlage mit Treibgas erzeuger und Nutzleistungsturbine gezeigt. Fig. 3 gibt die Einzelheiten der Regelein richtung für eine Schiffsantriebsanlage wie der.
Fig. 4 stellt die Kennlinie der Nutzlei- stungsturbine und den Verlauf der Schliess-, kraft des Ablassventils dar.
Fig. 5 und 6 sind Federkraftdiagrämme. Fig. 7 ist eine Weiterausbildung einer Einzelheit aus Fig. 3.
Fig. 8 und 9 zeigen ein kombiniertes Drosselventil für zwei Turbinen.
In Fig. 1 ist im Temperatur-Entropie- Diagramm die Gasentspannung in einem Ver braucher, z. B. einer Turbine, vereinfacht dargestellt. Darin bedeuten die Punkte a, b und c die Gaszustände des den Treibgas erzeugerverlassenden Treibgases bei 3/3,2/3 und 1/3 Last der Turbine bei rascher Lastände rung, die Punkte a, b' und c nach entspre chender Drosselung zwischen Treibgaserzeu ger und Turbine beim Eintritt in die Tur bine. Die Punkte d, e' und f' stellen die Gas zustände am Austritt der Turbine bei den drei Belastungen dar. Dabei bleibt das Mittel g, h, i der Gastemperaturen zwischen den Punkten a und d, b' und e', c' und f', das heisst bei allen Lasten konstant.
Die Regel einrichtung kann ausserdem, z. B. nach Ver lauf einer bestimmbaren Zeit, das aus dem Treibgaserzeuger austretende Treibgas auf den durch die Punkte a, b" und c" dargestell ten Zustand einstellen, denen die Austritts- zustände d, e' und f" entsprechen. Alsdann ist bei jeder der drei Belastungen der wirt schaftlichste Betriebszustand erreicht.
Vom Treibgaserzeuger 1 (Fig. 2) führt die Treibgasleitung 2, 3 zur Nutzleistungs turbine 4, die den elektrischen Generator 5 antreibt.
Gemäss Fig. 2 geht nun die Steuergrösse vom Drehzahlregler 6 der Hauptturbine 4 aus und gelangt nach erfolgter Verteilung in der Verteilvorrichtung 7 und Kraftein schaltung an folgende Organe: ein Drossel ventil 8 im Treibgasstrom der Hauptturbine 4. ein druckregulierendes Abblase- oder Ab lassventil 9 in der Treibgasleitung 2 vor dem Drosselorgan 8 und das die einzuspritzende Brennstoffmenge regulierende Organ der Brennstoffpumpe 10 des Treibgaserzeugers 1. Die Steuergrösse vom Drehzahlregler 6 wird durch die Verteilvorrichtung 7 in zwei Sum- nianden zerlegt, nach Massgabe der ihr Ver hältnis bestimmenden Organe 11 und 12. Bei der Anlage nach vorliegender Erfin dung können somit im Gegensatz zu bisher bekannten Einrichtungen, welche z.
B. die Leistungsregulierung der Anlage nur durch Drosseln des Treibgases oder nur durch Ab lassen von Treibgas erreichen wollen, beide Reguliereingriffe gegebenenfalls gleichzei tig und vorzugsweise als vorübergehende Massnahme in Abhängigkeit von der Grösse und der Geschwindigkeit der Laständerung vorgenommen werden. Weiter können diese Eingriffe auf die übrigen Regulierorgane so zurückgeführt werden, dass im stationären Betriebszustand der Anlage ausser bei klei nen Teillasten das Treibgas weder gedros selt noch abgeblasen wird. Das über die Dros selung des die Nutzleistungsturbine 4 durch strömenden Gases Gesagte gilt gegebenen falls auch für eine den Vorverdichter 14 an treibende HiIfsturbine 15 (Fig. 3).
In Fig. 3 ist eine Regeleinrichtung für eine Freikolben-T'reibgasanlage als Schiffs antrieb dargestellt, bestehend aus dem Frei kolben-Treibgaserzeuger 1, der Nutzleistungs- turbine 4 zum Antrieb der Schraube 16 und der Hilfsturbine <B>15</B> mit dem -Vorverdichter 14, der dem Treibgaserzeuger 1 die gesamte Luftmenge unter einem bestimmten Über druck liefert.
