Gastnrbinenanlage. Die Erfindung bezieht sich auf eine Gas turbinenanlage mit mindestens einer Gas turbine zur Erzeugung von Nutzleistung mindestens einer Gasturbine zum Antrieb eines Verdichters und einer Regelvorrichtung, welche die Arbeitsmittelteilmengen für die Turbinen einstellt. Die Erfindung ist gekenn zeichnet durch eine mindestens eine Stufe der Verdichterturbine umgehende Leitung mit einem Durchflussregelorgan, welches durch die Regelvorrichtung bei Steigerung der Nutz leistung vorübergehend geöffnet werden kann.
Ferner kann eine mit der Verdichter gruppe gekuppelte Hilfsmaschine vorgesehen sein, welche durch die Regelvorrichtung bei Steigerung der Nutzleistung vorübergehend in Betrieb gesetzt werden kann. Es kann auch ein Abblaseorgan angebracht werden, welches durch die Regelvorrichtung bei Ver minderung der Nutzleistung vorübergehend geöffnet wird und eine Teilmenge von Ar beitsmittel aus der Anlage abströmen lässt. Zweckmässig wird die Regelvorrichtung zur Einstellung der Teilmengen ein Regelorgan beeinflussen, welches in einer mindestens eine Stufe der Nutzleistungsturbine umgehenden Leitung angeordnet ist.
Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Fig. 1 zeigt in vereinfachter Form eine Gasturbinenanlage nach der Erfindung, welche zum Antrieb eines Schiffes dient, und Fig. 2 in schematischer Darstellung die für .diese Anlage verwendete Regelvorrichtung. In beiden Figuren sind gleiche Teile mit glei chen Bezugsziffern versehen.
Die Gasturbinenanlage nach Fig. 1 arbei tet mit einem Kreislauf eines gasförmigen Arbeitsmittels, z. B. Luft, aus welchem stän dig eine Teilmenge entnommen und welchem hierfür an einer andern Stelle ständig eine Ersatzmenge zugeführt wird. Das vom Nie- derdruckverdichter 1 verdichtete Arbeits mittel gelangt durch den Zwischenkühler 2 in den Hochdruckverdichter 3. Nachdem es auf den höchsten Kreislaufdruck gebracht ist, strömt das Arbeitsmittel durch die Leitung 4 in den Wärmeaustauscher 5, wo es beim Durchströmen der Rohre 6 vorgewärmt wird.
Durch die Leitung 7 strömt das Arbeits mittel weiter, bis es an der Stelle 8 in zwei Teile aufgeteilt wird. Ein grösserer Teil ge langt durch die Leitung 9 in den Gaserhitzer 10 und wird beim Umströmen der Wärme austauschrohre 11 auf die höchste Kreislauf temperatur erhitzt und alsdann durch die Leitung 12 der Turbine 13 zugeführt.
Das in der Turbine 13 entspannte Arbeits mittel gelangt durch die Leitung 14 in den Wärmeaustauscher 5 und gibt hier beim Um strömen der Wärmeaustauschrohre 6 einen Teil seiner Restwärme an das durch die Rohre strömende Arbeitsmittel ab. Durch die Leitung 15 gelangt das Arbeitsmittel mit einem geringeren Wärmeinhalt in den Küh ler 16, in welchem ein weiterer Teil seiner Restwärme an ein Kühlmittel abgeführt wird. Durch die Leitung 17 wird schliesslich das Arbeitsmittel wieder dem Niederdruck verdichter 1 zugeführt, wo der Kreislauf von neuem beginnt.
Aus dem beschriebenen Kreislauf des Ar beitsmittels wird an der Stelle 8 ständig ille Teilmenge entnommen und durch die Leitung 18 als Verbrennungsluft dem Brenner 19 des Gaserhitzers 10 zugeführt. Die Verbren nungsgase strömen aus dem Verbrennungs raum 20 in die Wärmeaustauschrohre 11, durch deren Wände die Wärme an das die Rohre umströmende Arbeitsmittel des Kreis laufs abgeführt wird. Danach gelangen die Verbrennungsgase durch die Leitung 21 in die Turbine 22. Als Ersatz für die an der Stelle 8 dem Kreislauf entnommene Arbeitsmittelmenge wird durch den Verdichter 23 ständig Luft aus der Atmosphäre dem Kreislauf zuge führt.
