DE1275835B

DE1275835B - Brennstoffregeleinrichtung fuer eine Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE1275835B
Application number: DEG38514A
Authority: DE
Inventors: Jacob Burnell Gatzemeyer; Neal Eyferth Starkey
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1962-08-29
Filing date: 1963-08-21
Publication date: 1968-08-22

Description

Brennstoffregeleinrichtung für eine Gasturbinenanlage Die Erfindung betrifft eine Brennstoffregeleinrichtung für eine Gasturbinenanlage mit einem im wesentlichen aus Luftverdichter, Brennkammer und Verdichterantriebsturbine bestehenden Gaserzeugerteil und mit einer mechanisch davon getrennten, nachgeschalteten Nutzlastturbine, deren Eintrittsleitvorrichtung von einem von der Verdichterdrehzahl beeinflußten ersten Drehzahlregler verstellbar ist, sowie mit einem von der Nutzlastturbinendrehzahl beeinflußten, die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer steuernden zweiten Drehzahlregler.
Bekanntlich läßt sich der Betrieb von Gasturbinenanlagen erheblich flexibler gestalten, wenn man den Gaserzeugerteil, also den Luftverdichter und dessen Antriebsturbine vom Nutzlastturbinenteil trennt, so daß die Drehzahl des die Brennkammer mit Luft speisenden Verdichters unabhängig von der für die leistungsabgebende Nutzlastturbinenwelle erwünschten Drehzahl ist. Dadurch kann der Verdichter mit der den besten Wirkungsgrad liefernden Drehzahl betrieben werden, während die Drehzahl der Nutzlastturbine den wechselnden Arbeitsbedingungen der angeschalteten Last angepaßt werden kann. Ferner ist es bekanntlich erwünscht, die wirksame Fläche und den Austrittswinkel der die Nutzlastturbine mit Treibgas beaufschlagenden Eintrittsleitvorrichtung ändern zu können, zu welchem Zweck Einrichtungen verschiedener Art für das Verstellen dieser Zwischenleitvorrichtung bekannt sind.
Die maximal zulässige Arbeitstemperatur und folglich der maximal erreichbare Wirkungsgrad einer Gasturbinenanlage sind bekanntlich durch die Festigkeit der verfügbaren Werkstoffe bei den in Frage kommenden hohen Temperaturen begrenzt. Der höchstmögliche Wirkungsgrad über einen weiten Bereich unterschiedlicher Betriebsbedingungen läßt sich dann erzielen, wenn man einen oder mehrere Betriebszustände der Anlage mit Hilfe von auf die Turbinenabgastemperatur ansprechenden Einrichtungen so regelt, daß die Abgastemperatur ohne Rücksicht auf andere, mitunter gegenteilige Anforderungen an die Anlage annähernd konstant gehalten wird.
Bei einer bekannten Brennstoffregeleinrichtung der eingangs genannten Art (USA.-Patentschrift 2 625 789) für eine Zweiwellen-Gasturbinenanlage erfolgt die Sollwerteinstellung des Drehzahlreglers für die Verdichterantriebsturbine in Abhängigkeit von der Abgastemperatur durch einen Abgastemperaturregler in der Weise, daß die bei Abweichungen der Verdichterantriebsturbinendrehzahl vom Sollwert auftretende Stellgröße die Düsenöffnung und damit die Drehzahl der Verdichterantriebsturbine im Sinn einer Konstanthaltung der Abgastemperatur nachstellt. Die Solldrehzahl (Belastung) der Nutzlastturbine wird von Hand auf einer Schalttafel eingestellt, wobei die von dem von der Nutzlastturbine beeinflußten Drehzahlregler erzeugte Stehgröße die Brennstoffzufuhr zur Brennkammeranlage regelt. Dabei erfolgt die Turbinendüsenverstellung stets unter dem Einfluß des Drehzahlreglers für die Verdichterantriebsturbine, während die Steuerung der Brennstoffzufuhr stets unter dem Einfluß des Drehzahlreglers für die Nutzlastturbine erfolgt. Es bestehen also zwei getrennte Drehzahlregelkreise, die durch die Abgastemperatur gewissermaßen miteinander verknüpft sind.
Man kann nun bekanntlich die beiden Turbineneinheiten einer derartigen Zweiwellen-Gasturbinenanlage als zwei getrennte Turbinensysteme auffassen, die jedoch in sehr komplexer Weise wechselseitig aufeinander einwirken. Jedes dieser Systeme steht unter dem Einfluß eines eigenen Drehzahlreglers mit jeweils zwei Eingängen, nämlich dem Sollwerteingang und dem durch die Drehzahl der betreffenden Turbine gegebenen Istwerteingang, wobei die Differenz dieser beiden Größen, also die Drehzahlabweichung, die Stellgröße für die Drehzahl der betreffenden Turbine bildet. Dabei bringt es die Komplexität der Anlage mit sich, daß die von den beiden Stellgrößen steuerten Systemgrößen, nämlich die Brennstoffzufuhr beim einen System und die Düseneinstellung beim anderen System, nicht nur das betreffende, sondern indirekt auch das andere System beeinflussen.
