Treibgasanlage. Die Erfindung betrifft eine Treibgas anlage.
Die Erfindung besteht darin, dass minde stens ein Treibgasabblaseventil mit veränder lichem Verhältnis der Schliesskraft zur Schliessfläche vorgesehen ist, wobei dieses Verhältnis in Abhängigkeit von einem Be triebsfaktor der Anlage eingestellt wird. Dazu kann eine Regelvorrichtung vorgesehen sein, die das Verhältnis der Schliesskraft zur Schliessfläche in Abhängigkeit von einem Be triebsfaktor so regelt, dass die Schliesskraft mindestens in einem bestimmten Arbeits bereich des T'reibgasverbrauchers um einen einstellbaren Betrag grösser als die Kraft ist.
welche durch den der Kennlinie des Verbrau chers entsprechenden, auf die Schliessfläche wirkenden Treibgasdruck ausgeübt wird.
Auf der Zeichnung sind zwei Ausfüh rungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt. Es stellen dar: Fig. 1 die Kennlinie des Treibgasverbrau- ehers und den Verlauf des der Schliesskraft proportionalen Schliessdruckes des Abblase ventils, Fig. 2 eine Treibgasanlage mit zwei Frei kolben-Treibgaserzeugern und mechanischer Steuerung des Abblaseventils und Fig. 3 eine Anlage mit hydraulischer Steuerung des Abblaseventils und eines den Treibgaserzeuger vom Verbrauchsnetz ab schaltenden Ventils.
Im Diagramm in Fig. 1 ist über der Treib gasmenge G als Abszisse der Diuck p als Ordinate aufgetragen. Die Kennlinie x gibt den Verlauf des Druckweines Treibgasver- brauchers, z. B. einer Gasturbine an, während die Kurve y den Schliessdruck des Abblase ventils eines Treibgaserzeugers darstellt, der sein Treibgas der Gasturbine zuführt.
Dieser Schliessdruck ist das Verhältnis der Schliess kraft der das AbblaseventilbelastendenFeder oder dergleichen zu der vom Treibgasdruck belasteten Schliessfläche des Ventils.
Die Menge G, ist die kleinste zulässige Treibgasmenge, bei welcher der F'reikolben- Treibgaserzeuger im Leerlauf betrieben wer den kann. Daher ist das Abblaseventil bis zur Menge G, unbelastet, und das Treibgas wird durch das Abblaseventil ins Freie ab gelassen. Zwischen den Mengen G,. und G2 nimmt die Belastung des Abblaseventils zu.
Die abzublasende T'reibgasmenge beim Druck p,. wird durch den Abstand z-z, dargestellt. Da nun bei zunehmender Belastung der Gas turbine der Treibgasverbrauch zunimmt, wird dieser Abstand, d. h. die sekundliche Menge, die abgelassen wird, immer kleiner. Deshalb wird das Abblaseventil mehr und mehr ge schlossen und der Treibgasdruck p erhöht sich.
Bei der Menge G2 ist das Abblaseventil geschlossen und wird nun im weitern Arbeits bereich von der Menge G2 bis zur Menge G3 mit einem veränderlichen Schliessdruck be lastet.
Dieser .Schliessdruck wird zwischen den Mengen G2 und G3 in Abhängigkeit von einem Betriebsfaktor der Anlage so eingestellt, dass er mindestens in diesem Arbeitsbereich des Treibgasverbrauchers um den einstellbaren Betrag dp über dem jeweiligen Treibgas druck liegt, der durch den Verbraucher ent sprechend der Kennlinie x bestimmt wird.
Dadurch wird der Vorteil erreicht, einmal, dass das Abblaseventil geschlossen bleibt, an derseits, dass trotz des von p2 bis p3 wechseln den Treibgasdruckes der Schluss des Abblase ventils im ganzen Bereich von der Menge G,; bis zur Menge G3 nur um einen kleinen, ein stellbaren Druckunterschied, der zu einem sichern Schliessen dieses Ventils erforderlich ist, den Treibgasdruck übersteigt.
