Gasturbinenanlage mit einem Kreislauf des Arbeitsmittels. Die Erfindung bezieht sich auf eine Gas turbinenanlage mit einem Kreislauf des Ar beitsmittels, aus welchem ständig eine Teil menge entnommen und hiefür eine Ersatz menge zugeführt wird, wobei mindestens eine Turbine durch die im Kreislauf umströmende Arbeitsmittelmenge und mindestens eine an dere Turbine durch die aus dem Kreislauf entnommene Arbeitsmittelmenge beaufschlagt wird.
Soll bei Gasturbinenanlagen der ge schilderten Art die Drehzahl der Kreislauf- turbine unveränderlich gehalten werden, so muss die Verteilung der Leistung der Kreis laufturbine und der Entnahmeturbine ent sprechend eingestellt werden.
Die Leistungsverteilung unmittelbar durch Beeinflussung der Arbeitsmittelmenge, welche der Kreislaufturbine zuströmt, einzustellen, ist unwirtschaftlich. Durch die hierbei not wendige Drosselung wird ein beträchtlicher Teil der im Arbeitsmittel enthaltenen Ener gie in Wärme umgesetzt. Diese Wärme könnte in der Kreislaufturbine wegen ihres geringeren Verhältnisses zwischen Eintritts und Austrittsdruck nur mehr zum geringen Teil in mechanische Arbeit umgesetzt wer den. Das Arbeitsmittel würde die Turbine mit stark erhöhter Temperatur verlassen, so dass ihr Wirkungsgrad entsprechend stark vermindert wäre.
Veränderungen des Wir- kungsgrades der Kreislaufturbine haben nun weiter Veränderungen des Gesamtwirkungs- grades. zur Folge, die ein Mehrfaches betra gen, weil die in der Kreislaufturbine umge setzte Energie ein Mehrfaches der Nutzlei stung beträgt.
Die Erfindung schlägt zur Lösung der Aufgabe und zur Behebung der bestehenden Nachteile vor, durch den Drehzahlregler der Kreislaufturbine die Entnahme von Arbeits mittel aus dem Kreislaufeinzustellen. Hier durch kann erreicht werden, dass der Gesamt wirkungsgrad viel weniger beeinflusst wird als.
bei- der Veränderung der der Kreislauf turbine zuströmenden Arbeitsmittelmenge. Die Nutzleistungsturbine arbeitet mit einem viel grösseren Verhältnis zwischen Eintritts- und Austrittsdruck als die Kreislaufturbine, so dass ein bedeutender Teil der in Wärme umgesetzten Energie des Arbeitsmittels wie der als mechanische Arbeit durch den Läufer abgeführt werden kann.
Ausserdem beein flusst eine Veränderung des Wirkungsgrades der Nutzleistungsturbine den GesamIwir- kungsgrad viel weniger als eine Veränderung des Wirkungsgrades an der Kreislaufturbine, weil die Nutzleistungsturbine eine Leistung aufweist, die nur einen Bruchteil der Lei stung der Kreislaufturbine beträgt. Die Ent nahmeturbine wird meist mit Arbeitsmittel weniger hoher Eintrittstemperatur betrieben als die Kreislaufturbine, wodurch auch die bauliche Ausbildung des Drosselorganes sehr erleichtert wird.
Das Drosselorgan kann schliesslich für ein kleineres Volumen be messen werden, weil der Nutzleistüngstur- bine ein geringeres Gewicht an Arbeitsmit tel und ausserdem bei geringerem spezifi- sehem Volumen infolge der tieferen Tempera tur zugeführt wird.
Zweckmässig stellt der Drehzahlregler der Kreislaufturbine den Zuströmquerschnitt der Entnahmeturbine ein. Besonderen Vor teil bietet es, ein Durchflussregelorgan in einer mindestens eine Stufe der Entnahmetur bine umgehenden Leitung anzuordnen, wel ches durch den Drehzahlregler der Kreis laufturbine eingestellt wird.