Bei der bekannten Einrichtung sind nun die beiden Regelkreise in dem Sinn voneinander getrennt, daß die jeweiligen Sollwerteinstellungen unabhängig voneinander erfolgen und lediglich eine indirekte Kopplung über und durch die Turbinensysteme selbst besteht, wobei als koppelnder Faktor die Abgastemperatur wirkt. Nachteilig ist dabei, daß bei Laständerungen im Betrieb der Anlage die Abgastemperaturregelung naturgemäß mit erheblicher Verzögerung anspricht und folglich sich der Regelvorgang verzögert auswirkt, so daß man einen schlechteren Wirkungsgrad in Kauf nehmen muß, wenn man nicht Gefahr laufen will, daß unter Umständen die zulässige Höchsttemperatur überschritten wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einem anderen Weg die beiden Regelkreise so miteinander zu koppeln, daß bei Laständerungen die Solldrehzahl der Verdichterantriebsturbine unmittelbar, d. h. nicht auf dem Umweg über die Abgastemperaturregelung nachgestellt wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Brennstoffregeleinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß der zweite Drehzahlregler zugleich den Sollwert am ersten Drehzahlregler proportional zu der die Brennstoffzufuhr beeinflussenden Drehzahlabweichungsgröße verstellt.
Dadurch wird erreicht, daß das gesamte Regelsystem unverzögert auf Laständerungen anspricht, indem der Drehzahlregler für die Verdichterantriebsturbine der verzögert wirkenden Beeinflussung durch die Abgastemperatur entzogen ist und statt dessen unmittelbar, d. h. unverzögert, auf Drehzahländerungen der Nutzlastturbine, also auf Laständerungen, anspricht. Auf diese Weise kann man den höchstmöglichen Wirkungsgrad der Anlage ohne Überschreiten der zulässigen Höchsttemperatur erreichen.
In Fällen, wo außerdem eine übersteuernde Abgastemperatur-Grenzregelung zwecks noch besserer Ausnutzung des Wirkungsgrades der Anlage vorgesehen ist, ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß der Abgastemperatur-Grenzregler allein die Verstellung des Brennstoffreglers durch den zweiten Drehzahlregler beeinflußt, d. h., der Abgastemperatur-Grenzregler übersteuert die Beeinflussung des Brennstoffreglers durch den Nutzlastturbinen-Drehzahlregler, ohne diesen jedoch daran zu hindern, weiter den Sollwert des Verdichterantriebsturbinen-Drehzahlreglers im gewünschten Sinn zu steuern. Die Steuerung des Verdichterantriebsturbinen-Drehzahlreglers durch den Nutzlastturbinen-Drehzahlregler ist daher völlig unabhängig davon, ob die Nutzlastturbine gerade angefahren wird oder leerläuft oder ob sie mit Vollast arbeitet, d. h. unter dem Einfluß der Abgastemperatur-Grenzregelung steht.
Gemäß weiteren Merkmalen der Erfindung verstellt der zweite Drehzahlregler den Sollwert des ersten Drehzahlreglers unabhängig von Änderungen der Brennstoffzufuhr und wird der Abgastemperatur-Grenzregler in seiner begrenzenden Wirkung durch das Ausgangssignal des zweiten Drehzahlreglers beeinflußt.
Bei einer Mehrbrennstoff-Turbinenanlage, bei der nach Wahl entweder einer oder sämtliche von mehreren unterschiedlichen Brennstoffen der Brennkammer zuführbar sind, ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß während der Vornahme eines Brennstoffwechsels der Abgastemperatur-Grenzregler die Abgastemperatur konstant hält und der zweite Drehzahlregler durch entsprechende Beeinflussung des ersten Drehzahlreglers die Verdichterdrehzahl steuert.
Die Erfindung wird nachstehend in Anwendung auf eine Zweiwellen-Gasturbinenanlage erläutert, die mit mehreren verschiedenen Brennstoffen betrieben werden kann, wobei während des Wechsels von einem Brennstoff zu einem anderen die Belastung konstant gehalten wird.
In den Zeichnungen zeigt F i g. 1 ein Schema einer Zweiwellen-Gasturbinenanlage mit erfindungsgemäßer Regeleinrichtung, F i g. 2 ein vereinfachtes Schema der Turbinenanlage und ihrer Regeleinrichtung in Blockform, F i g. 3 ein die Arbeitsweise der Regeleinrichtung bei nichtbegrenzter Abgastemperatur veranschaulichendes Diagramm und F i g. 4 ein die Arbeitsweise bei begrenzter Abgastemperatur veranschaulichendes Diagramm.
Die erfindungsgemäße Einrichtung bedient sich eines Drehzahlreglers für den Nutzlastturbinenläufer mit abfallender Drehzahlcharakteristik, wobei die Abweichung von der Solldrehzahl dazu verwendet wird, die zu den Brennkammern der Gasturbine strömende Brennstoffmenge zu steuern und zugleich die Drehzahl-Sollwerteinstellung eines weiteren Drehzahlreglers für die Verdichterantriebsturbine, die gleichfalls eine abfallende Drehzahlcharakteristik hat, zu ändern. Die Brennstoffmenge wird durch eine vorgewählte maximale Turbinenabgastemperatur begrenzt, während die eingestellte Solldrehzahl der Verdichterturbine durch die Abgastemperatur nicht beeinflußt wird, sondern unter dem Einfluß des Reglers für die Nutzlastturbine verbleibt. Schwankungen der Nutzlastturbinenbelastung oder -drehzahl werden beiden Regeleinrichtungen (dem Brennstoffzufuhrregler und dem Drehzahlregler für die Verdichterturbine) mit sehr geringer zeitlicher Verzögerung mitgeteilt. Wenn die Anlage mit Temperaturbegrenzung arbeitet, d. h. die Brennstoffzufuhr durch die Turbinenabgastemperatur begrenzt wird, so ist die Luftzufuhr etwa der Belastung der Nutzlastturbine proportional, und ein Umschalten von einem Brennstoff auf den anderen kann ohne weiteres vorgenommen werden, ohne daß die Drehzahl oder Belastung der kraftabgebenden Welle beeinflußt wird.
