DE1919122A1 - Regelsystem fuer Dampfturbinen - Google Patents

Description

B.EOLZEB

89 AUGSBURG

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w. 436

Augsburg, den 13. April 1969

Westinghouse Electric Corporation, 3 Gateway Center, Pittsburgh, Pennsylvania, Vereinigte Staaten von Amerika

Regelsystem für Dampfturbinen

Die Erfindung betrifft Regelsysteme für Dampfturbinen. Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Betriebsüberwachung von Dampfturbinen.

Im Betrieb der verschiedenen Arten von Dampfturbinen müssen normalerweise bestimmte Grenzen für die Änderung des Dampfdurchsatzes und/oder der Eingangsenthalpie zum Zwecke einer Änderung der Drehzahl, der Belastung oder anderer veränderlicher Gv'äBen eingehalten werden, damit das thermische und mechanische Ansppe©hv©rhalfc©n dar Turbine berücksichtigt wird. Das Turbinenist weitgehend für den, Arbeitsdampfdruck und die Arbeits-

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temperatur konstrukiert; die Rotorauslegung kann die Zentrifugalbelastungen bei der Maximaldrehzahl und dem Nenndrehmoment aufnehmen, wobei weitere Konstruktionsgrößen entsprechend berücksichtigt sind, einschließlich der Biegesteifigkeit und der kritischen Drehzahlen. Das Turbinengehäuse und der Rotor müssen jedoch auch im Übergangsverhalten und bei periodischen Änderungen der Dampfzustandsgrößen beständig sein, wenn dadurch eine Änderung der Turbinendrehzahl und/oder der Turbinenbelastung erfolgt. Der Rotor muß auch im Übergangsbereich die Zentrifugalkräfte aufnehmen können, beispielsweise bei einem Kaltstart und ähnlichen Betriebszuständen. Leistungs- oder dynamische Grenzen für den Turbinenbetrieb erfordern eingehende Berücksichtigung der thermischen Expansions- und Kontraktionsbelastung aufgrund von Zustandsänderungen des Zudampfes und außerdem eingehende Berücksichtigung der Zentrifugälbelastung bei Drehzahl änderungen.

Unter dem Dampfzustand sind die Dampfteraperatur, der Dampfdruck und andere Zustandsgrößen einschließlich des Dampfdurchsatzes zu verstehen.

Die thermischen Belastungsgrenzen sind besonders wichtige weil eine zeitliche Änderung des Betriebszustandes der Turbine bei den meisten Anwendungen der TurbineÄ@olmik nahezu imra©!³ oder mindestens aehr häufig Temperafc^Pgradienten b@dingt_fl di© zu einer Ausdehnung bzw. Kontraktion der Metallteile d©r Turbia©

unter Überschreitung der Elastizitätsgrenze führen. Dadurch bildet sich in dem Turbinen-werkstoff und insbesondere in dem Rotorwerkstoff eine zeitliche Entwicklung der Vorgänge und damit bei fortgesetztem Turbinenbetrieb eine "plastische Formänderungsspannung" aus. Innerhalb der die .Mindestanforderungen der Benutzer erfüllenden Turbinen-Arbeitskennlinien ergeben die thermodynamisehen Eigenschaften des Dampfes, die Turbinengröße und die thermischen und metallischen Eigenschaften des Turbinenwerkstoffes zusammen beim Turbinenbetrieb unvermeidliche Pormänderungsspannungen der Turbinenwerkstoffe.

Diese Formänderungsspannungen insbesondere aufgrund periodischer Temperaturänderungen müssen bei der Regelung des Turbinenbetriebes überwacht werden, da dadurch Ermüdungsschäden und möglicherweise Ermüdungsbrüche bedingt sind, welche die Lebensdauer der Turbine bestimmen. Ermüdungsschäden haufen sich besonders an solchen Stellen, die der stärksten und häufigsten Änderung der Dampftemperatur ausgesetzt sind. Solche mögliche Ermüdungsschaden des Turbinenwerkstoffes an den bewußten Stellen stellen normalerweise die stärkste Begrenzung für die dynamischen Kennlinien im Turbinenbetrieb dar»

Bei großen Generator-Dampfturbinen bedingen beispielsweise Änderungen der Dampftemperatur innerhalb der Isnpulskammer

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Temperaturgradienten in dem Rotor, die ihrerseits periodische Formänderungsspannungen im Rotor erzeugen, insbesondere auf oder in der Nähe der Rotoroberfläche im Bereich der. Düsenkammer, vorzugsweise am Fuß der Rotorschaufeln, an Labyrinthdichtungen oder anderen Nuten im Bereich der Düsenkammer, welche Formänderung sspannungen jeweils durch die Konzentrierung der thermischen Spannungen infolge der Form der betreffenden Nutanordnungen bedingt sind. Bei großen Turbinen von Kraftwerken wurden ■ Ermüdungsrisse aufgrund von Formanderungsspannungen im Rotor in großer Zahl nach einer Betriebszeit von sieben Jahren oder mehr beobachtet. Die Risse gingen meist bis zu einer Tiefe von etwa 6 mm, wobei vereinzelt Risse eine Tiefe von 125 mm erreichten.

Normalerweise bilden sich bei großen Dampfturbinen erst dann Risse im Rotor aus, wenn die Betriebsdauer unter periodischen Belastungsverhältnissen fünf oder mehr Jahre beträgt. Besonders Rotoren mit 1 800 Umdrehungen pro Minute bilden infolge ihres größeren Durchmessers und der dadurch bedingten größeren Temperaturgradienten und höheren thermischen Spannungen zahlreichere und tiefere Risse. Gehäuse-Ermüdungsschäden können bei großen Generator-Dampfturbinen auftreten, doch haben diese Turbinen heutzutage mehrere Dampfkammern und jeweils einzelne gesonderte Ventilkammern, so daß Gehäuserisse normalerweise

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durch das Bedienungspersonal nicht entdeckt werden. Rotor-Ermüdungsschaden stellen einen immer wichtiger werdenden Paktor des Turbinenbetriebes dar, da die allgemeine Entwicklung zu größeren Turbinengrößen fortschreitet.

Vorübergehende Zentrifugalbelastungen sind in solchen Rotorbereichen, wo im Dauerbetrieb die höchste Zentrifugalbelastung auftritt, beispielsweise im Mitteldruckteil großer Dampfturbinen, von besonders großer Bedeutung. In diesem Fall führt die Zentrifugalbelastung im Dauerbetrieb möglicherweise zu Kriechrissen, welche von Rissen aufgrund der Formänderungsspannung unterschieden werden müssen. Normalerweise bestehen entsprechende dynamische Beschränkungen zur Begrenzung dieser vorübergehenden Zentrifugalbelastungen, insbesondere wenn man gleichzeitig die thermische Belastung aufgrund von Rotor-Temperaturänderungen mitberücksichtigt. Beim Anlauf großer Dampfturbinen aus dem kalten Zustand kann beispielsweise die Gesamtspannung in der Bohrung des Hochdruckteils oder des Mitteldruckteils übermäßig groß werden, wenn nicht eine betriebsmäßige Begrenzung erfolgt. Diese Belastung kann in manchem Falle während des Turbinenanlaufs so groß werden, daß ein Sprödigkeitsbruch auftritt und der Rotor zersprengt wird.

Bei herkömmlichen Turbinenanlagen wird normalerweise der Übergangs- oder dynamische Betrieb im Hinblick auf die Betriebs-

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sicherheit und die Verlängerung der Lebensdauer durch eine entsprechende Regelung oder mit Hilfe einer Programmsteuerung eingeschränkt. In beiden Fällen müssen die Beziehungen zwischen verschiedenen Dampfdurchsatzänderungen und/oder Enthalpieänderungen sowie der Anteil und die Art der Schädigung aufgrund einer entsprechenden thermischen und/oder mechanischen Betriebsspannung vorbekannt sein. Die Betriebszustan.de werden überwacht und durch die Überwachungsperson oder durch eine feste Programmsteuerung zueinander in Beziehung gesetzt, damit das dynamische Betriebsverhalten im allgemeinen unter Berücksichtigung dieser bestimmten Beziehung begrenzt wird.

Thermische und Spannungsuntersuchungen sind in Verbindung mit bestimmten Turbinenkonstruktionen zur Ermittelung der Beziehungen zwischen der Dampfzustands-Ä'nderungsgeschwindigkeit und der TurbinenSchädigung durchgeführt worden. Eine derartige Untersuchung "Prevention of Cyclic Thermal-Stress Cracking in Steam Turbine Rotors" von W.R. Berry und I. Johnsson in "Journal of Engineering for Power, Transactions ASME", Juli 1964, gibt insoweit genaue Werte, als die thermische Spannungsuntersuchung und die darauf beruhende Rotor-Ermüdungsschädigungen / berücksichtigt sind. Eine weitere Arbeit "Electrohydraulic Control for Improved Availability and Operation of Large Steam Turbines", von M. Birnbaum und E.G. Noyes, "ASME-IEEE National

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Power Conference in Albany", New York, September 19-2J5, I965, erläutert ein digitales Bezugssystem zur Begrenzung der Turbinendrehzahl- und -Belastungsänderungsgeschwindigkeiten durch eine entsprechende feste Programmsteuerung.

