Gasturbinenanlage mit mindestens zwei vom Arbeitsmittel parallel durchströmten Turbinen. Die Erfindung bezieht sich auf eine Gas turbinenanlage mit mindestens zwei vom Ar beitsmittel parallel durchströmten Turbinen, von denen die eine Turbine mindestens einen Verdichter antreibt und die andere Turbine die Nutzleistung abgibt, wobei zur Regelung der Anlage die Aufteilung des Arbeitsmit tels auf die beiden Turbinen geregelt wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung des Arbeitsmittels in Ab hängigkeit vom Druck des Arbeitsmittels ein gestellt wird.
Infolge der im Gasinhalt aufgespeicher ten Energie und der kinetischen Energie der Turboläufer weisen die Veränderung des Druckes des Arbeitsmittels und die Ver änderung der Drehzahl der Turbomaschinen bei Regeleingriffen zeitliche Verschiebungen auf. Wird der Regelimpuls zur Leistungs einstellung vom Druck des Arbeitsmittels abgeleitet, so entsteht ein hohes Mass von Stabilität. Hierbei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass die Druckverände- rungen wesentlich früher als die Veränderun gen der Drehzahl einsetzen.
Bei einer Gasturbinenanlage mit einem Kreislauf des Arbeitsmittels, aus welchem ständig eine Teilmenge entnommen und hier für eine Ersatzmenge zugeführt wird, bei der mindestens eine Turbine durch die im Kreis lauf umströmende Arbeitsmittelmenge und mindestens eine andere Turbine durch die aus dem Kreislauf entnommene Teilmenge beauf- schlagt wird,
kann die Entnahme von Ar beitsmittel aus .dem Kreislauf zur Beauf- schlagung der Entnahmeturbine in Abhän gigkeit vom Druck im Kreislauf eingestellt werden.
Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung an einem Ausführungsbei- spiel erläutert. Fig. 1 zeigt eine Gastur binenanlage nach der Erfindung und Fig. 2 die bei der Gasturbinenanlage nach Fig. 1 verwendete Regelvorrichtung. In den beiden Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Be zugsziffern bezeichnet.
Die Gasturbinenanlage nach Fig. 1 arbei tet mit einem Kreislauf von Luft, aus wel chem ständig eine Teilmenge entnommen und welchem hierfür an einer andern Stelle stän dig eine Ersatzmenge zugeführt wird. Die vom Niederdruckverdichter 1 verdichtete Luft gelangt durch den Zwischenkühler 2 in den Hochdruckverdichter 3. Die verdichtete Luft strömt dann durch die Leitung 4 weiter in den Wärmeaustauscher 5, wo sie beim Durch strömen der Rohre 6 vorgewärmt wird.
Durch die Leitung 7 strömt die Luft weiter, bis sie an der Stelle 8 in zwei Teile auf geteilt wird. Ein grösserer Teil gelangt durch die Leitung 9 in den Gaserhitzer 10 und wird beim Umströmen der Wärmeaustauschrohre 11 auf die höchste Kreislauftemperatur er hitzt und alsdann durch die Leitung 12 der Turbine 13 zugeführt.
Die in der Turbine 13 entspannte Luft strömt durch die Leitung 14 in den Wärme- austauscher 5 und gibt hier einen Teil ihrer Restwärme mittels Wärmeleitung an die durch die Wärmeaustauschrohre 6 strömende Luft ab. Durch die Leitung 15 gelangt die Luft in den Kühler 16, in welchem ein wei terer Teil ihrer Restwärme an ein Kühl mittel abgeführt wird. Durch die Leitung 17 wird schliesslich die Luft wieder dem Nie derdruckverdichter 1 zugeführt, wo der Kreislauf von neuem beginnt.
Aus dem beschriebenen Kreislauf der Luft wird an der Stelle 8 ständig eine Teilmenge entnommen und durch die Leitung 18 als Verbrennungsluft dem Brenner 19 des Gas- erhitzers 10 zugeführt. Die Verbrennungs gase strömen aus dem Verbrennungsraum 20 in die Wärmeaustauschrohre 11, deren Wände die Wärme an die die Rohre umströmende Luft des Kreislaufes abführen. Darnach ge langen die Verbrennungsgase durch die Lei tung 21 in die Turbine 22.