Die Fahrt des Schiffes wird am Kom mandohebel 17 eingestellt, der mittels einer an sich bekannten Hilfsvorrichtung 18 direkt oder indirekt die Steigung der im Betrieb verstellbaren Flügel 19 der Schraube 16 be stimmt. Dadurch ändert sich zunächst Bela stung und Drehzahl der Hauptturbine 4. Deren Geschwindigkeitsregler 6 senkt bei steigender Drehzahl der Hauptturbine 4 das Gestänge 21 mit dem Verteilorgan, dem dop- pelarmigen Hebel 7, der einerseits mit dem Gestänge 22, 30, 31, anderseits mit dem Ge stänge 23, 24 verbunden ist.
Erfolgt die Entlastung langsam und aus einem stationären Zustand, so bewegt sich die Stange 25 unter Überwindung des Wider standes der Ölbremse 26 mit der einstellbaren Drosselung 27 und der einen der beiden Spannfedern 28. Damit bewegt sich auch die' Stange 30 und der Hebel 31, der in bekannter Weise über das Steuerkölbchen 32 den Servo motor 33 in Bewegung setzt. Durch den Servomotor 33 werden über die Kulisse 34 mittels der Bahn 35 das Ablassventil 9 und mittels der Bahn 36 das Leistungsregulier organ 10, z. B. das Organ der Brennstoff pumpe zum Einstellen der in den Freikolben- Treibgaserzeuger 1 einzuspritzenden Brenn stoffmenge, verstellt.
Diese Verstellung ist jedoch mit Rücksicht auf die Funktionsnut 40 und die Begrenzungsvorrichtung 41 nur in beschränktem Ausmasse und mit Rücksicht auf die Ölbremse 26 nur unterhalb einer be stimmten Geschwindigkeit möglich.
Im Diagramm (Fig. 4) sind über der Treibgasmenge als Basis die Kurven x und y aufgetragen, deren Ordinate den Druck p darstellt. Die Kennlinie x gibt den Verlauf des spez. Druckes in kg/cmê des Treibgasver brauches durch die Turbine 4 (Fig. 2) bezw. die beiden Turbinen 4 und 15 (Fig. 3), wäh rend die punktierte Kurve y die spez. Be lastung des Abblaseventils eines Treibgas erzeugers darstellt, das heisst die Schliesskraft dividiert durch die vom Treibgas belastete Fläche des Ventils.
Die Menge G1 ist die kleinstzulässige Treibgasmenge, bei welcher der Freikolben- Treibgaserzeuger im Leerlauf betrieben wer den kann. Daher ist das Abblaseventil bis zur Menge GI unbelastet, und das Treibgas wird durch das Abblaseventil ins Freie ab gelassen. Zwischen G1 und G2 nimmt die Be lastung des Abblaseventils zu. Die abzubla sende Treibgasmenge beim Druck p1 wird durch den Abstand z-z1 dargestellt. Da nun bei zunehmender Belastung der Gasturbine der Treibgasverbrauch zunimmt, wird dieser Abstand, das heisst die sekundliche Menge, die abgelassen wird, immer kleiner.
Deshalb wird das Abblaseventil mehr und mehr ge- schlossen, und der Treibgasdruck p erhöht sich. Im Punkt G2 ist das Abblaseventil ge schlossen und wird nun im weiteren Arbeits bereich von G2 bis G3 mit einem veränder lichen Schliessdruck belastet. Dieser Schliess druck wird zwischen G2 und G3 in Abhängig- keit von einem Betriebsfaktor der Anlage so eingestellt, dass er mindestens in diesem Ar beitsbereich des Treibgasverbrauchers um den einstellbaren Betrag dp über dem jewei ligen Treibgasdruck liegt,
der durch den Ver braucher entsprechend der Kennlinie x be- stimmt wird.
Die Funktionsnut 40 (Fig. 3) und die Be grenzungsöffnung 41 werden infolge der An ordnung auf dem Lineal 42 durch den feder belasteten Druckregler 52 über das Gestänge 44 gemeinsam eingestellt. Der Druckregler 52 steht durch die Leitung 50 mit der Treibgas leitung 2 in Verbindung und stellt sich daher proportional zum Treibgasdruck ein.
Entsprechend ihrer Kennlinie läuft die Hauptturbine 4 bei jedem Treibgasdruck im stationären Zustand bei einer bestimmten Dreh zahl mit bestem Wirkungsgrad. Dieser Dreh zahl entspricht eine bestimmte Stellung des Drehzahlreglers 6, der Stange 21 und, sofern sich die Stange 23 in ihrer durch die Feder 53 herbeigeführten obern Endlage befindet, auch des Hebels 7.