Die in F i g. 1 gezeigte Zweiwellen-Gasturbinenanlage 1 hat einen Luftverdichter 2, der beispielsweise als mehrstufiger Axialverdichter ausgebildet sein kann, eine Brennkammeranlage 3 und ein gemeinsames Turbinengehäuse 4, das einen Hochdruckturbinenläufer 5 und einen Niederdruckturbinenläufer 6 umschließt. Ein verdrehbarer Turbinendüsen-Verstellring 7 dient dazu, den effektiven Schaufelwinkel von eine Zwischenleitvorrichtung bildenden Düsen 8 zu verstellen, um die Druckverhältnisse an der Beschaufelung der Turbinenläufer 5, 6 zu regeln. Durch Drehen des Ringes 7 im Sinn einer Verkleinerung des effektiven Anstellwinkels der Düsen 8, d. h. im Sinn einer Öffnung der verstellbaren Düsen, wird erreicht, daß die Drehzahl des Hochdruckturbinenläufers 5 ansteigt und die Drehzahl des Niederdruckturbinenläufers 6 absinkt.
Die über den Lufteinlauf 9 in den Verdichter 2 einströmende Luft vermischt sich anschließend mit dem durch Düsen 10 in die Brennkammern 3 eingespritzten Brennstoff. Nach Verbrennen des Luft-Brennstoff-Gemisches in den Brennkammern 3 durchströmen die Abgase das Turbinengehäuse 4, von wo sie durch die Abgasleitung 11 ins Freie gelangen.
Der Niederdruckturbinenläufer 6 treibt eine Last, im vorliegenden Fall einen elektrischen Generator 12, der über Leitungen 13 ein Stromnetz mit elektrischer Energie beliefert. Der Hochdruckturbinenläufer 5 treibt den Verdichter 2 an, der die Verbrennungsanlage mit Luft beliefert, er stellt also die Verdichterantriebsturbine dar, während der Niederdruckturbinenläufer 6 die Nutzlastturbine darstellt.
Die Anlage ist mit zwei Drehzahlreglern, und zwar einem für die Verdichterantriebsturbine und einem für die Nutzlastturbine ausgerüstet. Bei der gezeigten Ausführungsform sind diese beiden Regler im wesentlichen gleich ausgebildet. Sie können entweder als mechanische oder als elektrische Regler ausgebildet sein. Der Drehzahlregler 14 für die Verdichterantriebsturbine hat einen an der Hochdruckwelle angebrachten Tachometergenerator 15, der eine der Drehzahl des Läufers 5 proportionale Spannung erzeugt. Mit Hilfe eines Verstellwiderstands 16 für die Drehzahl-Sollwerteinstellung der Verdichterantriebsturbine wird der Stromfluß durch eine Magnetspule 17 eingestellt, die so gewickelt ist, daß sie auf den Schieber eines hydraulischen Steuerventils 18 eine nach unten gerichtete Kraft ausübt. Der vom Tachometergenerator 15 erzeugte Strom durchfließt außerdem einen Rückführ-Verstellwiderstand 19 mit einem beweglichen Arm 20. Ein Teil des den Widerstand 19 durchfließenden Stroms fließt durch einen parallelgeschalteten Verstellwiderstand 21 sowie durch eine Rückführmagnetspule 22, die so gewickelt ist, daß ihre Kraft sich zu der von der Spule 17 entwickelten Kraft addiert. Eine Feder 23 drückt den Schieber des Steuerventils 18 gegen die durch den Stromfluß in den Spulen 17 und 22 erzeugte Kraft nach oben.
Die Bestandteile des Drehzahlreglers 24 für die Nutzlastturbine sind von gleicher oder ähnlicher Ausbildung und Wirkungsweise wie die entsprechenden Bestandteile des Drehzahlreglers 14. Und zwar handelt es sich dabei um einen Tachometergenerator 25, einen Verstellwiderstand 26 für die Drehzahl-Sollwerteinstellung der Nutzlastturbine, eine Magnetspule 27, ein Steuerventil 28, einen Rückführwiderstand 29, einen beweglichen Arm 30, einen Verstellwiderstand 31, eine Rückführmagnetspule 32 und eine Feder 33. Der Verstellwiderstand 26 hat einen Handhebel 26 a, der dazu dient, die Drehzahl oder Belastung der Nutzlastturbine in noch zu erklärender Weise einzustellen.
Bei den in F i g. 1 schematisch als Gleichstromgeneratoren 15, 25 angedeuteten Einrichtungen normalerweise um kleine Drehstromgeneratoren mit nachgeschalteten Dreiphasen-Vollweggleichrichtern, die den Drehzahlen der entsprechenden Läufer proportionale Spannungen erzeugen.