Andere bekannte Maßnahmen sind in der Arbeit "Automatic Electronic Control of Steam Turbines According to a Fixed Programme", veröffentlicht in den "Brown-Boveri-Mitteilungen", Bd. 51* Nr. 3* März 1964·, erläutert. Zusätzlich zu einer festen Programmsteuerung erfordert die dort beschriebene Turbinenregelung eine Messung der Gehäusetemperatur und einen Rückkoppleungskreis hinsichtlich der dynamischen Belastung und/oder Drehzahländerung, damit nicht zulässige Gehäusespannungen überschritten werden.

Ein Nachteil der bekannten Regelungen für den dynamischen Turbinenbetrieb und vielleicht der größte Nachteil hinsichtlich der Erfordernisse des Rotorschutzes sowie der Wirtschaftlichkeit und des Wirkungsgrades im Turbinenbetrieb unter Regelungsbedingungen liegt im Fehlen einer genauen Kenntnis der tatsächlichen thermischen Rotorbelastung und der tatsächlichen Formänderungsspannung im Rotor sowie der Anhäufung der Ermüdungsschaden, auf welcher Grundlage Beschränkungen für den dynamischen

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Turbinenbetrieb im Hinblick auf die Verminderung von Turbinenschäden einschließlich der Anhäufung von Ermüdungsschäden vorgegeben werden könnten. Die bekannten Betriebsregelungen beruhen darauf, daß nur näherungsweise dynamische Kenngrößen vorhanden sind, die den üblichen und unbeschränkten Betrieb unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen betreffen. Die Turbinenlebensdauer, der Wirkungsgrad und die Wirtschaftlichkeit des Turbinenbetriebs werden durch die Einschränkungen der bekannten Anlagen zwecks dynamischer Überwachung und Regelung nachteilig beeinflußt, insbesondere im Hinblick auf große Generatorturbinen sowie auf Turbinen im allgemeinen. Bei elektrischen Kraftwerken hat die dynamische Einschränkung des Turbinenbetriebs zu einer nur begrenzten Ausnutzung des Kraftwerks bei Anpassung an sich ändernde Belastungsverhältnisse geführt.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, die Regelung und Überwachung des Betriebes von Dampfturbinen im Sinne einer Verlängerung der Lebensdauer bei veränderlichen Belastungspegeln durchzuführen, wobei eine fortlaufende Aufzeichnung der Rotorspannung erfolgt.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch folgende Merkmalskombination gelöst: Vorhandensein einer Meßeinrichtung für die Dampftemperatur innerhalb eines Wärmeübergangsbereichs

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an einem ausgewählten Rotorteil, Vorhandensein einer Meßeinrichtung für die Wärmespannung mindestens eines Rotorabschnitts jeweils in Abhängigkeit von der Dampftemperatur in dem genannten Bereich, Vorhandensein einer Stelleinrichtung für die Dampfzustandsgrößen in dem genannten Bereich und Vorhandensein einer 2engsrnitnahmeeinrichtung für die Stelleinrichtung zur Begrenzung der Änderungsgröße der Dampftemperatur innerhalb des genannten Bereiches jeweils in Abhängigkeit von dem thermischen Zustand des betreffenden Rotorabschnittes.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Generator-

Dampfturbine mit einem Dampferzeugungssystem und mit verschiedenen Fühl- und Steuereinrichtungen nach dem Grundgedanken der Erfindung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Regelung

mit einem Digitalrechner für die Anordnung nach FIg₀ 1,

Pig_e 5 in vergrößertem Maßstab einen

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J·

Längsschnitt durch den Hochdruckteil der Dampfturbine nach Pig. I mit ver s chie denen KiJhI e inr i chtungen _s

die Pig. Kk und
Pig. 4b

in nochmals vergrößertem Meßstab Ausschnitte aus Pig. J5 zur Erläuterung der Rotorteile, an welchen sich Pormänderungsspannungs-Ermüdungsrisse ausbilden können,

Fig. 5

ein Schaubild der Beziehung zwischen dem Zudampfdruck und der Zudampftemperatur sowie der Dampftemperatur in der Düsenkammer einer solchen Dampfturbine,

Fig. 6

Temperatur-Übergangskurven für verschiedene Bereiche einer großen Dampfturbine, die auf Synchrondrehzahl gebracht und unter Dauerbelastung betrieben wird,

Pig, 7

ein Diagramm einer
der

einer Generator

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Pig. 8 ein Schaubild für die Wirksamkeit

periodischer thermischer Formänderungsspannungen entsprechend einem periodischen Betrieb gemäß Fig. 7 für einen Turbinenrotor, der mit J56OO Umdrehungen pro Minute betrieben wird und dessen geometrische Formgebung auf hohe thermische Belastungen im Betrieb abgestellt ist,

Fig. 9 ein Diagramm für den Regelvorgang

mittels des Rechners nach Fig. 2,

Fig. 10 das Diagramm nach Fig. 9 in größeren

Einzelheiten und

Fig. 11 ein Schaubild zur Erläuterung der

geregelten Begrenzung der Dampfenthalpie- und/oder -Durchsatzänderungen und damit der Dampftemperatur in der Düsenkammer in Abhängigkeit von der Rotorspannung.

Flg. 1 zeigt eine große Eingehäusedampfturbine 10

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mit Zwischenüberhitzung, die in herkömmlicher Weise aufgebaut und nach dem Grundgedanken der Erfindung betrieben und geregelt wird. Die Dampfturbine gehört zu einem elektrischen Kraftwerk 12/ das mit fossilen Brennstoffen betrieben wird. Andere Arten von Dampfturbinen, beispielsweise Entnahmeturbinen, Kernreaktorturbinen, Gegendruckturbinen, können ebenfalls nach dem Grundgedanken der Erfindung geregelt werden.

Die Turbine 10 besitzt eine Triebwelle 14, die einen herkömmlichen großen Wechselstromgenerator 16 antreibt, der Dreiphasen-Wechselstrom liefert und dessen Leistung mit einem ^: Leistungsmesser 18 gemessen wird. Im allgemeinen ist der Generator 16 über einen oder mehrere nicht dargestellte Trennschalter in Phase an ein Leitungsnetz angeschlossen. In diesem Schaltzustand arbeitet der Turbogenerator bei Synchrondrehzahl im. stationären Zustand. Bei Belastungsänderungen kann im Übergangsbereich die Netzfrequenz beeinflußt werden, wodurch sich entsprechende Drehzahländerungen des Turbogenerators ergeben würden. Im Synchronzustand wird die Leistungsabgabe des Generators 16 in das Netz normalerweise durch den Dampfdurchsatz der Turbine bestimmt, wobei der Zudampf in die Turbine 10 mit im wesentlichen konstantem Druck eingespeist wird.

Die Turbine 10 ist mehrstufig mit axialem Durchfluß ausge-

bildet und umfaßt einen Hochdruckteil 20, einen Mitteldruckteil 22 und einen Niederdruckteil 24. Jeder Turbinenteil enthält eine Vielzahl von Stufen mit Leitschaufeln und Rotorschaufeln. Für andere Anwendungszwecke kann eine im Sinne der Erfindung geregelte Turbine auch einen anderen Aufbau mit mehr oder weniger Teilen haben, die auf eine Welle oder auf mehreren Wellen arbeiten.

Der Dampf konstanten Druckes zum Antrieb der Turbine 10 wird in einem Dampferzeuger 26 erzeugt, der als Trommelkessel ausgebildet ist, welcher mit fossilen Brennstoffen, beispielsweise mit Kohlenstaub oder Erdgas beheizt wird. In Verallgemeinerung kann die Erfindung auch auf Dampfturbinen Anwendung finden, die mit anderen Dampferzeugern verbunden sind, beispielsweise mit Kernreaktoren oder anderen Heizsystemen.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Turbine als Doppelendturbine ausgebildet. Der Dampfeinlaß in die Turbine erfolgt über eine Vielzahl von Steuerventilen 25. Im allgemeinen erfordern Turbinen mit doppelendigen Dampfkammern und anderen Dampfkammem sowie Turbinen mit einendigen Dampfkammern eine unterschiedliche Anzahl und/oder Anordnung der Einlaßventile.

Der bevorzugte tolaivorgang für die Turbine umfaßt erstens

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das Hochfahren der Turbinendrehzahl von der Drehzahl der Rotordreheinrichtung von etwa 2 Umdrehungen pro Minute auf etwa 80 % der Synchrondrehzahl mit Hilfe der Ventilsteuerung und zweitens den Übergang auf die Steuerventilsteuerung und die Anhebung der Turbinendrehzahl auf den Synchronwert mit gleichzeitigem Schließen der Trennschalter für das Netz und mit Einstellung der Anlage auf den Belastungsbedarf. Beim Stillsetzen sind entsprechende Schaltvorgänge in umgekehrter Folge erforderlich. Auch andere Übergangstechniken können angewandt werden, doch ist es unwahrscheinlich, daß der Übergang bei einem Belastungspunkt oberhalb 40 % der Nennlast erfolgt, wenn man den Wirkungsgrad berücksichtigt.