Diese Ersatzmenge wird durch die Leitung 24 an einer Stelle 25 in den Wärme- aüstauseher 5 eingeführt, an der das die Wärmeaustauschrohre 6 umströmende Ar beitsmittel ungefähr die gleiche Temperatur und den gleichen Druck wie die Ersatzmenge aufweist. Die von der im Kreislauf umströmenden Arbeitsmittelmenge beaufschlagte Turbine 13 treibt die Verdichter 1, 3 und 23, während die Turbine 22, welche durch die aus dem Kreis lauf abgeführte Teilmenge beaufschlagt ist. als Nutzleistungsturbine über ein Getriebe 26 den Schiffspropeller 27 antreibt.
Der Pro peller 27 kann als Verstellpropeller ausgebil det sein, dessen Flügel mit nach der Fahr richtung oder nach der Fahrgeschwindigkeit veränderlichem Steigungswinkel eingestellt werden können. Die Turbine 13 und die Ver dichter 1, 3 und 23 sind noch mit einer elek trischen Hilfsmaschine 28 gekuppelt, welche als Anlassmaschine und als Hilfsmaschine zum Ausgleichen von übersehüssiger oder mangelnder Leistung dient.
Zur Einstellung der Arbeitsmittelteil mengen für die Turbinen 13 und 22 ist die Nutzleistungsturbine 22 mit einer die erste Stufe umgehenden Umführungsleitung 29 ausgerüstet, in welche ein Durchflussregel- organ 30 eingebaut ist. Diese Umführungs- leitung könnte auch mehrere Stufen um gehen. Der Servomotor 51 dieses Regelorganes wird mittels der Impulsleitungen 39 und 33 durch die Regelvorrichtung 34 beeinflusst.
Die Steuerung der Regelvorrichtung erfolgt einesteils durch den Fliehkraftregler 35 und andernteils durch den mittels der Leitung 40 übertragenen Druck des Arbeitsmittels in der Eintrittsleitung 12 der Turbine 13. Mit Hilfe des Hebels 36 kann der Sollwert für die von der Regelvorrichtung einzuhaltende Nutz leistung von Hand eingestellt werden.
Eine Verminderung des Durchflussquer- schnittes in der Umführungsleitung 29 ver mindert die Schluckfähigkeit der Nutzlei- stungsturbine 22, so dass weniger Arbeits mittel dem Kreislauf entnommen und der Turbine zugeführt wird. Gleichzeitig wird aber infolge dieser verminderten Entnahme das Arbeitsmittel gestaut und deshalb der Druck im Kreislauf gesteigert, so dass sich die Nutzleistung entsprechend erhöht.
Eine Vergrösserung des Durchflussquerschnittes in der Umführungsleitung gibt. der Nutz t' t' 22 eine grössere Schluck- fähigkeit und verursacht deshalb eine grössere Arbeitsmittelentnahme aus dem Kreislauf mit entsprechendem Druckabfall. Infolge des Druckabfalles entsteht eine Verminderung der Nutzleistung. Entsprechend der Ab nahme oder der Zunahme der durch die Nutz leistungsturbine 22 entnommenen Arbeits mittelmenge erfolgt eine Zunahme bezw. Abnahme der für die Verdichterturbine 13 zur Verfügung stehenden Arbeitsmittelteil menge. Durch die Regelvorrichtung 34 wird das Arbeitsmittel so aufgeteilt, dass bei un veränderlicher Belastung ein stabiler Betrieb der Anlage gesichert ist.
Mit Hilfe des He bels 36 kann die für den Antrieb des Pro pellers jeweils gewünschte Leistung und da mit die Fahrgeschwindigkeit des Schiffes eingestellt werden.
Die Verdichterturbine 13 besitzt eine Umführungsleitung 37, welche die erste Turbinenstufe umgeht. Diese Umführungs leitung könnte auch mehrere Turbinenstufen umgehen. Das Durchflussregelorgan 38 in der Umführungsleitung kann durch die Regel vorrichtung 34 zur beschleunigten Steigerung der Leistung der Nutzleistungsturbine 22 vorübergehend geöffnet werden, wodurch die Schluckfähigkeit der Turbine vergrössert wird. Zu diesem Zweck beeinflusst die Regel vorrichtung 34 über die Impulsleitung 32 den Servomotor 39 des Regelorganes 38. Infolge der Stauung des Arbeitsmittels an der Nutz leistungsturbine, welche mittels der Regel vorrichtung 34 bei Steigerung der Nutz leistung verursacht wird, steht der Verdich terturbine eine vermehrte Arbeitsmittelmenge zur Verfügung.