Es empfiehlt sich, den Drehzahlregler mit einer Isödromvorrichtung auszurüsten, so dass er die Solldrehzahl der Kreislaufturbine ohne bleibende Ungleichförmigkeit einhält. An der Drehzahlregeleinrichtung kann eine Vorrich tung zur Einstellung des Drehzahlsollwertes der Kreislaufturbine vorgesehen sein. Schliess lich kann die Gasturbinenanlage mit einer die Entnahmeturbine umgehenden Abfuhr leitung ausgerüstet sein, in welcher bei un zulässiger Drehzahl dieser Turbine ein ge steuertes Durchflussregelorgan geöffnet wer den kann. Dieses Durchflussregelorgan kann mit einer Begrenzungsvorrichtung ausgerü stet werden, mit welcher der Durchflussqüer- schnitt des Organes durch den Drehzahlregler der Kreislaufturbine eingestellt wird.
Ein ganz einfaches Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel; des sen Regelvorrichtung schematisch dargestellt ist. Fig. 3 veranschaulicht Einzelheiten einer Regelvorrichtung, die z. B. für die in Fig. 2 dargestellte Gasturbinenanlage verwendet werden kann. Entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszif fern versehen. Die Gasturbinenanlagen nach Fig. 1 und 2 arbeiten mit einem Kreislauf eines gasför migen Arbeitsmittels, z. B. Luft, aus wel chem ständig eine Teilmenge entnommen und hiefür eine Ersatzmenge zugeführt wird.
Das vom Verdichter 1 verdichtete Arbeits mittel gelangt durch die Leitung 2 in den Wärmeaustauscher 3, wo es beim Durchströ men der Rohre 4 vorgewärmt wird. Durch die Leitung 5 strömt das Arbeitsmittel in vorgewärmtem Zustand weiter und wird an der Stelle 6 in zwei Teile aufgeteilt. Ein er ster Teil gelangt durch die Leitung 7 in den. Gaserhitzer 8, wird beim Umströmen der @Värmeaustauschrohre 9 auf eine hohe Tem peratur erhitzt und sodann durch die Leitung 10 der Turbine 11 zugeführt.
Das in der Tur bine entspannte Arbeitsmittel gelangt durch die Leitung 12 in den Wärmeaustauscher 3. Beim Umströmen der Wärmeaustauschrohre 4 gibt es einen Teil seiner Restwärme an das durch. die Rohre strömende Arbeitsmit tel ab.
Durch die Leitung 13 gelangt das Arbeitsmittel weiter in den Kühler 14,. in welchem ein weiterer Teil seiner. Restwärme an ein Kühlmittel abgeführt wird. Durch die Leitung 15 wird das Arbeitsmittel wieder zum Verdichter 1 zurückgeführt, wo der Kreislauf von neuem beginnt.
Aus dem beschriebenen Kreislauf des Ar- beitsmittels wird an der Stelle 6 ständig eine Teilmenge durch die Leitung 16 abgeführt und als Verbrennungsluft dem Brenner 17 des Gaserhitzers 8 zugeführt. Das Verbren nungsgas strömt durch die Wärmeaustausch- rotere 9,' wobei ein Teil seiner Wärme an das die Rohre umströmende Arbeitsmittel des Kreislaufes abgeführt wird und gelangt dann durch die Leitung 18 in die Turbine 19.
Als Ersatz für die an der Stelle 6 dem Kreislauf entnommene Arbeitsmittelmenge wird durch den Verdichter 20 ständig Luft aus der Atmosphäre in den Kreislauf einge führt. Diese Ersatzmenge wird in verdichte tem Zustand durch die Leitung 21 au einer Stelle 22 in den Wärmeaustauscher 3 einge führt, an der das die Wärmeaustauschrohre 4 umströmende Arbeitsmittel ungefähr die gleiche Temperatur und den gleichen Druck wie die Ersatzmenge aufweist.