Nachdem der Dampf von der ersten Stufe der Leitbeschaufelung zur letzten Stufe der Rotorbeschaufelung im Hochdruckteil hindurchgelangt ist, erreicht er einen Zwischenüberhitzer 28^ der mit dem Dampferzeuger 26 gekoppelt ist. Der Zwischenüberhitzer 28 besteht normalerweise aus zwei parallelgeschalteten Überhitzerteilen, die mit dem Dampferzeuger im Wärmeaustausch stehen, wie dies durch die gestrichelte Linie 29 angedeutet ist und die mit jeweils einander gegenüberliegenden Seiten des Turbinengehäuses verbunden sind«

Mit entsprechend gesteigertem Enthalpiewerfe strömt "

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überhitzte Dampf aus dem Überhitzer 28 durch den Mitteldruckteil und den Niederdruckteil 24. Aus dem letzteren gelangt der entspannte Dampf in einen Kondensator 32, aus dem das Kondensat in nicht dargestellter Weise in den Dampferzeuger 26 zurückgespeist, wird. Zur Steuerung des überhitzten Dampfes sind Überhitzerventile 33 vorgesehen, die ein oder mehrere, normalerweise offene Rückschlagventile und ein oder mehrere Abfangventile umfassen, die bei Überlastung der Turbine im Sinne einer Verzweigung des überhitzten Dampfstromes arbeiten.

Bei einem Dampferzeuger, der mit fossilem Brennstoff beheizt wird, erfolgt die Regelung so,- daß der Frischdampfdruck im wesentlichen konstant gehalten wird. Ein Frischdampfdrucknachweisgerät 38 herkömmlicher Bauart mißt den Frischdampfdruck und gibt damit die Möglichkeit einer konstanten Frischdampfdruckhaltung. Auf Wunsch kann ein programmgesteuerter Rechner als Schutzsystem vorgesehen sein, der den Regelvorgang von Drosselregelung anstelle von Belastungsregelung umstellt, wenn der Frischdampfdruck die Grenzen eines Sicherheitsbereiches bzw. Schutzbereiches überschreitet. Ein Aktionsdrucknachweisgerät 40 gibt Signale zur Verwendung im Programmrechner zur Regelung der Turbinenbelastung und damit letzten Endes der abgegebenen elektrischen Leistung.

Für die Drossel- und Stellventile 25 sind jdeweils hydraulisch

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A.

betätigte Ventilsteuerelemente 42 vorgesehen. Ebenfalls hydraulisch betätigte Schaltglieder 44 gehören zu den Überhitzerventilen 33· Eine von einem Rechner gesteuerte und überwachte Druckmittelquelle 46 liefert ein Steuerdruckmittel zur Betätigung der Schaltglieder für die Ventile 25 und JJ. Ein nicht dargestelltes, ebenfalls von einem Rechner überwachtes Schmiermittelsystem ist gesondert für den Schmierkreislauf der Turbinenanlage vorgesehen.

Die jeweiligen Schaltglieder 42 und 44 sind handelsüblich aufgebaut und werden durch entsprechende Regelungen 48 und 50 auf stabile Stellungen betätigt. Diese Regelungen enthalten jeweils einen nicht dargestellten, herkömmlichen Analogregelkreis mit Stellungsfehler-Rückkoppelung, der jeweils in bekannter Weise ein ebenfalls nicht dargestelltes Servoventil steuert. Die Regelung für die ÜberhitzerabfangventilStellungen erfolgt normalerweise nur, wenn eine Änderung des überhitzten Dampfdurchsatzes notwendig ist. Die Betätigung des Abschaltventil erfordert keine Rückkoppelung der Stellungsregelung und erfolgt infolgedessen von Hand oder mittels eines Rechners, der auf eine herkömmliche Auslösefunktion oder eine andere geeignete Abschalt funk ti on ausgerichtet ist.

Da die Turbinenleistung im Rahmen des angenommenen Regelverhaltens mit im wesentlichen konstantem Frischdampfdruck pro-

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portional zum Dampfdurchsatz ist, wird die Ventilstellung im Sinne einer Regelung des Dampfdurchsatzes als Zwischenvariable geregelt, während die Turbinendrehzahl und/oder -Belastung die geregelten Größen darstellen. Die Schaltgliedbetätigung ergibt die Einstellung der Dampfventile. Die. jeweiligen Nachweisgeräte für die Ventilstellungen PDIV und PDRV liefern die erforderlichen Stellungs-Rückkoppelungssignale zur Ableitung von Stellungs-PehlerSignalen, die einen jeweiligen Stellungsregelkreis 48 bzw. 50 anlegen. Die Stellungsnachweisgeräte sind in herkömmlicher Form ausgebildet, beispielsweise benutzen sie einen linear veränderlichen Differentialtransformator, der ein Gegenkoppelungssignal abgibt, das zur Bildung des Stellungs-Fehlersignals algebraisch mit den jeweiligen Stellungs-Sollsignalen Sp summiert wird.

Die Kombination der Stellungssteuerung, der hydraulischen Einstellung, des Fehlerstellungs-Nachweisgerätes und anderer, nicht dargestellt ex» Zusatzeinrichtungen bildet eine hydraulisch-elektrisch® Analog-Regelschleife für die Ventilstellung eines jeden Dampf·= Drossel= bzi-j« Sfceuer-Einlaßventiles. Die

Sollwerte SP v-mraon von einem Rechner festgelegt und periodisch In die jeweiligen Regelkreise eingegebene Sollwerte SP werden dem filz⁰ die Afefangventilregelungen bestimmt,

Ein Dralisahlmeuser 52 bestimmt die WelLendrehzalil für die

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Drehzahlregelung zur Bestimmung der Zentrifugal spannungen und der Spannungsverhältnisse, für die Regelung der Frequenzbeeinflussung und vorzugsweise für die Berechnung des Oberflächen-Wärmeübergangs in Verbindung mit der Regelung der thermischen Rotorspannung. Der Drehzahlmesser 52 ist beispielsweise als nicht dargestellter magentischer Abnehmer ausgebildet, der mit einer Nockenscheibe auf der Turbinenwelle 14 gekoppelt ist. Die Fühleinrichtung umfaßt ferner einen Temperaturmesser 54 für den Dampf in der Dampfkammer und Gehäusetemperaturmesser 56, die zur Berechnung der Belastung und der thermischen Spannung benutzt werden, wie dies noch im folgenden erläutert werden wird. Analoge und/oder Impulssignale von Seiten des Drehzahlmessers 52, des Leistungsmessers l8, der Drucknachweisgeräte 38 und 40* der Teraperaturmesser 54 und 56* der Ventil Stellungsfühler PDIV und PDRV sowie weiterer, im einzelnen nicht dargestellten Fühler und ebenfalls nicht dargestellter Zustamdskontakte werden alle in einen Digitalregler 60 (Fig* 2) eingegeben* der eine Regelung des Turbinen-Dauerbetriebszustandes und des Übergangssustandes auf Realzeitbasis und außerdem eine überwachung» Folge steuerung _s. Warnsignale, Alarmsignale ₉ Anzeige= und Äufzeichnimgsfimktionen liefert«,

Der programmgesteuerte Digitalregler» 60 erlaubt einen-Betrieb der Turbine 10 mit verbesserten dynamischen Kennlinien und kann herkömmliche Bauelemente in Forsi eines zentralen Rechenwerkes 62 und zugehörigen Eingäb©=Äusgabe-Austauscheln~

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richtungen enthalten die beispielsweise von der Firma Westinghouse Electric Corporation, Pittsburgh, unter dem Handelsnamen "Prodac 50" (P 50) geliefert werden. In anderen Fällen, wenn beispielsweise die Turbine 10 ebenso wie andere Anlageteile wie der Dampferzeuger 26 unter der Steuerung des Rechners stehen, kann ein größerer Rechner benutzt werden, beispielsweise der Rechner "Prodac 250" oder es können gesonderte Rechner P 50 für die Jeweils geregelten Anlageteile eingesetzt werden. In diesem letzteren Falle wird die Wechselwirkung zwischen den Regelungen durch Verbindung der einzelnen Rechner miteinander über Informationskanäle und/oder andere Elemente erreicht.

Normalerweise benutzt der Rechner P 250 einen Magnetkernspeicher für 16 000 Wörter mit jeweils Vo Zifferstellen sowie der Vorzeichenstelle mit einer Zugriffszeit von 900 Nanosekunden, ferner einen äußeren Magnetspeicher für 12 000 oder mehr Wörter mit je 16 Zifferstellen sowie der Vorzeichenziffer mit einer Zugriffszeit von 1,1 Mikrosekunden und schließlich einen Scheibenspeicher für 375 000 Wörter oder mehr mit willkürlichem Zugriff. Der P 50-Rechner verwendet einen inneren Magnetkernspeicher für 12 000 Wörter (1-4 Zifferstellen) mit einer Zugriffszeit von 4,5 Mikrosekunden.