Bei der vorübergehend ver grösserten Schluckfähigkeit der Verdichter turbine entsteht eine vergrösserte Leistung. Hierdurch steigt die Drehzahl des Verdich terturbinenaggregates und damit findet eine Steigerung des Drucks im Kreislauf statt. Durch die Drucksteigerung im Kreislauf wird dann die gewünschte Vergrösserung der Nutzleistung erzielt.
Die Hilfsmaschine 28 kann durch die Regelvorrichtung 34 bei Steigerung der Nutzleistung ebenfalls vorübergehend in Be- trieb genommen werden. Die Regelvorrich tung 34 besitzt hierfür einen in Fig. 1 nicht dargestellten Regelschalter, an welchem die elektrische Leitung 42 der Maschine 28 an geschlossen ist.
An den Hochdruckverdichter 3 ist eine Abblaseleitung 43 angeschlossen, welche in die Auslassleitung 44 der Nutzleistungs- turbine 22 führt. In diese Leitung ist ein Abblaseorgan 45 eingebaut, welches durch die Regelvorrichtung 34 mittels der Impuls leitung 46 und des Servomotors 47 bei Ver minderung der Nutzleistung der Turbine 22 vorübergehend geöffnet wird und eine Teil menge von Arbeitsmittel aus der Anlage abströmen lässt.
Die Regelvorrichtung 34 mit den ange schlossenen Regelorganen der Fig. 1 ist in der Fig. 2 schematisch dargestellt.
Die Regelvorrichtung wird durch den Fliehkraftregler 35 und die an die Druck leitung 40 angeschlossenen Druckfühlerdosen 50 und 51 beeinflusst. Mit Hilfe des Hebels 36 kann der Sollwert der zum Antrieb des Schiffspropellers gewünschten Leistung von Hand eingestellt werden.
Je höher der Druck im Kreislauf der Gas- turbinenanla.ge ist, desto stärker dehnt sich die Druckdose 50 aus und hebt dabei das Gelenk 41 des Hebels 52. Steigt die Dreh zahl der Verdichterturbine der Gasturbinen anlage, so hebt sich das Gelenk 54 des Hebels 52. Die Lage des Gelenkpunktes 53 ist somit eine Funktion der Druckhöhe im Kreislauf der Anlage und der Drehzahl der Verdichter turbine. Da im Beharrungszustand Druck und Drehzahl einander eindeutig zugeordnet sind, hängt schliesslich die Lage des Gelenkpunk tes 53 allein von der Drehzahl der Verdich- terturbine ab.
Während Änderungen der Nutzleistung sind die Werte für Drehzahl und Druck nicht mehr in gleicher Weise ein ander zugeordnet, weil die Änderungen des Druckzustandes im Kreislauf gegenüber den Änderungen der Drehzahl mit einer zeitlichen Verspätung erfolgen.
Zur Steigerung der Nutzleistung wird der Hebe] 36 in +-Richtung des Pfeils 55 ver- schoben, so dass mittels des Gestänges 56 und des Nockens 57 die Rolle 58 in + Richtung des Pfeils 59 verschoben und die Feder 61 zusammengedrückt wird. Auf das Gelenk 62 des Hebels 63 wirkt somit eine nach unten gerichtete Kraft, welche über das Gestänge 66 den Verdrängerkolben 67 nach unten schiebt. Hierbei wird die im Zylinder 68 unter diesem Verdrängerkolben befindliche Flüssigkeit durch die Drosselleitung 69 auf die obere Kolbenseite verdrängt. Die Gelenk punkte 62 und 64 des Hebels 63 und das angeschlossene Gestänge 70 des Steuerschie bers 71 werden nach unten bewegt.
Dadurch wird für die durch die Leitung 72 zugeführte Druckflüssigkeit der Weg über die Leitung 73 in den untern Teil des Zylinders 75 frei, und der Kolben 76 wird angehoben. Die auf seiner obern Seite verdrängte Flüssigkeit ge langt dann durch die Leitung 74 in die Ab laufleitung 77.