Infolge dessen kann bei einem plötzlichen Abstellen des Treibgasverbrauchers der Treibgasdruck im T'reibgaserzeuger bis zum -Öffnen des Ab blaseventils nur geringfügig ansteigen. Somit werden auch die Druckverhältnisse im Brenn- kraft- und Verdichterteil des Treibgaserzeu- gers selbst bei grossen Schwankungen im Treibgasverbrauch nicht erheblich verändert und ein Abstellen des Treibgaserzeugers ver mieden.
Ohne diese Regelung müsste die Belastung des Abblaseventils zwischen den Mengen G= und G3 dem Druck p"ä p3+dp entsprechen; denn nur so bliebe das Abblaseventil auch bei der Menge G, geschlossen. Hingegen würde beim Ausfall des Treibgasverbrauchers das r Abblaseventil bei der Menge G2 erst öffnen. wenn der Treibgasdruck von p, auf p",, d. h.
auf ein Mehrfaches vom Druck pz, gestiegen wäre, was unweigerlich ein Abstellen des Treibgaserzeugers mit sich bringen würde. Dabei kann der Betrag 4p sowohl konstant sein als auch mit zunehmender Treibgas menge zu- oder abnehmen oder in anderer Weise variabel sein.
In Fig. 2 haben die Freikolben-Treibgas- erzeuger 1 und 2 einen Brennkraftzylinder 3, Freikolben 4 und Verdichterzylinder 5. Die Zylinder 5 haben .Saugleitungen 6 und eine gemeinsame Druckleitung 7.
Die verdichtete Luft gelangt über die Einlassschlitze 8 in die s Brennkraftzylinder 3, in denen sie weiter ver dichtet wird, und nach der Brennstoffein spritzung und Zündung als Treibgas durch die Auspuffschlitze 9 in die Treibgasleitun- gen 10 und 11, aus denen das Gas durch die Ventile 12 und 13 in die Treibgasleitung 16 gelangt, die zur Gasturbine 17 führt.
Den Ventilen 12. und 13 gegenüber sind die Ab- blaseventile 18 und 19 angeordnet, die durch die Druckfedern 2,0 und 21 belastet sind. Die linken Federteller 22 und 23 sind mittels der Hebel 24 und 25 verstellbar, indem einerseits die Drehpunkte 26 und 27 mittels der Spin deln 28 und 29 verschoben werden können, anderseits die Rollen 30 und 31 am andern Ende der Hebel 24 und 25 von den Nocken 32 und 313 verstellt werden. Die letzteren wer den mittels der Stange 34 und des Winkel- hebels 35 vom Drehzahlregler 36 der Turbine 17 nach Massgabe der Drehzahl der Turbine 17 nach unten und nach oben verschoben.
Sind die Ventile 12 und 13 beide geöffnet, so liefern beide Treibgaserzeuger 1 und 2 der Gasturbine 17 Treibgas. Die Abblaseventile 18 und 19 sind dabei geschlossen, wenn die Anlage im Arbeitsbereich zwischen den Men gen G, und G3 nach F'ig. 1 arbeitet.
Je höher die Drehzahl ist, um so mehr werden die Nok- ken 32 und 3'3' vom Regler 36 nach unten ver schoben und die Federn 20 und 21 stärker ge spannt, so dass bei grösserer Treibgasmenge trotz höherem Treibgasdruck die Ventile 18 und 19 geschlossen bleiben. Die Regelung für die Leistungserhöhung der Treibgaserzeuger 1 und 2 ist der Einfachheit halber weggelas sen.
Es versteht sich von selbst, dass zur Ver grösserung der Treibgasmenge und zur Erhö hung des Treibgasdruckes die eingespritzte Brennstoffmenge vergrössert werden muss und .umgekehrt, wofür irgendeine Regelvorrich tung benutzt sein kann.
Sinkt die Belastung der Turbine 17 sc weit, dass zur Erzeugung der erforderlicher Gasleistung nicht mehr alle Treibgaserzeu- ger in Betrieb gehalten werden müssen, sc kann nun durch langsames Schliessen des Ven tils 12 der Treibgaserzeuger 1 von der Tur. bine 17 abgeschaltet werden, ohne dass dies( eine Lastschwankung erfährt, weil gleich zeitig der Regler 36 eingreift und neben dei Verstellung der Nocken 32 und 33 in irgend einer bekannten Weise die Brennstoffzufuh:
zu den übrigen Treibgaserzeugern vergrössert und deren Leistung erhöht.