Die von den Magnetspulen 17, 27 erzeugte, der Spannung der Federn 23 bzw. 33 entgegenwirkende Abwärtskraft nimmt mit ansteigendem Stromfluß durch die Spulen 17, 27 zu. Die Steuerventile 18, 28 betätigen die beweglichen Arme 20, 30 über hydraulische Servomechanismen; durch die Bewegung dieser Arme wird der Stromfluß durch die Rückführspulen 22 bzw. 32 beeinflußt, wobei der Wicklungssinn dieser Spulen so ist, daß ihre Amperewindungen sich zu der in den Magnetspulen 17 bzw. 27 erzeugten Amperewindungszahl addieren.
Die in der beschriebenen Weise ausgebildeten Drehzahlregler 14, 24 haben eine abfallende Drehzahlcharakteristik, indem die beweglichen Arme 20, 30 eine Lage einnehmen, die einer gegebenen Abweichung der durch die Tachometergeneratoren 15, 25 wahrgenommenen Istdrehzahl von der mittels der Verstellwiderstände 16, 26 eingestellten Solldrehzahl proportional ist, und zwar infolge der rückkoppelnden Wirkung der Rückführspulen 22, 32, die sich zu der gleichzeitig durch die Magnetspulen 17, 27 vorgenommenen Korrigierwirkung addiert.
Die gezeigte Turbinenanlage ist für den Betrieb mit zwei verschiedenen Brennstoffen eingerichtet, die von Brennstoffpumpen 36, 37 über Leitungen 34, 35 gefördert werden. Die beiden Brennstoffanlagen sind in der Zeichnung als gleichartig ausgebildet gezeigt, obwohl sie in Wirklichkeit in ihren Einzelheiten beträchtlich voneinander abweichen können, etwa wenn der eine Brennstoff ein flüssiger Brennstoff, wie z. B. »Bunker-C-Öl«, und der andere Brennstoff ein Gas, wie z. B. Naturgas, ist. Der Brennstoffzufluß aus der Leitung 34 wird durch ein hydraulisch betätigtes Ventil 38, der Brennstoffzufluß aus der Leitung 35 dagegen durch ein Ventil 39 geregelt. Die zugeführten Brennstoffe beliefern über eine gemeinsame Leitung 40 die Brennstoffdüsen 10.
Lediglich das Ventil 39 mit dem Fluß durch ein Gehäuse 42 soll hier im einzelnen beschrieben werden. Der Ventilteller 41 wird durch eine Feder 43 in Schließrichtung und durch veränderlichen hydraulischen Steuerdruck (»Drucksignal«) in einer abgedichteten Balgenkammer 44 in Öffnungsrichtung gedrückt. Zwei an eine gemeinsame Steuerölleitung 47 angeschlossene Leitungen 45, 46 beschicken die Ventile 39 bzw. 38 mit Drucksignalen. Mit Hilfe von Ventilen 48, 49 kann die Zuleitung des Drucksignals an das eine der Ventile abgesperrt und das Drucksignal statt dessen dem anderen Ventil zugeleitet werden, so daß vom einen Brennstoff auf den anderen umgeschaltet wird. In manchen Fällen können die Ventile 48, 49 automatisch gesteuert sein, so daß die Brennstoffe einzeln oder gemeinsam in gewünschten Mengenanteilen entsprechend einem vorbestimmten Verteilungsschema gefördert werden.
An Stelle einer mit Erhitzung durch Verbrennungswärme arbeitenden Anlage, bei der die dem Treibgas zugeführte Wärme eine Funktion der Brennstoffzufuhr ist, können bei anderen Arten von Gasturbinen, besonders solchen mit geschlossenem Kreislauf, anderweitige Mittel für die Zufuhr von Wärme an das Treibgas, beispielsweise Wärmeaustauscher, vorgesehen sein. Die Steuerung der Wärmezufuhr an das Treibgas ist in diesem Fall der Steuerung der Brennstoffzufuhr bei einer Gasturbine mit offenem Kreislauf von der oben beschriebenen Art analog. Es stellen daher die Ventile 38, 39 allgemein Einrichtungen für die Regelung der Wärmezufuhr an das Treibgas dar.
Der Turbinendüsenregler 50 ist ein hydraulischer Servomechanismus, der unter der Primärsteuerung des Drehzahlreglers 14 für die Verdichterantriebsturbine steht. Der Düsenverstellring 7 wird durch eine daran befestigte Stange 51, die durch einen Kolben 52 betätigt wird, gedreht. Der Kolben 52 wird durch eine Feder 53 in einem hydraulischen Zylinder 54 in Düsenöffnungsrichtung gedrückt. Die Beaufschlagung des Zylinders 54 mit Druckmittel wird durch das mit einer Druckflüssigkeitsquelle (nicht gezeigt) verbundene Steuerventil 18 geregelt. An der Stange 51 befindet sich eine Zahnstange 55, durch deren Verschiebung ein Zahnrad 56 und der daran befestigte Arm 20 des Rückführwiderstandes 19 gedreht wird.