Die Austauscheinrichtung für das Rechenwerk 62 umfaßt

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einen Eingabeteil 64 mit KontaktSchluß, der die Kontakte oder andere Signale darstellende Größen der verschiedenen Anlageteile abfragt. Solche Kontakte 56 sind normalerweise als Quecksilberschalterausgebildet, die von Erregungskreisen betätigt werden und zum Abfühlen der vorgegebenen Zustandsgrößen für die verschiedenen Teile der Anlage dienen. Die Kontaktinformation über den Zustand wird in einer logischen Verknüpfungstechnik oder nach anderen Programmplänen zur Regelung, für eine Schutz- und Warnfunktion, zur automatischen Überwachung, zur Aufzeichnung und zur Abfrage der Aufzeichnung und zur Punktion einer rechnerbetätigten Hand-Überwachungsregelung 68 benutzt.

Der Eingabeteil 64 mit schließenden Kontakten erhält auch ein digitales Belastungs-Bezugssignal 70. Das Belastungs-Bezugssignal 70 kann von Hand eingegeben werden oder automatisch durch einen Betriebsrechner zugeführt werden. Für die Belastungsregelung liegt das Lastbezugssignal 70 den Sollwert des Lastpegels in Megawatt fest und der Digitalregler 60 fährt die Turbine 10 im Sinne einer Abgabe der gewünschten Last.

Eine Eingabe-Austausohstufe ist durch ein herkömmliches Analög-Eingabegerät 72 verwirklicht, das Analogsignale aus der Anlage 12 mit-einer vorgegebenen Tastfrequenz abfragt, beispielsweise in 15 Punkten pro Sekunde für jeden Analogkanal, und das

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diese Signale in Digitalwerte zur Eingabe in den Rechner umwandelt. Die Analogsignale werden in dem Leistungsmesser l8, dem Betriebsdrucknachweisgerät 40, den Ventilstellungs-Naehweisgeräten PDIV und PDRV, den Temperaturmessern 5^f- und 56 und in verschiedenen Analogfühlern lK erzeugt, beispielsweise in dem Frischdampfdrucknachweisgerät 38, das im einzelnen in Fig. 2 nicht dargestellt ist, in verschiedenen Dampf-Durchsatzmessern, in Dampf-Temperaturmessern, in verschiedenen anderen Einrichtungen die als Temperaturfühler arbeiten, in einem Druckmesser für einen Wasserstoff-Kühlgenerator, in Temperaturmessern und dergl. Ein herkömmlicher Impulseingabeteil 76 liefert die Fühlersignale, welche in dem Drehzahlmesser 52 erzeugt werden, zwecks Eingabe in den Rechner. Die entsprechenden Rechnerkreise für die Analog- und Impulseingabesignale werden zur Steuerung der Programmausführung, der Schutz- und Alarmeinrichtung, der programmierten und abgefragten Aufzeichnung und dergl. benutzt.

Informations-Eingabe- und -Ausgabegeräte ermöglichen eine Eingabe und Ausgabe kodierter und umkodierter Informationen für den Rechner. Diese Geräte umfassen ein herkömmliches Bandlese- und Druckgerät 78, das verschiedenen Zwecken einschließlich der Eingabe des Programms in den Kernspeicher des Rechners dient. Ein handelsüblicher Fernschreiber 80 ist

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ebenfalls vorhanden, und dient beispielsweise zum Ausschreiben der Aufzeichnungswerte in einem Aufzeichnungsträger 82. Alphanumerische und/oder andere Arten von Anzeigegeräten 81, 8j5.» 85 dienen zur jeweiligen Übermittelung der Informationen über die jeweilige Rotorspannung, die Rotor-Gesamtermüdung sowie andere Informationswerte.

Eine bekannte Unterbrechereinheit 84 ist mit entsprechenden Schaltstufen zur Steuerung der Übergabe der Eingabe- und Ausgabeinformation mit niedriger Taktfrequenz zwischen dem Rechenwerk und den Eingabe-Ausgabe-Einrichtungen ausgestattet. Dabei liegt an dem Rechenwerk 62 ein Unterbrechersignal an, wenn eine Eingabeinformation zum Eintritt bereit ist oder wenn eine Ausgangsübertragung abgeschlossen ist. Normalerweise spricht das Rechenwerk 62 auf Unterbrechungen entsprechend einem herkömmlichen Folgeprogramm an. In manchen Fällen werden besondere Unterbrecherbe fehle angenommen und verarbeitet, ohne daß hier die Ausführung eine Prioritätsbegrenzung vorsieht.

Die Koppelung der Ausgabe erfolgt für das Rechenwerk mittels einer herkömmlichen Ausgabe-Kontakteinrichtung, die in Verbindung mit einem Analogausgabeteil 88 und einem Ventilstellungs-Steuerteil 90 arbeitet. Eine Handsteuerung 92 ist mit dem Ventilstellungs-Steuerteil gekoppelt und arbeitet damit

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zusammen, damit während des Stillstands des Rechners und während anderer ausgewählter Zeitabschnitte eine Turbinensteuerung von Hand möglich ist.

Bestimmte Ausgangskanäle des Digitalrechners dienen unmittelbar zur Durchführung bestimmter Programmschritte und von kontaktgesteuerten Regelvorgängen für das Hochdruck-Ventilströmungsmittel- und -Schmiersystem 87, für Alarmstufen 94, wie Summer und Anzeigegeräte, und für bestimmte Hilfseinrichtungen 96, wie .z.B. das Wasserstoffkühlsystem für den Generator. Ausgangsinformationen des Digitalrechners beaufschlagen in ,ähnlicher Weise unmittelbar den Banddrucker und den .Fernschreiber 8θ und die Anzeigegeräte 8l, 8j und 85.

Andere Ausgangssignale des Digitalrechners werden zunächst mittels des Analogausgabeteiles 80 und des Ventilstellungs-Steuerteiles 90 in Analogsignale umgewandelt. Dieselben liegen dann an Hilfseinrichtungen 96 und an dem Druckmittel- und Schmiersystem 87 und den VentilSteuerstufen 48 und 50 zur Ausführung bestimmter Regelvorgänge an. Die Jeweiligen Signale für die Stellungsregeikreise 48 und 50 sind Sollsignale SP für die Ventilsteilungen, die bereits oben erläutert worden sind.

Die Temperaturmessung dient zur Bestimmung' der plastischen

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If

Formänderungsspannung des Turbinenwerkstoffes, was anhand der Fig. 5 in Einzelheiten für die wichtigsten Teile des Turbinenauf baus im Hochdruckteil 20 mit der bevorzugten Anordnung der Temperaturfühler erläutert ist. Der Hochdruckteil 20 umfaßt ein zylindrisches Gehäuse 100 in dem ein Rotor 102 drehbar gelagert ist. Die Gehäusespannung an bestimmten Gehäusestellen wird mit Thermoelementen 104 und 106 zur Messung der Temperatur ah der Innen- und Außenwand bestimmt, die zu dem Gehäuse-Temperaturmesser 56 gehören.

Ein entsprechender Dampftemperaturfühler (der nicht im einzelnen gezeigt ist, jedoch zu den Analogfühlern 79 gehört)' kann auch in dem Mitteldruckteil 22 vorhanden sein, ebenso wie in der Dampfeinlaßleitung, befindet sich jedoch vorzugsweise in der nicht dargestellten Düsenkammer IP. Die Dampftemperatur in der Kammer dient als Grundlage zur Berechnung der thermischen Spannung der Rotorwelle im Mitteldruckteil 22.

Der Dampf strömt in die Turbine 10 über eine Vielzahl von am Umfang verteilten Einlassen 108 mit jeweils zugehörigen Düsengruppen 105 ein. Er wird dann innerhalb einer Geschwindig- keitsstufe, die zwei Reihen von Rotor-Reaktionsschaufeln 107 und 109 sowie eine Statorschaufelreihe 111 aufweist, in.eine Düsenkammer 110 geleitet. Wie durch Strömungspfeile angedeutet ist, kehrt sich dann die Strömungsrichtung des Dampfes um und

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derselbe gelangt durch Reaktionsschaufeln 112 in die nachfolgenden Stufen des Hochdruckteiles. Ein Thermoelement 114 sitzt an dem Gehäuse 100 und dient zur Messung der Temperatur des Dampfes in der Düsenkammer. Ein Blindzapfen 116 trägt federgespannte Dichtungsringe 115 sowie Dichtungsstreifen 113A (Fig. 4A), die eine Abdichtung gegenüber unzulässigen axialen Dampfausströmungen durch den Spalt zwischen der Rotorwelle und dem umgebenden Statorteil bewirken.