Durch die beschriebene Regelung der Schliesskraft bezw. des Schliessdruckes des Ventils 18 wird nun ein unbeabsichtigtes plötzliches Abstellen des Treibgaserzeugers 1 vermieden, indem bereits bei der kleinen Er höhung des Treibgasdruckes in der Leitung 10 um den Betrag<I>dp</I> über den Druck in der Leitung 16 das Abblasseventil 18 geöffnet und die vom Treibgaserzeuger 1 erzeugte Treib gasmenge abgeblasen wird. Diese kann ent weder ins Freie ausströmen oder für Heiz- bezw. für andere Zwecke benutzt werden.
Der Treibgasdruck in der Leitung 10 bleibt nun zunächst erhalten, da der Nocken 32 und so mit die Spannung der Feder 20 entsprechend der neuen Belastung der Turbine 17 einge stellt sind. Um den Treibgaserzeuger 1 auf Leerlauf zu schalten, wird die Spannung der Feder 2.0 durch Verschieben des Drehpunktes 26 nach links mit Hilfe der Spindel 28 ver kleinert. Nun kann durch Abschalten der Brennstoffzufuhr der Treibgmerzeuger 1 still gesetzt werden.
Der Treibgaserzeuger 1 kann somit bei geschlossenem Ventil 12 durch Spannen oder Entspannen der Feder 2.0, mittels der Spindel 28 mit einer beliebigen Belastung betrieben werden. Dies ist für das Zuschalten eines Treibgaserzeugers, während die Gasturbine 17 arbeitet, notwendig, damit die Turbine 17 beim Zuschalten keine Lastschwankung er fährt.
Der Vorgang beim Zuschalten ist folgen der: Der Treibgaserzeuger 1 wird bei ent lasteter Feder 20 angelassen und vom Leer lauf durch Spannen der Feder 20 mittels der Spindel 28 und durch Erhöhung der Brenn stoffzufuhr auf eine ,solche Belastung ge bracht, dass der Druck in der Leitung 10 dem momentanen Druck in der Leitung 16 ent spricht. Alsdann wird das: Ventil 12 geöffnet. Trotzdem entweicht das vom Treibgaserzeu- ger 1 erzeugte Treibgas noch immer durch das geöffnete Ventil 18.
Zum Parallelschalten des Treibgaserzeu- gers 1 mit den andern Treibgaserzeugern muss mit Hilfe der Spindel 28 der Drehpunkt 26 durch Verschieben nach rechts in seine Be triebsstellung gebracht werden. Dadurch wird nämlich der Schliessdruck des Ventils 18 dem Schliessdruck des Abblaseventils 19 des in Be trieb . befindlichen Treibgaserzeugers ange glichen, so dass dieser nunmehr auch grösser ist als der Treibgasdruck in der Leitung 16 und das Abblaseventil 18 schliesst.
Anstatt dass die Kompressorzylinder 5 aus dem Freien ansaugen, kann ihnen die Luft im vorverdichteten Zustand zugeführt; werden, indem die Saugleitungen 6 an den Druckstutzen eines Vorver dichters ange schlossen sind, der vorteilhafterweise als Ro tationsverdichter mit Antrieb durch eine Gas turbine ausgebildet ist, damit der Vorverdich- ter auch mit Treibgas angetrieben werden kann.
In Fig. 31 wird das Ventil 19 hydraulisch gesteuert, wobei der Nocken 33, und zwar wieder vom Drehzahlregler 36 aus, mittels des Winkelhebels 35 und der Stange 34 in Abhängigkeit von der Drehzahl der Gastur bine 17 verstellt wird. Die Feder 21 aber be tätigt das Steuerorgan 40 des Servomotors mit dem Stufenkolben 42, welcher mit dem Ven til 19 verbunden ist. Die Ringfläche des Kol bens 42 ist dauernd von einem Druckmittel belastet, wodurch das Öffnen des Ventils 19 angestrebt wird. Anderseits wird das Schlie ssen des Ventils durch ein Druckmittel be wirkt, welches den Raum 43 ausfüllt.