Als Ersatz für die an der Stelle 8 dem Kreislauf entnommene Luft wird durch den Verdichter 23 ständig Luft aus der Atmo sphäre dem Kreislauf zugeführt. Diese Er satzmenge wird durch die Leitung 24 an einer Stelle 25 in den Wärmeaustauscher 5 eingeführt, an der die die Wärmeaustauseh- rohre 6 umströmende Luft ungefähr die gleiche Temperatur und den gleichen Druck wie die Ersatzmenge aufweist.
Die Druckverlaufskurve der Luft im Kreislauf steigt von seinem niedrigsten Wert beim Eintritt in den Verdichter 1 auf seinen höchsten Wert am Austritt aus dem Verdich ter 3. Beim Durchströmen der Wärmeaus- tauscher 5 und 10 und der zugehörigen Lei tungen findet entsprechend dem Strömungs widerstand ein unbedeutender Abfall des Druclzes statt. Ein grosser Druckabfall findet in der Turbine 13 statt. Der Austrittsdruck ist nur um so viel höher, als der Eintritts druck, des Verdichters 1 als durch den Strö mungswiderstand in den Wärmeaustauschern 5 und 10 und in den Leitungen bedingt ist.
Die Höhe des Druckniveaus hängt von der Höhe des Eintrittsdruckes des Verdichters 1 ab und dieser wiederum von der Höhe des Förderdruclzes des Verdichters 23. Bei Än derungen dieses Eintrittsdruckes zum Bei spiel infolge Änderung der Drehzahl werden sich die Drüeke im ganzen Kreislauf ver ändern, und zwar der Höchstdruck in noch stärkerem Masse als der Eintrittsdruck.
Die von der im Kreislauf umströmenden Luft beaufschlagte Turbine 13 treibt die Verdichter 1, 3 und 23, während die Turbine 22, welche durch die aus dem Kreislauf ab geführte Teilmenge beaufschlagt ist, als Nutzleistungsturbine über ein Getriebe 26 den Schiffspropeller 27 antreibt.
Der Pro peller 27 kann als Verstellpropeller ausge bildet 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 Hilfs maschine 28 gekuppelt, welche zum Anlassen der Anlage und zum Ausgleichen von über schüssiger oder mangelnder Leistung dient.
Zur richtigen Verteilung des Arbeitsmit tels für die Turbinen 13 und 22 ist die Nutzleistungsturbine ?\? mit einer ihre erste Stufe umgehenden L'mführungsleitung 29 ausgerüstet, in welche ein Durchflussregel- organ 30 eingebaut ist. Der Servomotor 31 dieses Regelorganes wird mittels der Impuls leitung 32 durch die Regelvorrichtung 33 beeinflusst. Die Steuerung der Regelvor richtung erfolgt durch den mittels der Lei tung 34 übertragenen Druck der Luft in der Eintrittsleitung 12 der Turbine 13.
Mit Hilfe des Hebels 35 kann der Sollwert für den Druck in der Eintrittsleitung und damit für die Nutzleistung von Hand nach Bedarf eingestellt werden.
Eine Verminderung des vom Regelorgan 30 freigegebenen Durchflussquerschnitts ver mindert die Schluckfähigkeit der Nutzlei- stungsturbine 22, so dass weniger Luft dem Kreislauf entnommen wird. Durch die hier bei eintretende Stauung wird nicht nur der Druck im Kreislauf gesteigert, sondern auch die der Verdichterturbine 13 zugeführte Luftmenge und deren Leistung erhöht, so dass ihre Drehzahl ansteigt. Hierdurch wird das der Nutzleistungsturbine zur Verfügung ste hende Druckgefälle erhöht, wodurch die Nutzleistung ebenso gesteigert wird.