In den Fig. 4A und 4B zeigen die nochmals vergrößerten Ausschnitte 115 und 117 aus Fig. 3 Umfangs-Labyrinthdichtungsnuten 118 und 120 sowie Umfangs-Rotorschaufelschlitze 122. Ferner sind Ermüdungsrisse 124, 126 und 128 eingezeichnet, die sich aufgrund langdauernder, periodischer Formänderungsspannungen am Grund der Nuten 118, 120 sowie der Schlitze 122 ausbilden und auf Temperaturänderungen in der Düsenkammer zurückgehen. In anderen Fällen können die Schaufelschlitze auch in axialer Richtung statt in Umfangsrichtung verlaufen. In jedem Fall weisen die Rotornuten und-schlitze sowie ähnliche Formelemente des Rotors innerhalb oder in der Nähe der Rotoroberfläche einen Effekt im Sinne einer Konzentrierung der Spannungen auf, d.h. an diesen Stellen ist eine größere thermische Spannung mit einer verstärkten Ausbildung von Ermüdungsrissen infolge von

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IC

Pormäaderungsspannungen anzutreffen.

Im allgemeinen bilden sich Ermüdungsrisse in der Nutrichtung aus, da die Spannungskonzentration hauptsächlich in Querrichtung der jeweiligen Nut wirksam ist.

Bevor die Arbeitsweise des programmgesteuerten Rechners betrachtet wird, ist eine genauere Untersuchung der thermischen Rotorspannung und eine Analyse der Formänderungsspannung sowie der Zusammenhänge mit der Turbinenkennlinie zweckmäßig. Die thermische Spannung in der Rotoroberfläche und insbesondere in den Rotornuten und -schlitzen ist deshalb bedeutend, weil an solchen Stellen des Rotors Temperaturgradienten infolge von Änderungen der Dampftemperatur ein Maximum der thermischen Rotorspannungen und der Formänderungsspannungen bewirken. Die thermisehen Spannungen innerhalb von Durchführungen sind in erster Linie während eines Kaltstarts oder eines ähnlichen Betriebszustandes groß, in welchen Fällen die kombinierte Wirkung der zentrifugalen und thermischen Übergangsbelastungen der Bohrung übermäßig groß werden kann, wenn nicht Beschränkungen hinsichtlich des Betriebsverhaltens der Turbinen gemacht werden.

Die thermischen Oberflächenspannungen und Formänderungsspannungen des Rotors sind in der Nähe des Düsenkammerteils am größten, da dort infolge der stärksten Änderungen der Dampf-

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temperatur diese Spannungen am größten sind. Zur Bestimmung der Rotoroberflächenspannung muß man die Oberflächentemperatur in der Nähe der Düsenkammer bestimmen. Die Oberflächentemperatur des Rotors wird gemäß der nachfolgenden Beschreibung aus der Dampftemperatur Τ,, in der Düsenkammer und der Wärmeübergangszahl in der Rotoroberfläche abgeleitet. Da der Wärmeübergang zwischen dem durchströmenden Dampf und der sich drehenden Rotoroberfläche bei hohen Turbinendrehzahlen sehr groß ist, ist die Rotoroberflächentemperatur T_a im wesentlichen gleich der Dampftemperatur T_T in der Düsenkammer, mit Ausnahme während des Anlauf- und Abschaltbetriebes mit vergleichsweise geringem Dampfdurchsatz und Dampfdruck sowie einer geringen Drehzahl. Die Dampftemperatur T_T in der Düsenkammer kann ihrerseits in weitem Maße mit Änderungen des Dampfdurchsatzes schwanken, auch wenn die Eingangsenthalpie konstant gehalten wird.

Innerhalb des Mitteldruckteils 22 der Turbine 10 ist infolge der verringerten Dampfdichte und des verringerten Dampfdruckes

der Wärmeübergang in die Rotoroberfläche geringer als im Hochdruekteil 20. Pur Berechnungen der thermischen Bohrungsspannung geht die Bestimmung der Rotoroberflächentemperatur im Eingangsabschnitt des Mitteldruckteiles 22 von der gemessenen Dampftemperatur IP in Der Einlaßkammer und der unterschiedlichen und

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geringeren Wärmedurchgangszahl in der Rotoroberfläche aus. Die Mitteldruck-Wärmedurchgangszahl ist ähnlich wie im Hochdruckteil eine vorgegebene Puntkion der Turbinendrehzahl. Zusätzlich wird die Mitteldruck-Wärmedurchgangszahl außerdem vorzugsweise als Punktion des Mitteldruck-Dampfdurchsatzes und möglicherweise der Mitteldruck-Dampfdichte bzw. des Mitteldruck-Dampfdruckes bestimmt, nämlich mit (Κ™ )_Ιρ = ^f(^w _SJ ^SP* ^ρτρ^ worin WS die Ist-Turbinendrehzahl, SP der Mitteldruck-Dampfdurchsatz und der Mitteldruck-Dampfdruck sind. Entsprechende Durchsatz- und Druckmesser, die im einzelnen.nicht dargestellt sind, werden innerhalb des Schaltblockes 79 verwendet, damit man zur Berechnung von K_T„ die Werte für den Mitteldruck-Durchsätz und -Druck erhält.

Für den Normalfall ist die Beziehung zwischen der Dampftemperatur T_T in der Impulskammer und den Zustandsgrößen des Zudampfes in Fig. 5 für eine große Dampfturbine gezeigt, die für einen Frischdampfdruck von I69 kg/cm und eine Frischdampftemperatur von 538⁰ C ausgelegt ist. Sobald die Eingangsenthalpie aus dem Eingangsdruck und der Eingangstemperatur bestimmt ist, wird die Dampftemperatur T₃. der Düsenkammer aus dem Schnittpunkt der Werte für die Enthalpie und den Dampfdurchsatz abgelesen»

Die ftotoroberfläehenspanhüng kann gemäß der oben genannten

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Arbeit von Berry und Johnsson bestimmt werden. Hauptsächlich sind die Übergangsabschnitte der Anheiz- und Abkühlkurven sowie die linearen Übergänge der Anheiz- und Abkühlkurven bei Änderung der Temperatur des durchströmenden Dampfes von Bedeutung, da diese normalerweise allein berücksichtigt werden müssen und eine Überlagerung dieser Grundkurven zur Ableitung des einzelnen Übergangsverhaltens erfolgen kann. Außerdem ist die thermische Oberflächenspannung zu der Differenz zwischen der RotorOberflächentemperatur Tg und der Rotorgesamttemperatur T proportional. Wie noch im folgenden im einzelnen erläutert werden wird, erfordert die Regelung mit dem Rechner die Bestimmung der Rotoroberflächenspannung E„, die proportional zur Differenz zwischen T_g und T ist.

Bei einer stufenförmigen Aufheiz- bzw. Abkühl-Übergangskurve ergibt sich normalerweise die größte Rotoroberflächenspannung die zur Größe der Änderung der Durchflußtemperatur proportional ist, nahzu am Anfangszeitpunkt. Die Oberflächenspannung fällt dann von den Spitzenwerten am Anfangszeitpunkt ab, bis die Innentemperaturen des Rotors sich der Rotoroberflächentemperatur mit einer Zeltkonstanten annähern, die von den Abmessungen und der Formgebung des insgesamt zylindrischen Rotors und den thermischen Eigenschaften desselben abhängt. Bei einem linearen Aufhiez- bzw. Abkühl-Ubergang ist die thermische Oberflächen-

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spannung zu Anfang verschwindend klein und nimmt mit Vergrößerung der Differenz zwischen T„ und T zu, da die Snderungsgesehwindigkeit der Innentemperatur der Änderungsgeschwindigkeit der Oberflächentemperatur nachhinkt. Da der lineare Übergangsvorgang andauert, wird schließlich ein Zustand erreicht, wo sich die Umgebungstemperatur und die Innentemperatur mit gleicher Geschwindigkeit ändern. Dieses stellt einen quasistationären Zustand mit konstanter Differenz zwischen T₀ und T und konstanter

Rotoroberflächenspannung dar, welch letztere von der Änderungsgeschwindigkeit der Umgebungstemperatur abhängt.

In einem vielfach auftretenden Fall der Belastungsänderung von Turbogeneratoren endigt der lineare Übergang bei dem Endwert der stationären Dampftemperatur, sobald die gewünschte Belastungsänderung vollzogen ist. Normalerweise endigt der Übergang, bevor der quasistationäre Zustand sich ausgebildet hat. Infolgedessen ist die Differenz zwischen T_g und T normalerweise im Endpunkt eines linearen Übergangs am größten und legt die maximale thermische Oberflächenspannung für den Übergang fest. Die Maximalspannung hängt sowohl von der Größe als auch von der Geschwindigkeit der Änderung der Dampftemperatur ab. Bei sehr großen Änderungsgeschwindigkeiten nähert man sich dem Grenzfall eines stufenförmigen Überganges.