Der gemeinsam mit dem Drehzahlregler 14 wirkende Turbinendüsenregler 50 arbeitet in der folgenden Weise: Wenn entweder infolge einer Erniedrigung der vom Tachometergenerator 15 wahrgenommenen Istdrehzahl oder infolge einer Erhöhung der eingestellten Solldrehzahl (Drehung des Verstellwiderstands 16 im Uhrzeigersinn) die Amperewindungszahl in der Magnetspule 17 sich verringert, so drückt die Feder 23 den Schieber des Steuerventils 18 nach oben, so daß Druckflüssigkeit aus dem Zylinder 54 austritt und folglich sich der Kolben 52 nach unten verschiebt und die Düsen 8 weiter öffnet. Durch die Abwärtsbewegung der Kolbenstange 51 wird der Rückführwiderstandsarm 20 im Uhrzeigersinn gedreht und dadurch der Stromfluß durch die Rückführspule 22 erhöht. Zugleich wird durch das Öffnen der Düsen das Druckgefälle am Turbinenläufer 5 vergrößert, wodurch sich die Drehzahl dieses Läufers erhöht und dadurch die vom Generator 15 durch die Magnetspule 17 geschickte Stromstärke ansteigt. Dies hat zur Folge, daß das Steuerventil 18 in seine Neutralstellung zurückkehrt, so daß ein weiteres Öffnen der Düsen 8 verhindert wird. Die durch die Magnetspule 17 erzeugte Kraft addiert sich zu der von der Rückführspule 22 gelieferten Abwärtskraft. Dies bedeutet, daß, obwohl das Steuerventil 18 in seine ursprüngliche Stellung zurückgekehrt ist, die Düsen eine neue Stellung eingenommen haben. Der durch die Rückführspule 22 fließende Strom (der der Stellung des Widerstandsarms 20 proportional ist) entspricht der Abweichung zwischen Solldrehzahl und Istdrehzahl. Unterschiedliche Einstellungen des Verstellwiderstands 16 ergeben daher unterschiedliche Düsenwinkeleinstellungen. Mithin haben der Drehzahlregler 14 und der Düsenregler 50 eine abfallende Charakteristik, d. h., ihre Regelwirkung beruht auf einem Abfall der Istdrehzahl von der Solldrehzahl. Der Betrag der Drehzahlabweichung zwischen der geöffneten und der geschlossenen Düsenstellung wird mit Hilfe des Verstellwiderstands 21 eingestellt.
Der Brennstoffregler 57 beliefert die gemeinsame Steuerölleitung 47 mit einem veränderlichen Steueröldrucksignal in Abhängigkeit von entsprechenden Kommandos des Drehzahlreglers 24 für die Nutzlastturbine und/oder des Abgastemperatur-Grenzreglers 58.
Der Brennstoffregler 57 hat einen schwimmend gelagerten Hebel 59, dessen linkes Ende am Schaft eines Steuerkolbens 60 angelenkt ist, der in einem Steuerzylinder 61 gleitet und durch eine Feder 62 nach unten gedrückt wird. Da die Kraft der Feder 62 stets durch den Druck unterhalb des Kolbens 60 aufgewogen wird, ist der Druck im Zylinder 61 ausschließlich eine Funktion der Stellung des Kolbens 60.
Der Fluß von Drucköl in den und aus dem Zylinder 61 wird durch ein Steuerventil 63 bestimmt, dessen Schieber 64 ebenfalls am Hebel 59 angelenkt ist. Das Steuerventil 63 wird mit Drucköl aus einer geeigneten Quelle (nicht gezeigt) gespeist. Wenn das rechte Ende des Hebels 59 nach unten gedrückt wird, so schwenkt der Hebel zunächst im Uhrzeigersinn um den Anlenkungspunkt am Schaft des Kolbens 60, wodurch der Steuerventilschieber 64 so verschoben wird, daß Drucköl in den Zylinder 61 einfließt. Dadurch wird der Kolben 60 angehoben und das Steuerventil 63 nachgeführt. Der Hebel 59 schwenkt daher gewissermaßen um den Schieber 64 des Steuerventils, wobei der Steueröldruck durch Schwenkung im Uhrzeigersinn erhöht und durch Schwenkung gegen den Uhrzeigersinn erniedrigt wird.
Das Anheben und Absenken des rechten Endes des Hebels 59 kann mittels einer Nockenscheibe 65 erfolgen, die durch ein Zahnrad 66 bei Aufwärts-oder Abwärtsbewegung einer Zahnstange 67 gedreht wird. Die Zahnstange 67 ist mit einem in einem Zylinder 69 gleitenden Kolben 68 verbunden. Der Fluß von Drucköl in den oder aus dem Zylinder 69 wird durch das mit einer Druckölquelle (nicht gezeigt) verbundene Steuerventil 28 für den Drehzahlregler 24 bestimmt.
Der Drehzahlregler 24 liefert zusammen mit dem Brennstoffregler 57 ein Steueröldrucksignal in Abhängigkeit von Drehzahländerungen des Nutzlastturbinenläufers 6. Der Drehzahlregler 24 hat wie der Drehzahlregler 14 und der Turbinendüsenregler 50 eine abfallende Charakteristik. Der durch die Rückführspule 32 fließende, der von der Nockenscheibe 65 eingenommenen Stellung proportionale Strom ist zugleich auch der Differenz zwischen der am Verstellwiderstand 26 eingestellten Solldrehzahl der Nutzlastturbine und deren vom Tachometergenerator 25 wahrgenommenen Istdrehzahl proportional. Der einer vollen Umdrehung der Nockenscheibe 65 entsprechende Betrag dieser Drehzahlabweichung zwischen Leerlauf und Vollast kann mit Hilfe des Verstellwiderstands 31 eingestellt werden.