Die durch die im Kreislauf umströmende Arbeitsmittelmenge beaufschlagte Turbine 11. treibt die Verdichter 1 und 20, während die durch die aus dem Kreislauf abgeführte Teilmenge beaufschlagte Turbine 19 als Nutzleistungsturbine über ein Getriebe 23 einen Schiffspropeller 24 antreibt. Der Pro peller 24 kann als Verstellpropeller ausgebil det sein, dessen Flügel je nach Bewegungs richtung des Schiffes oder nach der verlang ten Geschwindigkeit noch verstellt werden können. Die Turbine 11 und der Verdichter 1 sind noch mit einer elektrischen Maschine 25 gekuppelt, welche als Anlassmaschine und als Hilfsmaschine zum Ausgleich von überschüs siger oder mangelnder Leistung dient.
Um die Drehzahl der Kreislaufturbine 11 (Fig. 1) und des Verdichters 1 konstant zu halten, wird die Zufuhr des Arbeitsmittels zur Entnahmeturbine 19 durch den Drehzahl regler der Kreislaufturbine eingestellt. Die Kreislaufturbine 11 treibt den Drehzahl regler 26, der mittels des Hebels 27, des Ge stänges 28, des Winkelhebels 29 und des Ge stänges 30 das Durchflussregelorgan 31 in der Zufuhrleitung 18 der Entnahmeturbine 19 einstellt.
Wenn die Drehzahl unter den Sollwert abfällt, sinkt die Muffe des Reglers 26 und die Gestänge 28 und 30 werden in der - Richtung der Doppelpfeile 32 und 33 verschoben. Hier bei wird der Durchflussquerschnitt des Regel- organes 31 vermindert. Die Verminderung des Durchflussquerschnittes hat zur Wirkung, dass aus dem Kreislauf eine geringere Ar- beitsmittelmenge entnommen und zur Tur bine 19 geführt wird. In der Brennkammer des Gaserhitzers 8 entsteht eine höhere Tem peratur. Durch die Leitung 7 wird eine grö ssere Arbeitsmittelmenge dem Gaserhitzer und dann durch die Leitung 10 der Turbine 11 zugeführt. Die Turbine 11 erhält also eine vermehrte Arbeitsmittelmenge von er höhtem Wärmeinhalt, so dass die anfängliche, die Regelung einleitende Senkung der Dreh zahl wieder verschwindet.
Wenn die Drehzahl der Kreislaufturbine 11 vom Sollwert nach oben abweicht, steigt die Reglermuffe und demzufolge werden die Gestänge 28 und 30 im + Sinn der Doppel pfeile 32 und 33 verschoben. Der Durchfluss querschnitt des Regelorganes 31 wird dann vergrössert. Die Vergrösserung des Durchfluss querschnittes verursacht eine Verstärkung der Zufuhr zur Turbine 19. Der Turbine 11 wird eine kleinere Arbeitsmittelmenge von geringerem Wärmeinhalt zugeführt, so dass die anfänglich über den Sollwert angestiegene Drehzahl wieder auf ihren normalen Wert zurückgeführt wird.
Die Gasturbinenanlage nach Fig. 2 un terscheidet sich von derjenigen nach Fig. 1 dadurch, dass der Verdichter 1 in eine Nieder druckmaschine 1N und in eine Hochdruck maschine 1H unterteilt ist, die durch einen. Zwischenkühler 1K miteinander verbunden sind und ferner dadurch, dass eine umfang reichere Einrichtung zum Regeln des Betrie bes verwendet ist.
Die Zufuhr von Arbeitsmittel zur Ent- nahmeturbine -19 wird durch den Drehzahl regler 26 der Kreislaufturbine 11 mit Hilfe eines Durchflussregelorganes 34 eingestellt.
Das Durchflussregelorgan 34- ist in einer Um- gehungsleitung 35-der Entnahmeturbine 19 angeordnet und wird durch einen Servomotor 36 gesteuert.