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Zum besseren Verständnis des periodischen Verhaltens der thermischen Spannung und der thermischen Formänderungsspannung in der Rotoroberfläche ist in Fig. 6 ein Zeitdiagramm für die. Drossel-Dampftemperatur, für die Dampftemperatur Ty in der Düsenkammer, für die Rotoroberfläehentemperatur T_g, für die Rotorbohrungstemperatur T-g und die Rotorgesamttemperatur T aufgetragen, und zwar für den Anlauf- und Belastungsfall einer Generator-Dampfturbine mit einem größten Durchmesser von 575 mm und 5 600 Umdrehungen/Minute. Der Rotor hat zunächst eine Temperatur von 205 C, wobei am Anlaufzeitpunkt Frischdampf mit einer Temperatur von ²I-OO⁰C zur Verfügung steht. Nach Drosselung und Expansion erreicht die Dampftemperatur in der Düsenkammer einen "Wert von 275° C. Der Rotor erleidet während der Anlaufperiode einen stufenförmigen Aufheizübergang mit einer nachfolgenden linearen Aufheizung» Während der Anlaufperiode folgt die Rotoroberfläehentemperatur der Kurve I30 nur langsam, weil infolge der geringen Drehzahl und des geringen Druckes in der Düsenkammer die Wärmeübergangszahl klein ist* Die Rotorbohrungstemperatur steigt entsprechend der Kurve 132 ebenfalls nur langsam an» Der Verlauf der Gesamttemperatur T ist in der Kurve 13^ angegeben.

Unmittelbar vor Erreichen der Synchrondrehzahl fällt die Temperatur T₃. in der Impulskaraner ab, weil eine Umschaltung auf

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einen Teilstrom erfolgt, denn die Regelung geht nunmehr von den Drosselventilen auf die Steuerventile über. Wenn die Synchronregelung während der Anfangsbelastung durch ein Drossel-Nebenschlußventil erfolgt, fällt bei Umschaltung auf Teilstrom die Dampftemperatur später mit einem ausgeprägteren Einfluß auf die RotorOberflächentemperatur ab.

Nach der Synchronisierung kann die Frischdampftemperatur mit zunehmendem Dampfdurchsatz und zunehmender Belastung steil ansteigen, sobald ein 5-Prozentiger Belastungswert der Turbineerreicht ist. Die Rotoroberflächentemperatur T_g ist an diesem Zeitpunkt infolge der erhöhten Oberflächen-Wärmeübergangszahl wegen des größeren Dampfdurchsatzes und höheren Dampfdruckes und der höheren Rotordrehzahl der Düsenkammertemper atur Tj nahezu gleich. In diesem Fall bleiben 5 % Belastung so lange erhalten, bis der Anstieg der Frischdampftemperatur einen stationären Wert erreicht hat. Die Belastung wird dann mit etwa gleichförmiger Änderungsgeschwindigkeit aufgeschaltet, wie der Drosseldampf auf die Solltemperatur gebracht wird. Der Belastungsanstieg ergibt folglich einen linearen Aufheizübergang des Turbinenrotors» In diesem Fall erreicht das Ansprechen der Rotortemperatur den quasistationären Zustand während der Belastungsperiode.

Die hauptsächliche Wirkung der periodischen Formänderungs- ·

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spannung des Rotors bei Änderungen der Turbinendrehzahl und/oder -Belastung bzw. allgemeiner bei Änderungen des Dampfdurchsatzes und/oder der Enthalpie liegt in der sich anhäufenden Ermüdungsschädigung des Rotors. In Fig. 7 ist für eine große Dampfturbine eine typische tägliche BelastungsSchwankung der Dampftemperatur T₁ in der Düsenkammer, der Rotoroberflachentemperatur T₀ und der Rotorgesamttemperatur T aufgrund einer Belastungsänderung entsprechend dem Vollastbetrieb am Tag und dem Teillastbetrieb bei Nacht aufgezeichnet.

Aufgrund der periodischen Rotoroberflächentemperaturänderungen infolge der Aufheiz- und Abkühlübergänge in dem Turbinenrotor durchläuft der Werkstoff der Rotoroberfläche eine Spannungs-Dehnungs-Hyseresiskennlinie "jeweils in Abhängigkeit von seinen Eigenschaften, wobei als Rotorwerkstoff beispielsweise eine handelsübliche Cr-Mo-V-Stahllegierung Verwendung finden kann. Dabei treten während des Aufheizabschnittes 1^6 thermische Kompressionsspannungen innerhalb des Formänderungsbereiches auf. Innerhalb des Abschnittes 1^8 verbleiben thermische Restspannungen. Thermische Zugspannungen aufgrund der Formänderung ergeben sich während des AbkUhlabschnittes l40 und schließlich verbleiben wieder thermische Restspannungen während des Abschnittes 142. Die Breite der Spannungs-Dehnungs-Hysteresisschleife ergibt

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die Formänderungsspannung innerhalb einer solchen Periode. Bei kleinen Änderungsbeträgen des Dampfdurchsatzes und/oder der Dampfenthalpie wird die Elastizitätsgrenze des Werkstoffes nicht überschritten, so daß bei Änderung der Dampftemperatur die Formänderungs spannung in der Rotoroberfläche dann vermutlich nahezu verschwindet'.In den meisten Fällen ergibt jedoch die periodische Änderung der Turbinenbelastung eine Beeinflussung der Formänderungsspannung.

Andere periodische Verläufe der Rotoroberflächentemperatur bewirken jeweils ähnliche Hysteresisschleifen und entsprechende periodische Formänderungs spannungen in der Rot or ober fläche. Bei Turbo-Generatoren ist ein anderer typischer periodischer Temperaturverlauf ein im wesentlichen sinusförmiger Temperaturverlauf, der durch die Frequenzregelung bedingt ist«,

In Fig. 8 ist ein Ermüdungsdiagramm für einen flachen Änderungsverlauf der Rotortemperatur ähnlich wie in Fig. 7 dargestellt. Dieses Diagramm gibt die Anzahl der Formänderungs-' Perioden an, die unter wechselnden Belastungsverhältnissen zur Erzeugung von Rissen bei einem Rotor mit einer Drehzahl von 5 600 Umdrehungen pro Minute und einem Durchmesser von 575 mm erforderlich sind, wenn die Rotorform eine hohe thermische Wirksamkeit ergibt. Größere Rotordurchmesser ergeben eine größere thermische Trägheit und bedingen dadurch eine

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stärkere Dehnung der Zeitskala als in Fig. 8.

Der flachperiodische Änderungsverlauf der Oberflächentemperatur, der die Grundlage des Ermüdungsdiagrammes bildet, ist in idealisierter Form im Oberteil der Pig. 8 angegeben. Normalerweise erfolgt die lineare Aufheizung innerhalb einer Zeitperiode At von einem ersten stationären Zustand der Oberflächentemperatur aus, bis zu einem zweiten stationären Zustand der Oberflächentemperatur ein Gleichgewichtszustand auftritt, bei welchem am Beginn die Oberflächentemperatur um Δ Τ_σ höher liegt. Die lineare Abkühlung erstreckt sich über eine Zeitperiode Δ t, bis ein Gleichgewichtszustand bei dem ersten stationären Temperaturwert erreicht ist. Die Aufheiz- und Abkühlbeträge und -Geschwindigkeiten sind aus Gründen der. " Einfachheit einander gleich, wenn auch im Rahmen des Erfindungsgedankens diese Größen unterschiedlich sein können. Bei der Anwendung des Diagrammes nach Pig. 8 werden die Änderung ΔΤ_Ο der Oberflächentemperatur und die Aufheiz- und Abkühldauer At bestimmt, die Anzahl der erforderlichen Perioden N zur Erzeugung von Rotorrissen wird dann aus den Kurven 144 abgelesen. Entsprechend kann N aus Ortskurven 146 bestimmt werden, wenn die Änderungsgeschwindigkeit der Oberflächentemperatur und das jeweilige Temperaturinterväll Ut bekannt sind, - ' '

Me Ableitung des Diagrammes der Fig. 8 aus der Festigkeit

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3ί

und anderen Eigenschaften des Rotorwerkstoffes sowie aus periodischen Spannungsbestimmungen ist in der genannten Arbeit von Berry und Johnsson erläutert. Entsprechende Diagramme können für das periodische Ermüdungsverhalten aufgrund anderer Ermüdungsursachen aufgestellt werden, beispielsweise für andere periodische Temperaturverläufe, wie sinusförmige Verläufe.

Aus zahlreichen Diagrammen des Ermüdungsverhaltens wird die ErmüdungsSchädigung bestimmt, indem zunächst die Periodenart, also ebener Verlauf, sinusförmiger Verlauf usw. ermittelt und dann der Periodenwert N aus einem entsprechenden Ermüdungsdiagramm aufgrund der jeweiligen Werte der Rotortemperaturänderung« und der Änderungsgeschwindigkeiten sowie der Übergangsdauer für gleichartige Werte bestimmt wird. Sodann wird die Schädigungsgröße pro Periode l/N bestimmt. Die gesamte Ermüdungsschädigung ist der Summe der Werte für l/N während des Verlaufs der Turbinenbenutzungsdauer gleich. Wenn der Gesamtwert den Wert "l" erreicht, sind theoretisch schon Ermüdungsrisse in der Rotoroberfläche zu erwarten. Die Ermüdungsrisse können bereits bei vergleichsweise wenigen großen Perioden, bei einer großen Anzahl kleiner Perioden oder bei beliebigen Kombinationen unterschiedlicher Perioden auftreten.