Der Druck des Druckmittels im Raum 43 auf die untere Fläche des Kolbens 42 wird durch die Spannung der Feder 21 bestimmt. Diese Spannung hält dem Druck des Druck mittels auf das rechte Ende des Steuerschie bers 40 die Waage. Beim. Entspannen der Feder 21 verschiebt sich das Organ 40 nach links, und es kann Druckmittel aus dem Raum 43 durch den Abfluss 44 austreten. Wird die Feder 21 hingegen gespannt, so stellt das Organ 40 die Verbindung zwischen der Lei tung 45 und dem Raum 43 her.
Der Druck in der Leitung 45 wird durch die Spannung der Feder 46 bestimmt, die das Organ 47 be lastet und mittels der Spindel 48 auf einen bestimmten Wert eingestellt werden kann. Ist der Druck in der Leitung 45 höher, so be wirkt die Verbindung dieser Leitung mit dem Raum 48 eine Druckabsenkung in der Lei tung 45 und ein Anheben des Steuerorganes 47, so dass die Druckmittelzufuhr aus der Leitung 49 zum Raum 48 stattfinden kann.
Sofern das Ventil 19 geöffnet ist, wird der Kolben 42 nach oben bewegt, oder wenn das Ventil 19 geschlossen ist, wird die Schliess kraft um so viel erhöht, dass der Schliessdruck um den Betrag dp über dem erhöhten Treib gasdruck in den Leitungen 11 und 16, im Sinne der Kurve y in Fig. 1, gelegen ist.
Das Ventil 13, das zum Abschalten des Treibgaserzeugers 2 von der Leitung 16 dient, wird mittels: des Stufenkolbens 50 betätigt, dessen Ringfläche zur Offenhaltung des Ven tils 13 durch einen stets offenen Druckmittel zufluss aus der Leitung 51 dauernd belastet wird, während der Druck des Druckmittels im Raum 52 eingestellt werden kann. In der Stellung I des Hahnes 53 ist die untere Flä che des Steuerorganes 54 unbelastet, weil die Leitung 55 mit dem Freien verbunden ist.
Die Feder 56 drückt das Organ 54 in die unterste Stellung und der Raum 52 ist über die Lei tungen 57 und 58 mit dem Druckmittelabfluss 59 verbunden, wenn das Steuerorgan 60 unter der Wirkung des Druckes in der Leitung 66 in seiner untersten Stellung steht. Das Druck mittel aus der Leitung 51 drückt somit den Kolben 50 nach unten in die untere Stellung, und das Abschaltventil 13. ist voll geöffnet.
Wird der Hahn 53 in die Stellung II ge bracht, so fliesst Druckmittel aus der Leitung 61 über die Leitungen 62 und 63 und die nun mehr mit ihnen verbundene Leitung 55 unter das Organ 54, das angehoben wird. Der Zu fluss von Druckmittel aus der Leitung 61 in den Raum 52 wird dadurch frei, so dass der Kolben 50 angehoben und das Abschaltventil 13 geschlossen wird, ohne Rücksicht auf die Stellung des Steuerorganes 60. Dadurch wird der Treibgaserzeuger 2 von der Turbine 17 abgeschaltet.
Das Abschaltventil 13 dient ferner als Sicherheitsventil, um im Falle eines Stillstan- des des Freikolben-Treibgaserzeugers 2 ein Rückströmen von Treibgas aus dem Netz durch den Treibgasserzeuger 2 zu verhindern. Zu diesem Zweck ist mit dem linken Freikol ben 4 das Kölbchen 65 einer kleinen Pumpe verbunden. Solange der Treibgaserzeuger in Betrieb ist, fördert das Kölbchen 65 Druck mittel in die Leitung 66, wodurch der Kolben 67 so weit nach unten verdrängt wird, dass das geförderte Druckmittel durch die Öff nung 68 abfliesst.