Die Umgehungsleitung zweigt von der :Hauptleitung 1$- ab und mündet zwischen der ersten und- zweiten Stufe ins Turbinengehäuse. Der Drehzahlregler 26 be= eznflusst über die Impulsleitung 3 7 den mit einer Isodromvorrichtung ausgerüsteten Im pulsgeber 38, der seinerseits über die Im- pulsleitung 39 den Servomotor 36 steuert.
Die Isodromvorrichtung bewirkt, dass keine dauernde Ungleichförmigkeit entsteht; nach jedem Regelvorgang ' wird die Kreislauf turbine 11 wieder genau auf die Solldrehzahl gebracht.
Der Durchflussquerschnitt des Regelorga- nes- 34 wird vermindert, sobald die Drehzahl der Turbine 11 unter den Sollwert fällt, um gekehrt aber vergrössert, sobald die Drehzahl der Turbine 11 über den Sollwert ansteigt. In beiden Fällen wird die Drehzahl der Kreislaufturbine wieder genau auf den ur sprünglichen Sollwert zurückgeführt.
In der Abfuhrleitung 40, welche die Zu fuhrleitung 18 unmittelbar mit der Auslass leitung 41 verbindet, ist ein Durchflussregel organ 42 angeordnet. Der Servomotor 43 die ses Regelorganes ist durch die Impulsleitung 44 mit dem Drehzahlregler 45 der Entnahme turbine 19 verbunden. In der Zufuhrleitung 18 ist in Strömungsrichtung gesehen nach der Abzweigungsstelle der Abfuhrleitung 40 noch ein Abschlussorgan 46 eingebaut, wel ches mittels des Servomotors 47 über die Impulsleitung 48 ebenfalls vom Drehzahl regler 45 der Entnahmeturbine 19 gesteuert wird. Der Servomotor 43 des Regelorganes in der Abfuhrleitung 40 kann ausserdem über die Impulsleitung 49 durch den Drehzahl regler 26 der Kreislaufturbine 11 beeinflusst werden.
Das Durchflussregelorgan 42 der Abfuhr leitung 40 und das Abschlussorgan 46 wirken gemeinsam als Schnellschlussvorrichtung, um die Arbeitsmittelzufuhr zur Entnahmetur bine 19 beim Überschreiten der Grenze des zulässigen Drehzahlbereiches sofort zu unter brechen. Wird von der Entnahmeturbine 19 diese Drehzahlgrenze erreicht, so beeinflusst der Regler 45 die Servomotoren 43 und 47 gleichzeitig derart, dass das Durchflussregel organ 42 geöffnet und das Abschlussorgan 46 geschlossen wird. Die Verbrenuungsgase des Gaserhitzers 8 strömen alsdann nicht mehr zur Turbine 19, sondern durch die Ab fuhrleitung 40 unmittelbar in die Auslasslei- tung 41.
Durch Beeinflussung des Servo- motors 43 mittels des Drehzahlreglers 26 wird der vom Durchflussregelorgan 42 bei einem Schnellschluss freigegebene Querschnitt der Belastung und der Drehzahl der Kreis laufturbine entsprechend eingestellt. Erfolgt der Schnellschluss bei kleinerer Belastung, bei der nur eine geringere Arbeitsmittelmenge der Turbine 19 zugeführt wird, so ist der Durchflussquerschnitt des Organes 42 in der Abfuhrleitung 40 kleiner als bei grösserer Belastung mit einer entsprechend grösseren Arbeitsmittelmenge. Der bei einem Schnell schluss vom Organ 42 eingestellte Durchfluss querschnitt ist so, dass nach einem Schnell schluss gleichviel Arbeitsmittel durch die Ab fuhrleitung 40 abgeführt wird wie unmit telbar vor dem Schnellschluss durch die Ent nahmeturbine.
Dadurch wird erreicht, dass ein Schnellschluss der Turbine 19 keine un mittelbaren Rückwirkungen auf den Kreis lauf ausüben kann.