Eine bekannte Technik erfordert die Bestimmung der ge-

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wünschten Turbinenlebensdauer gegenüber einer Ermüdung durch Formanderungsspannungen und die Festlegung einer festen Überwachungs- und Regelprogrammbeschränkung für den periodischen Turbinenbetrieb, damit die resultierende Gesamtrotor-Ermüdungsschädigung entsprechend der Berechnung aus dem Ermüdungsdiagramm und dem geplanten Periodenbetrieb mit der gewünschten Turbinen-Lebensdauer übereinstimmt. Wie bereits gesagt worden ist, konnte diese Verfahrensweise bislang nur angenähert angewandt werden, wobei sich Nachteile hinsichtlich Genauigkeit, Wirkungsgrad und Wirtschaftlichkeit des Turbinenbetriebs ergeben haben.

Bei dem nunmehr zu betrachtenden programmgesteuerten Rechner wird ein Regelprogramm zur Betätigung des Rechenwerks verwendet. Dasselbe umfaßt Regel- und Hilfsprogrammteile sowie bestimmte herkömmliche Wirtschaftlichkeitsprogramme für die innere Regelung der Funktion des Rechenwerks selbst. Im einzelnen sind folgende Stufen vorhanden:

1) Prioritäts-Ausführungsprogramm

Dasselbe steuert die Benutzung des Rechenwerks. Im allgemeinen erfolgt dies auf der Basis einer Prioritätsklassifizierung aller vorkommenden Regel- und Wirt-

00·Μ·/7ΐ·0

1913122 3«

,schaftlichkeitsprogramme sowie verschiedener Arten von Unterbrechungsbedingungen. Das Programm höchster Wertigkeit oder das Unterbrecherunterprogramm wird bestimmt und ausgelöst, wenn eine Änderung im Rahmen der ausgeführten Programmbefehlsfolge erfolgen soll. Einige Unterbrecherunterprogramme laufen außerhalb der Prioritätsbeziehung, worauf bereits hingewiesen worden ist, insbesondere, wenn die Sicherheit und/oder ein umfangreicher Schutz dies erforderlich machen.

2) Analog-Abfrage " ■

Es erfolgt eine periodische Durchführung zur Eingabe bestimmter Analogwerte, die durch den Analogeingabeteil 72 umgewandelt werden und in dem Analog-Eingangspufferspeicher des Speichers sind.

b 5) Kontaktzustands-Abfrage ■

W ■

Es erfolgt eine periodische Durchführung zur Eingabe bestimmter Eingangssignale, die durch einen Kontaktzustand dargestellt sind.

4) Eingabeprogramm für den Programmierer

Auf Anforderung ist es der Bedienungsperson möglich,

" ^⁸ ~ ORiGfNAL INSPEGTED

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Λ r

Q 1 O₁ A 9 ?

Information in den Rechnerspeicher einzugeben. 5) Fehlerunterprogramm

Dieses wird ausgeführt, wenn der Rechner einen Fehlerzustand einnimmt.

Die Regelprogramme und Hilfsprogramme umfassen folgende Möglichkeiten:

1). Informationsaufzeichnung

Die. Ausführung erfolgt entweder periodisch oder auf Anforderung und beinhaltet das Ausdrucken vorgegebener Daten und Parameter.

2) Alarm

Periodische Betriebsunterbrechung zur Betätigung der Alarmeinrichtung 9^ sowie zur Betätigung anderer Elemente und zur Überwachung und/oder Abschaltung einer Ventilstellung und anderer Regeiprogramme.

3) Anzeige

Periodische und beliebige Ausführung alphanumerischer

i ^: ORIGINAL !NSPFCTED

oder grafischer Sichtanzeigen bestimmter Parameterwerte und/oder Funktionsverläufe.

4} Hochdruckventil-Durchlaßprogramm Periodische Ausführung bei Regellingsüberwachung.

5) Schmierkreislaufprogramm

Periodische Ausführung zur Regelungsüberwachung.

6) Hilfseinrichtungen und Programmsysteme . .: . . .

Periodische Ausführung zur Regelungsüberwachung....

7) Dampfeinlaß-Ventilstellungs-Regelprogramm

Periodische Ausführung zu Überwachungszwecken. ι

8) Turbinen-Rotorbelastungs- und thermisches Formänderungsspannungs-Unterprogramm

dient als Teil des Dampfeinlaß-Ventilstellungs-Regelprogrammes zur Begrenzung der Änderungsgeschwindigkeit

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des Einlaß-Dampfstromes, damit man einen sicheren Turbinenbetrieb auf eine längere Zeitdauer und ein im allgemeinen besseres Betriebsverhalten erhält.

9) Aufheiz-Ventilstellungs-Regelprogramni

Durchführung nach und während Überdrehzahl-Alarmerfordernissen.

Die vorliegende Erfindung erfordert in erster Linie das einwandfreie Arbeiten des Turbinenrotorbelastungs- und Formänderungsspannungs-Unterprogrammes sowie weiterer Unterprogrammteile, deren Beschreibung im folgenden auf das Ventilstellungsühterprogramm und das darin eingeschlossene Rotorspannungs-Unterprogramm beschränkt ist. Fließdiagramme mit entsprechenden Algorithmen sind in den Fig. 9 und 10 angegeben, die den logischen Grundinhalt des Ventilstellungs-Unterprogramms und des Formänderungsspannungs-Unterprogrammes 156 darstellen. Diese Programme werden in das Rechenwerk 80 in der Maschinensprache von in noch mehr Einzelschritte aufgelösten Fließdiagrammen weg eingegeben, die ihrerseits von dem dargestellten Fließdiagramm abgeleitet sind.

Vor dem Anlauf wird die Turbine 10 von einem Drehmotor

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mit einer Drehzahl von etwa zwei Umdrehungen pro Minute angetrieben, um das AnI auf drehmoment zu verringern und die Welle in gerader Ausrichtung zu halten. Zum Anlauf der Turbine 10 wird beispielsweise durch Betätigung der Handsteuerung 68 ein Anlaufsignal in das Rechenwerk 62 eingegeben. Der Anlauf erfolgt durch einen Programmablauf, wenn die vorgegebenen, zulässigen logischen Verknüpfungen erfüllt sind, einschließlich der normalen Funktion des Dampferzeugers, der Einstellung des Frischdampfdruckes auf den gewünschten Wert, der öffnung der Leistungsabnehmerscheibe, der Einstellung der Turbinen-Dampfventile auf Anlaufstellung und der Sicherstellung der normalen Funktion des Hochdruck-Strömungssystems usw.

Nach der Freimeldung für den Anlauf wird das Dampfventilstellungs-Regelprogramm 145 periodisch durchgeführt, "beispielsweise mit einer Wiederholungsfrequenz von 1 Hz, damit zunächst eine Einstellung des Dampfventils im Sinne eines Hochlaufes der Turbine 10 auf Synchrondrehzahl erfolgt, wonach eine Regelung der Turbinenbelastung erfolgt.

Der Funktionsblock 147 stellt eine Rückkoppelungskorrektur d_Q der Turbinendrehzahl als Produkt der Verstärkung g und des Wertes Δ S dar, welch letzterer die Differenz zwischen einer Bezugsdrehzahl w_R und der Istdrehzahl w„ darstellt. In

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diesem Fall gibt die Bezugsdrehzahl w_R näherungsweise die Drehzahländerung innerhalb vorgegebener dynamischer Grenzen, die aus einer in dem Rechner gespeicherten Anlauf- oder Ab-.bremsanstiegskruve der Turbinendrehzahl in Abhängigkeit von der Zeit gebildet wird. Die Verstärkung g entspricht der gewünschten Geschwindigkeitsnachstellung des Systems. Die Geschwindigkeitsnachstellung g kann beispielsweise 3 % betragen, d.h. eine Überdrehzahl von 3 % bei voller Turbinenbelastung führt zu einem vollständigen Verschluß der Einlaß-Dampf ventile 25. Die numerische Form der Drehzahlkorrektur d_ ist somit in Prozent ausgedrückt. Dies ist bei einer Belastungsregelung vorteilhaft.