Das Anheben des Kolbens 76 verursacht eine Zunahme der Zugspannung in der Feder 78, so dass auch der Steuerschieber 79 auf wärts gezogen wird. Hierbei tritt Druckflüs sigkeit aus der Leitung 80 in die Leitung 32 über, in welcher nun der Druck ansteigt. Der Steuerschieber 79 wird nun durch den er höhten Flüssigkeitsdruck wieder nach unten geschoben, bis der auf ihm lastende erhöhte Flüssigkeitsdruck der zuvor erhöhten Zug spannung der Feder 78 in einer Stellung Gleichgewicht hält, in welcher die Steuer öffnung 89 des Schiebers sich zwischen den Steueröffnungen der Zufuhrleitung 80 und der Abfuhrleitung 81 befindet.
Der Steuerdruck in der Leitung 32 wirkt zunächst über die Leitungen 32 und 33 auf den Kolben 83 des Servomotors 31, ferner auf den Kolben 84 des Servomotors 39 und schliesslich über die Leitung 85 auf den Kol ben 86 des Servomotors 87. Zunächst wird durch die Erhöhung des Steuerdrucks der Kolben 83 der Feder 88 entgegen nach unten geschoben, so dass der durch das Organ 30 freigegebene Durchflussquerschnitt - gege benenfalls bis zum völligen Abschluss - ver- kleinert wird. Die den Kolben 84 des Servomotors 39 belastende Feder 89 ist so bemessen, dass das Durchflussorgan 38 erst dann von seinem Sitz abgehoben wird, wenn das Durchfluss organ 30 gerade in die geschlossene Stellung gelangt ist.
Ist das Durehflussorgan 38 voll ständig geöffnet, so wird bei noch weiterem Steigen des Steuerdrucks in den Leitungen 32 und 85 der Kolben 86 der Feder 90 ent gegen so angehoben, dass der Schalter 91 auf dem Regelwiderstand 92 zu schleifen beginnt. Beim Steigen des Kolbens 86 wird dann ein Strom von zunehmender Stärke durch die Leitung 42 dem elektrischen Hilfsmotor der Gasturbinenanlage zugeführt.
Unter dem Einfluss der beschriebenen Re- _-.eleingriffe werden die Drehzahl der Ver- diehterturbine und der Druck im Kreislauf der Gasturbinenaalage und als Folge davon auch die Drehzahl und damit die Leistung der Nutzleistungsturbine ansteigen. Hierbei ,erden die Gelenkpunkte 41 und 54 des Ile- bels 52 und damit auch die Gelenkpunkte 53 und 65 angehoben. Der Steuerschieber 71.
gibt damit den Druckflüssigkeitszufluss über die Leitung 74 auf die obere Seite des Servomotorkolbens 76 frei und vermindert wieder durch Entspannen der Feder 78 den Steuerdruck über dem Steuerschieber 79. Die Regelvorrichtung kommt erst wieder zur Ruhe, wenn Druck und Drehzahl ihre Soll werte erreicht haben. Im Beharrungszustand ist die Lage des Gelenkpunktes 62 des Hebels 63 durch die Kurvenscheibe 57 festgelegt, da in der Gleichgewichtsstellung die Feder 61 entspannt sein muss. Ebenso ist der Gelenk punkt 64 während des Beharrungszustandes in der Stellung, in welcher der Steuerschieber die beiden Steuerleitungen 73 und 74 ver schlossen hält, festgelegt.
Aus den fest gelegten Beha.rrungslagen der Gelenkpunkte 62 und 64 des Hebels 63 ergibt sich eine Lage des Gelenkpunktes 65, welche der Drehzahl und dem Druck des neuen Behar rungszustandes entsprechen.
Der Regelbereich des Organes 30 ist so festgelegt, dass jeder Beharrungszustand allein durch Einstellen dieses Ventils ein- gehalten werden kann. Dann ergibt es sich. dass während des Beharrungszustandes im Leitungssystem 32, 33, 85 ständig ein Steuer druck herrscht, der das Organ 38 in geschlos sener Stellung und den Schalter 91 aus geschaltet sein lässt.