Der Drehzahlregler 26 in Fig. 3 wird durch die Welle 50 einer nicht gezeichneten Kreislaufturbine angetrieben. Er beeinflusst über eine Isodromvorrichtung das Regelorgan 34 in der Umgehungsleitung 35 einer eben falls nicht gezeichneten Entnahmeturbine so, dass an der Kreislaufturbine eine gleichblei bende Drehzahl eingehalten wird.
Die Iso- dromvorrichtung ist mit einer nachgiebigen Rückführung ausgerüstet, und besteht aus dem Servomotor 36 mit Steuerschieber 51, der Rückführungsschleppvorrichtung 52 und der Feder 53. Die Isodromvorrichtung kann nur dann zur Ruhe kommen, wenn der Hebel 54 in einer Lage steht, in welcher die Feder 53 spannungslos ist und der Steuerschieber 51 _in Mittellage die Steuerkanäle 55 und 56 des Servomotors 36 zudeckt.
Diese Lage des Hebels 54 kann. nur in einer einzigen Stellung des Drehzahlreglers 26 eintreten, nämlich in derjenigen, welche der einzustellenden Soll drehzahl entspricht.
Weicht die Drehzahl der Kreislaufturbine vom Sollwert nach oben ab, so steigt die Reglermuffe 57. Der Drehpunkt 58 des He bels 54 bleibt vorerst unbewegt, der Schie ber 51 jedoch wird aufwärtsgezogen. Aus der Leitung 59 kann Druckflüssigkeit durch den Steuerkanal 55 in den über dem Servomotor kolben 60 befindlichen Zylinderraum ein dringen. Der Kolben wird nach unten ge drückt, so dass mittels des Hebels 61 und des Jochs 62 der Durchflussquerschnitt des Re- gelorganes 34 vergrössert wird. Es strömt nun eine grössere Arbeitsmittelmenge nach der Entnahmeturbine und eine kleinere Menge nach der Kreislaufturbine.
Die den Regel vorgang einleitende anfängliche Drehzahl abweichung wird dadurch wieder aufge hoben.
Um ein Überregeln und ein daraus ent stehendes Pendeln der Regelvorrichtung zu vermeiden, führt während des Regelvorgan ges der Servomotorkolben 60 mit Hilfe der Schleppkupplung 52 und des Hebels 54 den Steuerschieber 51 wieder gegen seine Mit tellage zurück. Hierbei wird die Feder 53 gespannt. Dadurch wirkt auf das Gehäuse der Schleppkupplung 52 eine Kraft, welche über den Flüssigkeitsinhalt, der Zylinder räume auf den Schleppkolben 63 wirkt. Im Zylinderraum unter dem Schleppkolben 63 entsteht ein Überdruck gegenüber dem Zylin derraum über dem Schleppkolben, so dass der Flüssigkeitsinhalt unter dem Kolben durch die Drosselbohrung 64 des Kolbens in den obern Zylinderraum gelangt.
Die Verschie bung des Kolbens 63 im Zylinder der Schleppvorrichtung 52 erfolgt so lange, bis die Feder 53 spannungslos wird und der Schieber 51 in seine Mittellage zurückgeführt ist. Der Kolben 60 wird dann nicht mehr ver schoben und auf die Schleppkupplung keine Federkraft mehr ausgeübt. Diese Ruhelage ist aber nur möglich, wenn der Regler 26 genau in die der Solldrehzahl entsprechende Stellung wieder zurückgelangt ist und damit die den Regler antreibende Kreislaufturbine wieder ihre Solldrehzahl erreicht hat.
Ein ähnlicher Regelvorgang jedoch mit umgekehrten Bewegungsrichtungen entsteht, wenn die Drehzahl der Kreislaufturbine vom Sollwert nach unten abweicht. Dann wird durch den Regler 26 mit Hilfe der Isodrom- vorrichtung der Durchflussquerschnitt des Regelorganes 34 verkleinert. Der Entnahme turbine strömt weniger Arbeitsmittel zu, der Kreislaufturbine dagegen mehr, so dass die Drehzahl wieder auf den Sollwert ansteigt.