Um gekehrt gibt eine Vergrösserung des vom Regelorgan 30 freigegebenen Durchflussquer- schnittes der Nutzleistungsturbine 22 eine grössere Schluckfähigkeit und verursacht deshalb eine grössere Luftentnahme aus dem Kreislauf mit entsprechendem Abfall des Druckes. Der Nutzleistungsturbine steht nur noch ein vermindertes Druckgefälle zur Ver fügung, wodurch deren Leistung vermindert wird. Mit Hilfe des Hebels 35 kann die für den Antrieb des Propellers 27 gewünschte Leistung und damit die Fahrgeschwindig keit des Schiffes eingestellt werden.
Die Verdichterturbine 13 besitzt eine Umführungsleitung 36, welche ihre erste Stufe umgeht. Das Durchflussregelorgan 37 in der Umführungsleitung kann mittels der Regelvorrichtung 33 durch Beeinflussung des Servomotors 39 über die- Impulsleitung 32, 38 zur beschleunigten Steigerung der Nutz leistung vorübergehend geöffnet werden. Durch bffnen des Regelorganes 37 wird die Schluckfähigkeit der Verdichterturbine 13 vergrössert.
Infolge der Stauung der Luft im Kreislauf, welche durch Verminderung des Querschnittes des Regelorganes 30 in der Umführungsleitung 20 zur Steigerung der Nutzleistung verursacht wird, steht der Ver- dichterturbine 13 eine vermehrte Arbeits- mittelmenge zur Verfügung. Bei der durch das Regelorgan 37 vorübergehend vergrösser ten Schluckfähigkeit der Verdichterturbine 13 wird ihre Leistung in beschleunigtem Mass gesteigert.
Es findet eine ebenso beschleu nigte Steigerung des Druckverlaufes im Kreislauf statt, und hierdurch wird die ge wünschte Vergrösserung der Nutzleistung in verkürzter Zeit erreicht.
Die Regelvorrichtung 33 (Fug. 2) wird durch die an die Druckleitung 34 angeschlos sene Druckfühldose 40 beeinflusst. Mit Hilfe des Hebels 35 kann der Sollwert für die Höhe des Druckes im Kreislauf und damit die zum Antrieb des Schiffspropellers gewünschte Leistung von Hand eingestellt werden.
Die Dehntrog der Druckdose 40 wird auf das Gelenk 41 des Hebels 42 übertragen. Das Gelenk 43 auf der Gegenseite des Hebels 42 wird mittels des Hebels 35 über die Kurven scheibe 44, das Gestänge 45 und die Feder 46 beeinflusst. Die Lage des mittleren Gelen kes 47 des Hebels 42 ist also durch die Stel lung des Hebels 35 und die Ausdehnung der Druckdose 40 bestimmt.
Mit dem Gelenk 47 ist über das Ge stänge 48 der Steuerschieber 49 verbunden, mittels dessen die Zufuhr eines Druckmittels aus der Leitung 50 zum Servomotor 52 und die Abfuhr aus dem Servomotor in die Ab laufleitung 51 gesteuert wird. Der Kolben 53 des Servomotors steht einerseits über die Stange 54 mit der Schleppvorrichtung 55 und anderseits über die Feder 56 mit dem Steuer schieber 57 in Verbindung. Der Kolben 58 der Schleppvorrichtung trennt zwei Zylinder räume voneinander, die über eine mit einer Drosselstelle 59 versehene Leitung 60 ver bunden sind.
Der Schieber 57 steuert die Zufuhr eines Druckmittels aus der Leitung 61 oder die Abfuhr in die Leitung 62. Der Steuerraum 63 des Schiebergehäuses 64 ist durch die Steuerleitung 32 mit dem Servo- motor 31 und durch die Steuerleitung 38 mit dem Servomotor 39 verbunden.
Der Servomotor 31 besitzt einen Kolben 65, auf den von unten die Kraft der Feder 66 und von oben der Druck des im Raum 67 befindlichen Steuermittels wirkt. Im Servo motor 39 ist ein Kolben 68 angeordnet, an welchem die von unten wirkende Kraft der Feder 69 und der von oben wirkende Druck des Steuerraumes 70 Gleichgewicht halten. Die Federn 66 und 69 sind so bemessen, dass das Regelorgan 37 erst vom Sitz abgehoben wird, wenn das Regelorgan 30 aufsitzt und den Durchfluss durch die Leitung 29 voll ständig unterbricht.