Die Funktionsnut 40 ist nun so gestaltet, dass jeder Lage des Lineals 42, entsprechend einem bestimmten Treibgas druck im Druckregler 52, eine bestimmte Stellung der Stange 29 zugeordnet ist, die in Verbindung mit der Stellung des gebels 7 verursacht, dass sich die Stange 25 in Mit tellage befindet, das heisst dass sieh die bei den Federn 28 die Waage halten, und dass der Stein 20 sowohl nach oben als auch nach unten innerhalb der Begrenzungsöffnung 41 einen gewissen Weg zurücklegen kann.
Da die beiden Federn 28 nicht die gleichen Kenn linien zu besitzen brauchen, kann die Mittel- lage auch,' wie in Mg. 3 dargestellt, durch Federanschläge gekennzeichnet sein.
Das bedeutet, sofern das Gestänge 44 nicht durch die Anschläge der Kulisse 59 in seiner Bewegung behindert wird, dass im stationären Zustand der Anlage ein gewisser Regulierausschlag sowohl im Sinne einer Be lastung als auch einer Entlastung vom Dreh zahlregler 6 unverzüglich an das Gestänge 30 und damit an das Ablassventil 9 und das Lei- stungsregulierorgan 10 gelängen kann, und dass sich nur nach Massgabe der Nachstel lung des Lineals 42 durch den Treibgasdruck die Grenzen dieses Ausschlages verschieben.
Erreicht der Ausschlag des Reglers 6 jedoch eine solche Grösse, dass der Stein 20 in der Begrenzungsöffnung 41 zum Anstehen kommt, so überträgt sich im Entlastungsfall die weitere Bewegung unter Überwindung der Federkraft 53 auf die Stange 23. Dasselbe geschieht, wenn eine bestimmte Regulier geschwindigkeit überschritten wird, was an Hand von Fig. 5 und Fig. 6 dargestellt ist. Darin sind über dem Regulierweg s der Stange 25, als Abszisse, die daran wirken den Kräfte P als Ordinaten aufgetragen. Die Gerade r bedeutet die entsprechend den Über setzungsverhältnissen der Hebel 7 und 22 auf den Regulierweg s umgerechnete Feder kennlinie der Feder 53.
Die Gerade i stellt die Federkennlinie der Feder 28 dar, wäh rend k, <I>m, n</I> und o die bei grösseren Ge schwindigkeiten wachsenden Widerstände der Ölbremse 26 zum Ausdruck bringen. Die Schnittpunkte der Geraden r mit den Gera den o, n, m und k geben bei verschiedenen Regulierwegen die Grenzgeschwindigkeiten an, oberhalb denen ein Teil der Regulierbe wegung auf die Stange 23 (Fig. 3) übertragen wird, was in Fig. 6 mit der Reguliergeschwin digkeit c als Ordinate aufgetragen ist. Die ses Diagramm zeigt, dass mit wachsender Ab weichung von der dem stationären Zustand entsprechenden Mittellage die an die Stange 30 übertragenen Regulierbewegungen mit sinkender Geschwindigkeit erfolgen.
Beim Sinken der Stange 23 erfährt der Hebel 24 eine Verschiebung, welcher der Servomotor 54 (Fig. 3), gesteuert durch das Kölbchen 55, nachkommt. Der Servomotor 54 betätigt über die Kulisse 56 die Drosselven tile 8 und 57 in der Treibgasleitung 2, 3 der Hauptturbine 4 und vor der Treibgasleitung 58 für die Vorverdichtergruppe 14, 15. Da mit wird die an die Turbinen 4 und 15 abge gebene Gasleistung in bestimmter, durch die Ausbildung der Kulisse 56 gegebener Weise gedrosselt.
Diese Drosselung währt indessen nur so lange, bis die Feder 53 allmählich nach Mass gabe der Ölbremse 26, der Funktionsnut 40 . und der Begrenzungsöffnung 41 bei entspre- chender Freigabe der Bewegung dieser letz te reu Organe durch den Einstellhebel 51 sich entspannt hat, worauf die beiden Treibgas ströme wieder ungedrosselt sind.
Die Tempe- raturen des Treibgases in den beiden Turbi nen 4 und 15 sind in diesem Fall in genügend langsamer, am Drosselventil 27 einstellbarer Zeit abgesenkt worden, so dass keine schä digenden Einflüsse, insbesondere auf die Tür- binenschaufelung, auftreten können.
Im Falle grossen oder raschen Belästens der Anlage erfolgt kein Ausgleich über das Gestänge 23. In diesem Fall wird die Feder 61 so lange zusammengedrückt, bis sich nach Massgabe der Ölbremse 26, der Begrenzungs öffnung 41 und der Funktionsnut 40 die Re gulierbewegung an das Ablassventil 9 und das Leistungsregulierorgan 10- übertragen hat.