Der einzustellende Sollwert kann mittels des Hebels 65 verändert werden. Wird der Hebel in -Richtung des Doppelpfeils 66 verschoben, so wird die Feder 53 angehoben. Der Hebel 54 kann dann nur in einer Lage zur Ruhe kommen, in welcher die Stellung, der Reglerhülse 57 entsprechend tiefer und der Wert für die Solldrehzahl vermindert ist. Umgekehrt wird beim Verschieben des Hebels in --Richtung des Doppelpfeils 66 der Wert für die Solldrehzahl erhöht. Die Feder 53 wird dann nach unten verschoben und ent sprechend muss in der Ruhelage die Regler muffe 57 höher liegen.
Durch die Verwendung der Isodromvor- r 'htung wird für die Regelung ein hohes Mass von Stabilität erreicht. Die Isodromvor- richtung stabilisiert das Regulierverhalten der Anlage selbst dann, wenn die Charakteristiken der einzelnen Maschinen an sich zu einem la bilen Verhalten führen würden.
Das Regelorgan 42 der in der von der Zuleitung 18 der Entnahmeturbine abzwei genden Abfuhrleitung 40 und das Abschluss- organ 46 in der Zufuhrleitung 18 werden mit Hilfe des durch dieWelle67 der nicht ge zeichneten Entnahmeturbine angetriebenen Reglers 45 dann beeinflusst, wenn die Dreh zahl dieser Turbine über die obere Grenze des zulässigen Drehzahlbereiches hinaus an steigt.
Bei zulässigen. Drehzahlen der Entnahme turbine befindet sich der Steuerschieber 68 in einer Lage, in welcher aus der Leitung 69 Druckflüssigkeit in die Leitung 70 strö men kann. Diese Druckflüssigkeit gelangt in die Zylinderräume über den Kolben 71 und 72 der Servomotoren 43 und 47, so dass das Regelörgan 42 vollständig geschlossen und das Abschlussorgan 46 vollständig geöffnet ist. Das Arbeitsmittel strömt dann durch die -Leitung 18 ungehindert in die Entnahme turbine. Erreicht die Drehzahl der Entnahmetur bine den obern Grenzwert des' zulässigen Drehzahlbereiches, so wird mit Hilfe des He bels 76 der Bund 73 angehoben.
Der Sehie- her 68 gelangt in eine obere Stellung, in welcher die Verbindung zwischen den Lei tungen 69 und 70 unterbrochen, dagegen eine Verbindung zwischen den Leitungen 69 und 74 hergestellt wird. Die Druckflüssig keit strömt nunmehr in die Zylinderräume unter den Servomotorkolben 71 und 72. Der Drosselkegel des Regelorganes 42 wird-ange hoben, bis der Servomotorkolben 71 am Kol ben 75 zum Anschlag kommt, und das Ab schlussorgan 46 wird in die vollständig ge schlossene Stellung gebracht.
Der Kolben 7 5 wird mittels des Joches 62 und der Isodromvorrichtung durch den Regler 26 der Kreislaufturbine so eingestellt, dass die durch die Abfuhrleitung 40 abge führte Arbeitsmittelmenge gerade gleich gross ist, wie die unmittelbar vor der Unter brechung durch die Leitung 18 zur Ent nahmeturbine strömende Arbeitsmittelmenge. Durch diese Massnahme wird erreicht, dass bei einem Schnellschluss der Entnahmeturbine keine unmittelbaren Rückwirkungen auf den Betrieb des Kreislaufes entstehen.
Die Entnahmeturbine kann auch im Ge gensatz zu den beschriebenen Anlagen zum Antrieb eines Verdichters und die Kreislauf turbine als Nutzleistungsturbine verwendet werden. Die Turbinen und die Verdichter können je nach den Betriebsverhältnissen in mehrere Gehäuse aufgeteilt sein.