Wird der Hebel 35 in -I- Richtung des Pfeils 71 verschoben, so wird die Stange 45 in -I- Richtung des Pfeils 72 verschoben. Die Feder 46 erhält dabei eine Druckspan nung, so dass sich der Gelenkpunkt 43 nach Massgabe der Verdrängung der Flüssigkeit in der Schleppvorrichtung von der untern Seite des Kolbens 58 nach der obern Seite über die Drosselstelle 59 ebenfalls in -I- Rich tung des Pfeils 72 verschiebt.
Da das Gelenk 41 zunächst in Ruhe bleibt, bewegt sich der Steuerschieber 49 in -i- Richtung des Pfeils 73. Hierbei strömt aus der Leitung 50 Druck mittel durch die Leitung 74 in den unter dem Kolben 53 befindlichen Zylinderraum. Der Kolben wird in -i-- Richtung des Pfeils 76 verschoben und die hierbei im obern Zylin derraum verdrängte Flüssigkeit durch die Leitung 75 nach dem Ablauf 51 abgeführt.
Durch die Verschiebung des Servomotor kolbens 53 wird die schon bestehende Zug- spannung der Feder 56 erhöht und der Steuer schieber 57 aufwärts gezogen. Hierbei ent steht eine Verbindung zwischen der Zufuhr leitung 61 und dem Steuerraum 63. Durch Zufuhr von Druckflüssigkeit wird der Steuer druck im Raum 63 erhöht, bis die hierdurch erhöhte Druckbelastung auf den Schieber 64 der erhöhten Zugspannung der Feder 56 in der Mittellage des Schiebers Gleichgewicht hält, wobei die Steueröffnungen der Leitun gen 61 und 62 verschlossen sind.
Der erhöhte Steuerdruck im Raum 63 wird über die Lei- tung 32 in den Steuerraum 6 7 des Servo motors 31 und durch die Leitung 38 in den Steuerraum 69 des Servomotors 39 übertra gen. Der erhöhte Steuerdruck im Raum 67 drückt den Kolben 65 nach unten, so da.ss der vom Regelorgan 30 freigegebene Durchfluss- querschnitt verkleinert wird. Die Schluck fähigkeit der Nutzleistungsturbine ist da durch vermindert.
Vermag die Erhöhung des Steuerdruckes in den Leitungen 32 und 38 nach dem voll ständigen Abschluss des Regelorganes 30 den Druck der Feder 69 im Servomotor 39 zu überwinden, so wird das Regelorgan 37 von seinem Sitz abgehoben. Es entsteht eine vermehrte Schluckfähigkeit der Verdichter turbine. Die Drehzahl der Verdichterturbine wird in beschleunigtem Mass erhöht, so da.ss die Verdichter den Druckverlauf im Kreis lauf ebenso beschleunigt erhöhen und da durch die Nutzleistung in verkürzter Zeit erhöht wird.
Ein Überregeln und ein damit zusammen hängendes Pendeln der Regelung wird mit Hilfe der Schleppkupplung 55 verhindert, welche als nachgiebige Rückführung zur Wirkung kommt und gleich zu Beginn der Regelverstellung schon eine Rückführbewe- gung einleitet. Hierdurch kann der einge stellte Sollwert ohne bleibende Ungleich förmigkeit eingehalten werden. Während der Verschiebung des Servomotorkolbens 53 wird der Schleppkolben 58 in -I- Richtung des Pfeils 76 verschoben.
Das Gelenk 43 des Hebels 42 wird somit in der der anfäng lichen Verschiebungsrichtung entgegengesetz ten Richtung verschoben, so dass der Steuer schieber 59 wieder gegen seine Mittellage zu rückgeschoben wird, in welcher die Steuer öffnungen der Leitungen 74 und 75 ver schlossen sind.