Durch eine andere, für jede Belastung ein deutig bestimmte Einstellung des Hebels 51 kann aber auch, vorübergehend oder dauernd, die Mindestleistung des F'reikolben-Treibgas- erzeugers 1 so begrenzt werden, dass auch bei längerem T'eillastlauf oder Leerlauf der An lage die mittlere Temperatur der Haupttur bine 4 und der Turbine 15 annähernd kon stant bleibt, was besonders bei kurzzeitigen vollen Entlastungen im Schiffsmanöverbe- trieb wesentlich zur Schonung der Turbinen beiträgt.
Wird nämlich der Hebel 51 nach rechts bewegt, so greift die Kulisse 59 mit verschiedenen Rasten in das: Gestänge 44 ein und verhindert damit in verschiedenen<B>Ab-</B> stufungen das Zurückgehen des Lineals 42 auf Stellungen kleinerer Leistung.
In Fig. 7 ist eine flüssigkeitsgesteuerte Anordnung der Steuerung für das Lineal 42 dargestellt. Der durch die Leitung 50 unter Treibgasdruck stehende Druckregler 52 trägt, ein Steuerkölbchen 48, das. durch den Öl druck in der Leitung 47 belastet ist. Je nach der Stellung des Einstellhebels 51 erfährt das Steuerkölbchen 48 ausserdem eine Zugkraft nach oben durch die Zugfeder 49.
Ist diese , Zugkraft infolge entsprechender Einstellung des Hebels 51 nicht vorhanden, so muss der Druck in der Leitung 47 proportional zum Treibgasdruck sein, mit wachsender Kraft der Zugfeder 49 wird jedoch der Druck in der Leitung 47 um einen bestimmten Betrag grösser. Da durch diesen Druck der Servo motor 43 in bekannter Weise über das Steüer- kölbchen 46 gesteuert wird, bedeutet eine Er höhung der Federkraft der Feder 49 eine ein seitige Begrenzung des Arbeitsbereiches des Servomotors 43 und damit auch des über das Gestänge 44 damit verbundenen Lineals 42.
Es wird damit in kontinuierlicher Weise die gleiche Wirkung wie mit den Rasten der Kulisse 59, nach Fig. 3, erzielt.
Ausserdem kann durch Verbindung des Einstellhebels 51 mit dem Kommandohebel 17 durch die Stange 60 selbsttätig die oben erwähnte Einstellung des Hebels 51-in Ab hängigkeit von der Belastung der Anläge be werkstelligt werden, derart, dass die Rück führung des oder der Freikolben-Treibgas erzeuger auf den stationären Zustand ver hindert wird, wodurch ausschliesslich die in Fig. 1 durch die Punkte a, b' und c' dar gestellten Betriebszustände für die Turbinen in Frage kommen und deren Teile thermisch geschont werden.
In Fig. 8 und 9 ist eine konstruktive Aus führung dargestellt, durch welche die Dros selorgane 8 und 57 zu einem Schieber 63 zusammengefasst sind, aber gleichwohl unab hängig voneinander bedient werden können.
An den Drosselschieber 63 sind die Treib gasleitung 2 vom Treibgaserzeuger 1, die Treibgasleitung 3 zur Hauptturbine 4 und die Treibgasleitung 58 zur Hilfsturbine 15 angeschlossen. Der Hebel 64 dreht den Schie ber 63 um seine Längsachse zur Regulierung des Drosselquerschnittes 67 in der Leitung 58 und der Winkelhebel 66 bewegt ihn in der Richtung dieser Achse zur Regulierung des Drosselquerschnittes 65 der Leitung 3. Diese beiden Hebel 64 und 66 können durch die Kulisse 56 mit dem Servomotor 54 gekup pelt werden. Hingegen gestattet diese Kon struktion, auch die Verstellung des Drossel querschnittes 67 in der Treibgasleitung 58 von andern Regulierorganen aus unabhängig von dem Regler 6 der Turbine 4 zu betätigen, z.
B. in Abhängigkeit von der Drehzahl der Turbine 15 oder des Vorverdichterdruckes.
Fig. 9 zeigt die Abwicklung des Schiebers 63 und eine Stellung der Drosselquerschnitte 65 und 67 des Schiebers 63 in bezug auf die Öffnungen 68 und 69 im Schieberspiegel 70. Der Schieber 63 ist dabei nach oben verschoben und sperrt die Leitung 3 von der Leitung 2 ab (Mg. 8), während die Leitung 58 an die Leitung 2 angeschlossen ist.