Die Nockenscheibe 65 dient dazu, das rechte Ende des Hebels 59 anzuheben oder abzusenken, um den Steueröldruck in der Leitung 47 einzustellen, wobei durch Drehung der Nockenscheibe gegen den Uhrzeigersinn das rechte Ende des Hebels 59 abgesenkt und der Steueröldruck erhöht wird. Es wird daher die Brennstoffzufuhr entsprechend der von der Nockenscheibe 65 eingenommenen Stellung in Abhängigkeit von der Drehzahlabweichung der Nutzlastturbine geregelt, vorausgesetzt, daß der Hebel 59 nicht durch anderweitige übersteuerungsbewegungen beeinflußt wird.
Es treten gewisse Unterschiede in der Wirkungsweise auf, je nachdem, ob die Turbine unabhängig arbeitet oder eine Last antreibt, die mechanisch oder elektrisch mit anderen turbinengetriebenen Verbrauchern gekoppelt ist. Im ersteren Fall fällt die Drehzahl der Turbine bei Zuschalten der Last ab. Im letzteren Fall ist, da die Drehzahl der Turbine durch die anderen Turbinen konstant gehalten wird, der Drehzahlabfall der Turbine bei einsetzender Belastung ein Maß dafür, welchen Anteil die Turbine im Verhältnis zu den anderen Turbinen an der Gesamtbelastung trägt. Das heißt, die Bewegung des Hebels 26 a in F i g.1 dient dazu, die Solldrehzahl einzustellen, wenn die Turbine unabhängig arbeitet, oder die Sollast einzustellen, wenn die Turbine als Teil eines Verbundsystems arbeitet. Die obenerwähnte Drehzahlabweichung entspricht daher einem bestimmten Belastungszustand der Nutzlastturbine, wenn die Turbine als Teil eines Verbundsystems arbeitet.
Die Drehung des Hebels 59 im Uhrzeigersinn (Erhöhung des Steueröldrucks) wird durch den Abgastemperatur -Grenzregler 58 begrenzt. Dieser hat einen in einem Zylinder 71 geführten Kolben 70 mit einem Anschlag 72 an seinem Schaft, der in angehobener Stellung die Abwärtsbewegung des rechten Endes des Hebels 59 verhindert. Der Fluß von Drucköl in den und aus dem Zylinder 71 aus einer Druckölquelle (nicht gezeigt) wird durch ein Steuerventil 73 bestimmt. Dessen Schieber 74 ist an einem schwimmend gelagerten Hebel 75 angelenkt, der am Schaft des Kolbens 70 angelenkt ist. Die Eingangsbewegung des Hebels 75 wird durch eine daran befestigte Stange 76 in Abhängigkeit vom Druck einer Druckdose 77 bewirkt, die durch eine Leitung 78 mit einem in der Abgasleitung 11 angeordneten Temperaturfühler 79 verbunden ist. Als Temperaturfühler kann man ein geeignetes Gefäß od. dgl. verwenden, das mit Argon, Stickstoff oder einem anderen geeigneten Gas gefüllt ist, das, wenn es sich infolge von Temperaturerhöhungen ausdehnt, die Stange 76 nach unten drückt. Dadurch wird Druckflüssigkeit durch das Steuerventil 73 in das untere Ende des Zylinders 71 eingelassen und der Anschlag 72 nach oben gedrückt, so daß durch Begrenzung der Drehung des Hebels 59 im Uhrzeigersinn ein Anstieg des Steueröldrucks verhindert und folglich die Brennstoffzufuhr an die Turbine gedrosselt wird.
Die Nockenscheibe 65 nimmt trotzdem weiterhin ihre verschiedenen Stellungen entsprechend der Drehzahlabweichung der Nutzlastturbine ein, obwohl diese Stellungsänderungen der Nockenscheibe keinen Einfluß mehr auf den Steueröldruck haben.
Erfindungsgemäß sind das Zahnrad 66 und die hiermit gekoppelte Nockenscheibe 65 außerdem auch mit dem Verstellwiderstand 16 für die Sollwerteinstellung der Verdichterantriebsturbinendrehzahl gekoppelt. Das heißt, die durch den Drehzahlregler 24 wahrgenommenen Drehzahlabweichungen der Nutzlastturbine wirken sich unmittelbar in einer entsprechenden Nachstellung des Drehzahlreglers 14 für die Verdichterantriebsturbine aus, und zwar ohne Rücksicht darauf, ob die Anlage mit Abgastemperaturbegrenzung arbeitet oder nicht.
Der Verstellwiderstand 16 liefert zwangläufig eine bestimmte Sollwerteinstellung der Verdichterantriebsturbinendrehzahl für jede von der Nockenscheibe 65 eingenommene Stellung, die zugleich auch einem bestimmten durch die betreffende Nockenscheibenstellung erzeugten Steueröldruck entspricht, solange der Brennstoffregler 57 nicht durch den Abgastemperatur-Grenzregler 58 begrenzt ist.
Die obenerwähnte Entsprechung zwischen der Einstellung des Verstellwiderstands 16 und dem Steueröldruck in der Leitung 47, die bei nicht temperaturbegrenztem Regler gegeben ist, läßt sich graphisch in der in F i g. 2 gezeigten Weise darstellen, wobei die Abszisse die prozentuale Drehzahlabweichung der Nutzlastdruckturbine darstellt, während die Ordinate ebenfalls prozentuale Werte angibt. Die Regeleinrichtung kann so eingestellt werden, daß der Steueröldruck (Brennstoffmenge) in einem bestimmten Maß bis auf sein Maximum bei einer Drehzahlabweichung von 80 % ansteigt und dann bei einer Brennstoffmenge von 100 % konstant bleibt, wie durch die Kurve 80 im Diagramm angedeutet. Die Neigung der Kurve 80 kann mit Hilfe des Verstellwiderstands 31 eingestellt werden.