Die endgültige Rückführung des Regel vorganges erfolgt dann über die Anlage sel ber, während die Rückführung der nach giebigen Vorrichtung wieder ausklingt. Bei Erhöhung des Druckes im Kreislauf dehnt sich die Druckmessdose 40 aus. Das Gelenk 41 des Hebels 42 bewegt sich aufwärts. Das gegenüberliegende Gelenk 46 des Hebels wird in diejenige Stellung gedrängt, in wel cher die Feder 46 entspannt ist. Die Regel vorrichtung kommt dann zur Ruhe, wenn der Druckfühler 40 den Steuerschieber 49 bei spannungsloser Feder 46 in Mittellage ge bracht hat. Dann entspricht die Höhe des Druckes im Kreislauf dem durch den Hebel 35 eingestellten Sollwert.
Infolge der nach giebigen Rückführung entspricht jeder Hebel stellung jederzeit ein einziger ihr zugeord neter Wert für den Druck und damit auch für die Nutzleistung. Entsteht eine Erhöhung des Druckes über den Sollwert, so wird mit Hilfe der Druck dose 40 das Gelenk 41 in -Richtung des Pfeils 73 verschoben. Der Steuerschieber 49 verbindet dann, die Leitung 50 mit der Lei tung 75. Der Kolben 43 des Servomotors 52 wird in Richtung des Pfeils 76 verscho ben und die Feder 56 entspannt, so dass auch der Steuerschieber 57 nach unten gleitet. Aus dem Steuerraum 63 kann Flüssigkeit ent weichen, so dass der Steuerdruck in den Lei tungen 32 und 38 entsprechend vermindert wird.
Dadurch wird der Durchflussquer- schnitt am Ventil 30 vergrössert und dem Kreislauf eine vermehrte Arbeitsmittelmenge entnommen. Die Drehzahl der Verdichter turbine und der von ihr angetriebenen Ver dichter wird vermindert, so dass der Druck im Kreislauf abgesenkt wird, bis \er dem durch den Hebel 35 eingestellten Sollwert wieder entspricht.
Sinkt der Druck im Kreislauf unter -den Sollwert, so wird mit Hilfe der Dose 40, des Hebels 42 und des Gestänges 48 der Schieber 49 in -I- Richtung des Pfeils 73 ver schoben. Hierbei wird der Servomotor kolben 58 angehoben und die Feder 56 in vermehrtem Masse gespannt. Entsprechend der Spannungserhöhung entsteht eine Druck erhöhung in den Steuerleitungen 32 und 38, wobei der vom Ventil 30 freigegebene .Quer schnitt vermindert und gegebenenfalls das Ventil 37 vom Sitz abgehoben wird.
Die verminderte Entnahme von Arbeitsmittel aus dem Kreislauf durch die Leitung 29 s taut das Arbeitsmittel im Kreislauf und steigert die Drehzahl der Verdichterturbine und der Verdichter, bis der Druck wieder den verlangten Sollwert erreicht hat.
Zur Verminderung der Leistung wird der Hebel 35 in -Richtung des Pfeils 7 1 ver schoben. Hierbei entstehen entsprechende Regelvorgänge, jedoch in umgekehrtem Sinn. Der Druck im Kreislauf wird dabei abge senkt und entsprechend die Leistung der Nutzleistungsturbine vermindert.
Die Druckabnahmestelle zur Einhaltung des Druckzustandes kann auch an andern Stellen des Kreislaufes, wo der Druck einen niedrigeren Wert aufweist, erfolgen.
Die Erfindung lässt sich auch anwenden auf Gasturbinenanlagen, bei welchen das Arbeitsmittel die Anlage nur einmal durch strömt und somit keinen Kreislauf be schreibt. Sind bei einer solchen Anlage zwei vom Arbeitsmittel parallel durchströmte Tur binen vorhanden, von denen die eine zum Beispiel die Verdichter der Anlage antreibt und die andere die Nutzleistung abgibt, so kann die Verteilung des Arbeitsmittels auf diese beiden Turbinen in Abhängigkeit vom Druck des Arbeitsmittels in. der Anlage ein gestellt werden.