An Stelle der gezeigten Anordnung der Schlitze 65 und 67 auf dem Schieber 63 können auch die Schlitze 65 und 67 je einen Streifen auf dem ganzen Umfang des abgewickelten Schiebers 63 ein nehmen, wobei dann das Schiebergehäuse ent sprechend ausgebildet wird, dass die Leitun- gen 3 und 58 je mit einem oder mehreren, gasdicht gegeneinander abgetrennten, den Schieber umgebenden Ringräumen verbunden sind.
Da an den Leitungen 3 und 58 Turbinen angeschlossen sind, ist der Schieber 63 nach unten geöffnet und mündet in den Ringraum 71 mit den verschliessbaren Stutzen 72. All fällige mit dem Treibgasstrom mitgerissene Stücke Ölkoks oder anderes, das die Tur- binenschaufelung zusetzen oder beschädigen könnte, wird im Ringraum 71 gesammelt. Zum gleichen Zweck ist der .Schieberspiegel 70 von einem Maschensieb 73 umgeben.
An Stelle der in Mg. 2 gezeigten<B>An-</B> ordnung des Ablassventils 9 zwischen dem Drosselventil 8 und dem T'reibgaserzeuger 1 kann das Ablassventil 9 auch an der Leitung 3 -zwischen dem Drosselventil 8 und der Tur bine 4 angeordnet sein, oder es können ins besondere bei Anlagen mit mehreren Treib gaserzeugern ein oder mehrere Ablassventile sowohl zwischen Treibgaserzeuger und dem Drosselventil als auch zwischen diesem und der Turbine angeordnet sein.
Das den Ablass- ventilen entströmende Treibgas kann gege benenfalls mit dem Abgas der Gasturbine zusammen in irgendwelchen Wärmeaus tauschappäraten verwertet werden, sofern bei der Leistungsregelung der Anlage der Druck, wie in Fig. 4 gezeigt, sich bei Änderung der Treibgasmenge ändert.
Wird dagegen der Treibgasdruck am Aus tritt des Treibgaserzeugers zeitweise oder dauernd konstantgehalten, so ist die letzt genannte Anordnung von Ablassventil zu Drosselventil nachteilig. Wenn z.B. das durch das Ablassventil abgelassene Treibgas unter Umgehung der Turbine, gegebenenfalls zu sammen mit dem aus ihr austretenden Treib gas, in einem oder mehreren Wärmeaustau- schern ausgenutzt wird, so ist das Ablassventil 9 zwischen dem Drosselventil 8 und dem Treib gaserzeuger 1 anzuordnen, wobei dann das Ab lassventil in Abhängigkeit vom Druck am Aus tritt des Treibgaserzeugers so arbeitet, dass der Druck konstant bleibt. Das Drosselven til würde dann nur durch den Drehzahl regler der Turbine 4 geregelt werden.
Dies hat den Vorteil, dass die letztgenannte Regelung und auch die Leistung der Turbine, wenn ihre Belastung konstant bleibt, von einer all- fälligen vermehrten Beschickung des Wärme aüstauschers unbeeinflusst bleibt und nur die Regelung des Ablassventils einzugreifen hat. Dies gilt insbesondere, wenn diese Turbine einen Generator antreibt und somit Last- und Drehzahlschwankungen vermieden werden sollen. Die Drossel- und die Ablassregelvorrichtung können nacheinander bezw. zum Teil oder ganz gleichzeitig in Funktion treten.
Dabei kann das Ablassventil sowohl zum Ablassen einer von ihm geregelten Menge Treibgases geöffnet sein als auch für eine bestimmte Betriebsperiode oder einen bestimmten Be triebszustand geschlossen sein, während die Schliesskraft des Ventils durch die Regelung verändert wird.
Anstatt die Leitung 50 in Fig. 3 an die Treibgasleitung anzuschliessen, kann z. B. mit dem Freikolben eine Vorrichtung verbun den sein, die in Abhängigkeit von der Hub länge einen bestimmten Druck aufrechter hält, so dass das Lineal 42 in Funktion des Hubes verstellt wird. Auch kann an Stelle des Pressostates 52 ein Thermostat verwendet werden, um das Lineal 42 in Abhängigkeit von der Treibgastemperatur einzustellen.
Ausser der Begrenzungsöffnung 41 kann eine weitere Begrenzungsöffnung für das Ge stänge 25 vorgesehen sein, indem ein zweites Lineal mit einer Öffnung angeordnet ist, wobei dieses in Abhängigkeit von einer an dern Betriebsgrösse, z. B. dem Druck der vorverdichteten Luft, verstellt werden kann. Die Verstellung der Stange 25 würde in die sem Falle dem kleinsten Verstellweg von den beiden Begrenzungsöffnungen entsprechen.