Die Kurve 81 gibt den proportionalen Anstieg der Sollwerteinstellung der Verdichterantriebsturbinendrehzahl in Abhängigkeit von der Drehzahlabweichung der Nutzlastturbine an. Die Neigung und der Anfangspunkt der Kurve können durch Verstellen der Verstellwiderstände 21 und 16 verändert werden.
F i g. 2 veranschaulicht lediglich eine bestimmte vorgewählte Abhängigkeit zwischen der Verdichterantriebsturbinendrehzahl und dem Steueröldruck, wobei viele andere Abhängigkeiten je nach dem gewünschten Anwendungszweck möglich sind. Die Beziehung zwischen der (die Brennstoffzufuhr darstellenden) Kurve 80 und der (die Luftzufuhr darstellenden) Kurve 81 kann so gewählt werden, daß sich optimale Betriebsbedingungen ergeben, wenn die Brennstoffzufuhr n;cht durch die Abgastemperatur begrenzt wird. F i g. 2 ist allgemein anwendbar während des Anfahrens der Turbinenanlage und vor dem Anschalten der Last.
Für den Betrieb nach Anschalten der Last und wenn der maximale Wirkungsgrad erstrebt wird, zeigt F i g. 3 den allgemeinen Betriebszustand der Turbinenanlage an. Hier ist die Kurve 81, die die Stellung des Verstellwiderstands für die Verdichterantriebsturbine darstellt, die gleiche wie in F i g. 2. Die zweite Kurve 82 stellt den Steueröldruck oder die Brennstoffzufuhr dar. Der Anfangsteil 82 a der Kurve 82 entspricht genau dem Anfangsteil der Kurve 80 in F i g. 2. Im gestrichelten Teil 82 b der Kurve 82 wird dagegen der Steueröldruck nicht mehr durch die Nockenscheibendrehung bestimmt. Statt dessen folgt der Steueröldruck einem Kurvenverlauf, der durch die Abgastemperatur bestimmt wird. Da diese bei größeren Belastungen durch anderweitige variablen Größen der Anlage beeinflußt wird, hat die Kurve hier keinen geraden Verlauf mehr.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung wird am besten aus F i g. 4 ersichtlich, die ein Blockschaltbild darstellt, in dem die Hauptbestandteile der Turbinenanlage und der Regeleinrichtung mit den gleichen Bezugsnummern wie in F i g. 1 bezeichnet sind. Man sieht, daß der Betrieb der Gasturbine hauptsächlich durch die Einstellung des Turbinendüsenreglers 50 und des Brennstoffreglers 57 gesteuert wird.
Der Drehzahlregler 24 erhält als Eingangsgrößen die Istdrehzahl und die Solldrehzahl der Nutzlastturbine. Die Solldrehzahl (oder auch eine gewünschte Sollast) wird durch die bedienende Person mittels des Handhebels 26 a (F i g. 1) eingestellt. Der Drehzahlregler 24 liefert an seinem Ausgang ein der Stellung der Nockenscheibe 65 proportionales Drehzahlfehlersignal. Dieses bildet die eine Eingangsgröße des Brennstoffreglers 57, der als zweite Eingangsgröße die Turbinenabgastemperatur empfängt. Die Drehzahlabweichung regelt die Brennstoffzufuhr, außer wenn diese durch die Abgastemperatur in der zuvor beschriebenen Weise begrenzt ist. Die Stellgröße des Brennstoffreglers 57 ist ein veränderlicher Steueröldruck, der die Ventile 38, 39 entweder getrennt oder entsprechend einem vorbestimmten Schema für die gleichzeitige Verwendung zweier Brennstoffe steuert. Das vom Drehzahlregler 24 gelieferte Drehzahlfehlersignal stellt außerdem unmittelbar den Sollwert des Drehzahlreglers 14 nach, der mit der Istdrehzahl der Verdichterantriebsturbine unter Erzeugung eines der Stellung des Zahnrads 56 des Turbinendüsenreglers proportionalen Drehzahlfehlersignals verglichen wird. Dieses Drehzahlfehlersignal steuert über den Regler 50 die Turbinendüsenöffnung. Das Nutzlastturbinen- Drehzahlfehlersignal stellt also auch die Verdichterantriebsturbinen-Solldrehzahl und den Steueröldruck ein, jedoch nur dann, wenn die Anlage nicht temperaturbegrenzt wird.
Wenn keine Temperaturbegrenzung stattfindet (F i g. 2), wird die Sollwerteinstellung der Verdichterantriebsturbine unmittelbar durch das Fehlersignal des Drehzahlreglers 24 beeinflußt, das zugleich die Brennstoffzufuhr einstellt. Die Brennstoffzufuhr steigt daher mit der Luftzufuhr entsprechend einem vorbestimmten Schema an. Änderungen in der Drehzahl oder Belastung der Nutzlastturbine 6 haben eine unmittelbare Nachstellung der Brennstoff- und der Luftzufuhr zur Folge, ohne daß dabei die vorbekannten Regeleinrichtungen für Zweiwellen-Gasturbinen eigene Regelverzögerung auftritt.