Der Kolben 67 ist durch die Feder 69 belastet, die den höchsten Druck in der Leitung 66 bestimmt. Infolge dieses Druckes wird das Steuerorgan 60 entgegen der Kraft der Feder 70 in der untersten Stel- lung-festgehalten. Ausser aus der Öffnung 68 fliesst auch dauernd Druckmittel durch die Blende 71, jedoch in der Zeiteinheit nur so viel, dass während des Bewegungswechsels des Kölbchens 65 der Druck in der Leitung 66 infolge des Entspannens der Feder 69 nicht wesentlich absinkt.
Bleiben hingegen die Freikolben 4 stehen, so hört die Förderung des Kölbchens 65 auf. Dadurch, dass das Druckmittel durch die Drosselblende 71 abfliesst, geht der Kolben 67 nach oben. Sobald der Kolben 67 am An schlag 72 aufliegt, verschwindet der Druck in der Leitung 66, so dass die Feder 70 das Steuerorgan 60 nach oben schiebt. Infolgedes sen wird, auch wenn der Hahn 53 in der Stel lung I steht, die Druckmittelzüfuhrleitung 61 über die Leitungen 58 und 57 mit dem Raum 52 verbunden und das Ventil 13 wird rasch geschlossen. Mittels einer Blende 73 in der Leitung 58 kann die .Schliesszeit eingestellt werden.
In Fig. 3 ,sind die unter Druck stehenden Lufträume, die Spülluftleitung 7 und die Kompressorzylinder 5 durch die Verbin dungsleitung 74 mit der Treibgasleitung 11 vor dem Abblaseventil 19 verbunden und durch ein Rückschlagventil 75 so abgeschlos sen, dass bei einem bestimmten Überdruck auf der Luftseite gegenüber der Treibgasseite das Rückschlagventil 75 nach unten öffnet und einen Druckausgleich herbeiführt.
Die Feder 76 ist so bemessen, dass auch beim grössten wegen des Spülwiderstandes im Brennkraft- zylinder 3 erforderlichen Überdruck in der Leitung 7 das Rückschlagventil 75 noch ge nügend belastet ist und dicht bleibt. Das Öffnen erfolgt erst, wenn die Druckdifferenz den für das Durchspülen des Brennkraft- zylinders 3 erforderlichen Überdruck um einiges überschreitet.
Diese Verbindung dient dazu, beim Abstellen des, Treibgaserzeuger.s, wenn das Ventil 13 geschlossen und das Ven til 19 geöffnet ist, beim Stillstand der Frei kolben 4 unmittelbar sämtliche unter Druck ,stehende Lufträume zu entlasten, einmal um zu verhindern, dass die Freikolben in eine un beabsichtigte, für das Anlassen nicht ge- wünschte Stellung gelangen würde und um ein leichtes Anlassen des Treibgaserzeugers zu ermöglichen. Zu den unter Druck stehen den Lufträumen können ausser der Spülluft leitung 7 auch allfällige, in der Figur nicht dargestellte Sperrlufträume zählen.
Sie um geben beispielsweise Treibgasbehälter und Treibgasleitungen und sind mittels einer Lei tung mit der Spülluftleitung 7 verbunden.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf Freikolben-Treibgaserzeuger, sondern umfasst auch Kurbelwellen-Treibgaserzeuger. Insbe sondere, wenn mehrere Treibgaserzeuger par allel zueinander auf eine gemeinsame Treib gasleitung geschaltet sind und das Treibgas einer Gasturbine zugeleitet wird, können sämtliche Treibgaserzeuger ein gemeinsames, vor der Turbine angebrachtes Abblaseventil aufweisen.- Auch kann jeder T'reibgaserzeu- ger, wie in F'ig. 2,
ein Abblaseventil aufwei sen und ausserdem ein Abblaseventil für alle Treibgaserzeuger vor der Gasturbine vorge sehen sein. Dies hat den Vorteil, dass bei raschen Manövern nur ein einziges Treibgas ventil betätigt werden muss und die Treibgas erzeuger ständig am Netz angeschlossen bleiben.