Es ergibt sich somit, dass das Durchfluss regelorgan 38 in der Umgehungsleitung 37 der Verdichterturbine 13 nur bei rasch er folgender grösserer Steigerung der Nutz leistung vorübergehend geöffnet wird. Von der Überdeckung des Steuerschiebers 71 und der Wahl der Federn 88 und 89 wird es abhängen, wie rasch die Steigerung der Nutz leistung zu erfolgen hat und wie gross diese Steigerung sein muss, bis das Regelorgan 38 beeinflusst wird. In gewissen Fällen können diese Elemente auch so gewählt werden, dass das Regelorgan 38 schon bei langsamer er folgenden kleineren Steigerungen in gerin gem Mass geöffnet wird.
Zur Verminderung der Nutzleistung wird der Hebel 36 in --Richtung des Pfeils 55 verschoben, wodurch das Abblaseorgan 45 in der Leitung 43 vorübergehend geöffnet wird.
Dieses Abblaseorgan wird durch die Kur venscheibe 93 und die Druckfühlerdose 51 so gesteuert, dass es geöffnet wird, sobald der Druck des Kreislaufs in der Leitung 40 einen etwas über dem durch den Hebel 36 eingestellten Sollwert der Nutzleistung lie genden Grenzwert übersteigt. Wird der Hebel 36 in --Richtung des Pfeils 55 verschoben, so wird die Rolle 94 in --Richtung des Pfeils 95 verschoben. Hierbei erhält die Feder 96 eine Druckspannung, welche den Steuerschieber 97 nach unten schiebt. Da durch entsteht zwischen dem Zylinder des Servomotors 47 und der Ablaufleitung 99 über die Leitung 46 und die Steueröffnung 100 eine Verbindung. Der Steuerdruck fällt entsprechend, so dass die Feder 101 den Kol ben 102 anhebt, wodurch das Organ 45 den Durchfluss durch die Leitung 43 freigibt.
A us dem Kreislaufsystem der Gasturbinen anlage entweicht dabei Arbeitsmittel durch die Abblaseleitung 43, der Druck des Kreis- Laufs senkt sich, so dass .sich die Druckfühler dose 51 verkürzt. Die Feder 96 wird ent spannt und der Steuerschieber 97 wieder an gehoben. Es kann dann aus der Leitung 98 durch die Steueröffnung 100 und die Leitung 46 wieder so viel Flüssigkeit in den Zylinder des Servomotorkolbens 47 nachströmen, dass mittels des Kolbens 102 das Organ 45 wieder auf seinen Sitz gepresst und damit der Durch fluss unterbrochen wird.
Gleichzeitig wird bei der Verschiebung des Hebels 36 in =Richtung des Pfeils 55 im Leitungssystem 32, 33, 85 ein weiterer Druckabfall stattfinden, so dass das Regel organ 30 einen grösseren Durchflussquer- schnitt freigibt. Hierdurch wird die Nutz leistung vermindert. Das bereits .geschlossene Umströmorgan 38 der Verdichterturbine bleibt weiterhin geschlossen und der schon ausgeschaltete Schalter 91 bleibt in aus- geschalteter Stellung.
Wenn zur Steigerung der Leistung der Hebel 36 in ---Richtung des Pfeils 55 ver schoben wird, so wird der Steuerdruck in der Leitung 46 vergrössert; das bereits geschlos sene Abblmeorgan 45 bleibt weiterhin in geschlossener Stellung.
Selbstverständlich werden neben der be schriebenen Regelung noch die üblichen be kannten Regelungen verwendet. So muss z. B. die dem Lufterhitzer zugeführte Brennstoff- menge entsprechend der gewünschten Lei stung eingestellt werden. Zur Beschleunigung der Regelvorgänge könnten gegebenenfalls noch an sich bekannte Speicherbehälter vor gesehen sein, welche insbesondere bei einer Steigerung der Leistung vorübergehend der Anlage Energie zuführen.
Anstatt die Regelvorrichtung 34 gemein sam in Abhängigkeit von der Drehzahl der Verdichterh-irbine und vom Druck des Kreis laufs zu beeinflussen, könnte auch nur die eine oder die andere dieser beiden Regelgrö ssen zur Beeinflussung der Regelvorrichtung herangezogen werden.
Die richtige Verteilung der Arbeitsmittel menge auf die Nutzleistungsturbine und die Verdichterturbine kann auch mittels Drosse- lung des der einen oder der andern Turbine zugeführten Arbeitsmittelstromes erreicht werden.