Wenn die Nutzlastturbine 6 mit hoher Belastung arbeitet und ein guter Wirkungsgrad von ausschlaggebender Bedeutung ist, wird die Abgastemperatur in der in F i g. 3 gezeigten Weise begrenzt. In diesem Fall ist der Steueröldruck (Brennstoffzufuhr) begrenzt, wie durch den gestrichelten Teil 82 b der Kurve angedeutet. Da die Abgastemperatur begrenzt ist und da Schwankungen der Belastung sich unmittelbar in einem vom Drehzahlregler 24 erzeugten Nutzlastturbinen-Drehzahlfehlersignal äußern, wodurch wiederum der Sollwert des Drehzahlreglers 14 verändert wird, ist die Drehzahl der Verdichterantriebsturbine der Belastung proportional und ist folglich auch der Luftdurchsatz durch den Verdichter 2 der Belastung proportional (wenn man Änderungen der Außentemperatur vernachlässigt). Schwankungen der Belastung oder Frequenzänderungen im elektrischen System (falls die Last 12 ein an ein elektrisches Netz angeschlossener Generator ist) bewirken eine Nachstellung des Drehzahlreglers 14 für die Verdichterantriebsturbine und eine Erhöhung oder Erniedrigung des Luftdurchsatzes zwecks Anpassung an den neuen Leistungsbedarf.
Ein weiterer wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung besteht bei temperaturbegrenztem Betrieb darin, daß sie beim Umschalten von einem Brennstoff auf den anderen die Belastung konstant hält. Wenn z. B. die Brennstoffströmung durch die Ventile 38, 39 so bemessen ist, daß die Brennstoffe bei gleichem Steueröldruck keine gleichwertigen Heizwerte liefern, so bleibt die Belastung trotzdem beim Umschalten vom einen Brennstoff auf den anderen konstant, da die Abgastemperatur, die die Brennstoffzufuhr regelt, trotz einer vom Brennstoffregler 57 verlangten Verschiebung des Steueröldrucks konstant gehalten wird. Die Belastung wird während des Wechsels vom einen Brennstoff zum anderen durch die Änderung der Sollwerteinstellung des Drehzahlreglers 14 konstant gehalten. Der Abgastemperatur-Grenzregier hält durch Regeln der Brennstoffzufuhr die Temperatur konstant; die Verdichterantriebsdruckturbinendrehzahl ist konstant, da die Reglerausgangsgröße sich bei Generatorantrieb mit konstanter Frequenz nicht ändert. Es bedeuten daher eine feste Temperatur und eine feste Brennstoffzufuhr eine konstante Belastung. Der erfindungsgemäße Turbinenabgastemperatur-Grenzregler arbeitet ohne störende Trägheit, da Änderungen der Belastung sich unmittelbar in neuen Sollwerteinstellungen für die mechanisch unabhängige Welle der Verdichterantriebsturbine äußern. Trotzdem wird die Abgastemperatur etwa konstant gehalten, so daß man den höchstmöglichen Wirkungsgrad ohne überschreiten der zulässigen H'ö_chsttemperatur erhält. Die Regelung der Brennstoffzufuhr kann ohne nachteilige Auswirkungen zwischen temperaturbegrenztem und nichttemperaturbegrenztem Betrieb geschaltet werden.

Claims

Patentansprüche: 1. Brennstoffregeleinrichtung für eine Gasturbinenanlage mit einem im wesentlichen aus Luftverdichter, Brennkammer und Verdichterantriebsturbine bestehenden Gaserzeugerteil und mit einer mechanisch davon getrennten, nachgeschalteten Nutzlastturbine, deren Eintrittsleitvorrichtung von einem von der Verdichterdrehzahl beeinflußten ersten Drehzahlregler verstellbar ist, sowie mit einem von der Nutzlastturbinendrehzahl beeinflußten, die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer steuernden zweiten Drehzahlregler, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Drehzahlregler (24) zugleich den Sollwert am ersten Drehzahlregler (14) proportional zu der die Brennstoffzufuhr beeinflussenden Drehzahlabweichungsgröße verstellt. z. Brennstoffregeleinrichtung nach Anspruch 1 mit einem übersteuernden Abgastemperatur-Grenzregler, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgastemperatur-Grenzregler (58) allein die Verstellung des Brennstoffreglers (57) durch den zweiten Drehzahlregler (24) beeinflußt. 3. Brennstoffregeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Drehzahlregler (24) den Sollwert am ersten Drehzahlregler (14) unabhängig von Änderungen der Brennstoffzufuhr verstellt. 4. Brennstoffregeleinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgastemperatur-Grenzregler (58) in seiner begrenzenden Wirkung durch die Ausgangsgröße des zweiten Drehzahlreglers (24) beeinflußt wird. 5. Drehzahlregeleinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4 für eine Mehrbrennstoffturbine, bei der nach Wahl entweder einer oder sämtliche von mehreren unterschiedlichen Brennstoffen der Brennkammer zuführbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß während der Vornahme eines Brennstoffwechsels der Abgastemperatur-Grenzregler (58) die Abgastemperatur konstant hält und der zweite Drehzahlregler (24) durch Beeinflussung des ersten Drehzahlreglers (14) die Verdichterdrehzahl steuert. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 1039 312; USA: Patentschrift Nr. 2 625 789; BBC-Mitteilungen, Januar/Februar 1960, S: 45.