Unter Einstellung des Rechenwerks 40 für den Anlaufbzw. 'Abbremsbetrieb liefert der Funktionsblock 148 eine Weiterschaltung des Programms auf den Funktionsblock 150, der eine Ventileinstellungsgröße D_SM für eine maximale Drehzahländerung festlegt, die für das Regelsystem dynamisch gegeben ist, wobei die Formänderungsspannung von der Änderung der Einlaßdampfströmung bei Änderung der Turbinendrehzahlregelung abhängt. Durch Begrenzung der Änderungsgeschwindigkeit der Turbinendrehzahl wirkt die Begrenzung D_gM tatsächlich als

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Gegenkoppelung- mit Bezug auf die Drehzahlflanke w„, die eine Vorwärtseinspeisung: erförderlich macht, Jedoch nur mit angenäherter dynamischer Einschränkung.. .

Wenn die Turbine 10' bereits auf Synchrondrehzahl läuft, überträgt der Funktionsblock 148 die Programmausführung auf den Funktionsblock 152, wo die drehzahlbezogene Belastungsanforderung aus der Belastungsbezugsgröße Dy innerhalb des Blockes 70 bestimmt wird. Der Funktionsblock 154- liefert sodann einen Ventileinstellwert D_M für eine maximale Belastungsänderung, der der Regelung dynamisch im Sinne einer Einschränkung der Änderungsgeschwindigkeit zugeordnet ist, mit welcher der Dampfeinlaß bei Turbinen-Belastungsregelung geändert werden kann. Beim Anwenden einer Begrenzung der Änderungsgeschwindigkeit der Turbinenbelastung wirkt die Einschränkungsgröße D_M innerhalb der Belastungsregelschleife, die vorzugsweise mit Vorwärtsregelung arbeitet, tatsächlich als dynamische Gegenkoppelungsbeschränkung. Die Funktionsblöcke 150 und 154· enthalten jeweils einige gemeinsame Baustufen und bilden die Stufen für das Rotorbelastungs- und Spannungsbeschränkungs-Unterprogramm I56, das in weitere Einzelheiten in Fig. 10 dargestellt ist.

Beim Anlauf- und Abbremsregelbetrieb wird die Gesamteinstellung Dg der Dampfventileinstellung innerhalb einer

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geschlossenen Regelschleife bestimmt und einer vorgegebenen Punktion von d_a gleichgemacht oder unter vorgegebenen Belastungs- und thermischen Bedingungen durch D₀.. eingeschränkt. D-,., kann eine numerische Variable sein; in diesem Fall ist vorzugsweise entweder ein Flankenanstieg von w_R zulässig oder unzulässig, wenn die Einschränkung der Drehzahländerung erfüllt werden soll. Die DampfVentilverstellung erfolgt dann für einen festen Wert der Bezugsdrehzahl in Abhängigkeit von einem Drehzahlfehlersignal, bis die Einschränkungswirkung aufgehoben ist. Die Bestimmung von D_gM bedeutet eine Gleichmachung von D_g nach der vorgegebenen Funktion von d„ mit konstant gehaltenem W_n.

ο η

In ähnlicher Weise wird beim Fahren mit Belastungsregelung die Sollstellung D^, des Dampfventils innerhalb des Funktionsblockes 157 aus der Größe D_R bestimmt oder mit Hilfe der Größe Dj. unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Rotorbelastung oder eines vorgegebenen Spannungszustandes eingeschränkt, insbesondere wenn D_R größer als D_{M lflt# DieBestimmung von D} erfolgt vorzugsweise unter statischen Verhältnisssen in der Vorwärtsregelschleife. Es erfolgt dann eine Eichung mit D_pc aufgrund des Impulskammer-Fehlersignales innerhalb des Funktionsblockes 158. Normalerweise legt die statische Bestimmung innerhalb des Funktionsblockes 157 die Gesamtdampfventilstellung

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fest, die für den Sollwert D_T oder D., bei einer Beschränkung

Jj JXI

von D_T erforderlich ist. Der Punktionsblock.158 führt aufgrund

seiner Abgleichwirkung eine Korrektur jeder kleineren Abweichung und anderer Fehler aus.

Der Ventil-Sollstellungswert D₃ bzw. D„_c wird innerhalb des Punktionsblockes 16O nach einer vorgegebenen Verteilungsregel auf die Einlaßdampfventile 25 aufgeteilt.

Die jeweiligen digitalen Sollwerte für die Ventilstellungen werden dann in dem Punktionsblock 162 bestimmt, bevor der Programmablauf zum Ende kommt.

Wenn in den Funktionsblöcken I50 oder 15^ das Unter programm 156 für die dynamische Einschränkung der Bestimmung der Ventilsollwerte aufgrund maximaler Belastungsänderungen bzw. Drehzahländerungen ausgeführt wird, wird zunächst die thermische Oberflächenspannung E_g innerhalb des Funktionsblockes 164 (Fig. 10} nach der oben angegebenen Gleichung bestimmt. Vorzugsweise soll die thermische Spannung Eg eine thermische Zustandsgröße des Rotors sein, bei der eine überwachungs- oder Regelwirkung für die Turbinensteuerung ausgeführt werden muß, weil dies die Grundgröße ist, von der die ErmüdungsSchädigung abhängt. Je nach Wunsch können auch andere thermische Zustandsgrößen,

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wie die thermische .Zugspannung bestimmt und in dem Rechenwerk verarbeitet werden.

Die Rotoroberflächentemperatur T_g kann unter bestimmten Arbeitsbedingungen der in der Düsenkammer erfaßten Dampftemperatur Ty gleichgesetzt werden, wenn nämlich die Wärmeübergangszahl K-j-g in der Rotoroberfläche einen recht hohen Wert hat. Dieses ist für die meisten Belastungsperioden von Turbogeneratoren nach Fig. 7 und für die meisten anderen Betriebsperioden der Fall. '

Für Betriebsperioden, in welchen die Wärmeübergangszahl des Rotors zu klein ist, um eine Gleichsetzung von Τ_σ und T_x zu rechtfertigen, und während welcher eine hohe Genauigkeit im Anlauf- und Abschaltzustand der Turbine 10 erforderlich ist, bzw. während normaler Betriebsperioden unter anderen Arbeitsbedingungen, die eine Drehzahländerung erfordern, kann die Rotoroberflächentemperatur Τ_σ automatisch in Abhängigkeit von Veränderlichen wie der Düsenkammer-Dampftemperatur und der Wärmedurchgangszahl K™ für den durchströmenden Dampf gegenüber dem Rotor bestimmt werden. Vorzugsweise wird die Wärmedurchgangs zahl im Hochdruckteil als Funktion der Rotordrehzahl bestimmt, also (K_IS)_Hp = f(w_s). Die RotorOberflächentemperatur

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wird aus der Temperatur T₁ des Dampfstromes sowie aus dem oben genannten Wert K-_s in folgender Weise berechnet: Im Belastungs- " regelungs-Betriebszustand ist die Größe K-™ aus der Bestimmung ^: von f(Wc.) normalerweise im wesentlichen konstant und groß genug, um T₀ = T₁- zu setzen* Normalerweise hängt die Wärmedurchgangszahl der Oberfläche in erster Linie von der Turbinendrehzahl und dem Dampfdurchsatz, in zweiter Linie, von dem Dampfdruck und/oder der Dampfdichte sowie von anderen thermodynamisehen Zustandsgrößen ab. Aus dieser allgemeinen Beziehung können die Punktionen (K₁₃)_Hp und (K_IS)_{Ip abgeleitet werderu}

Der Punktionsblock 164 dient zur Bestimmung der mittleren Gesamttemperatur T des Rotors. Diese Berechnung beruht auf der üblichen Analyse von Übergängen des Wärmegradienten in Zylinderabschnitten, beispielsweise nach der Arbeit von G.M. Dusinbene "Numerical Analysis of Heat Plow", 1949, McGraw-Hill. Im allgemeinen wird der Rotor für die Berechnung in eine bestimmte Anzahl aneinander anschließender Ringabschnitte mit gleicher radialer Dehnung unterteilt, die von außen nach innen numeriert sind. Die jeweiligen Ringabsehnitte haben Wärmekapazitäten ^Cl ·■·" ^CN ^und J^eweil^s Austausch-Wärmeübergangszahlen Κ,ο* Κ,·* ··· K/ _ ,\(_η\· Gleichungen für die Bestimmung der Ringabschnitt-Wärmekapazitäten werden für den Wärmefluß zwischen dem Dampfstrom

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und dem betreffenden Oberflächenring durch die betreffende Oberflächenschicht mit der Wärraeübergangszahl K™ aufgestellt, sodann zwischen den ersten und zweiten und weiteren nach innen gelegenen Ringpaaren, jeweils mit den entsprechenden Wärmeübergangszahlen jeweils in Abhängigkeit von der Dampftemperatur und der Ringtemperatur im Zeitpunkt t_Q sowie von den Ringtemperaturen jeweils nach Ablauf eines ZeitIntervalls /\t oder im Zeitpunkt (t_Q + t). In einer jeden solchen Gleichung wird die Ringtemperatur im Zeitpunkt (t_Q + t) jeweils in Abhängigkeit von anderen Größen ausgedrückt. Der berechnete Wert T„ ist der in dem Funktionsblock 164 benutzte Wert. Die tatsächliche Rotorgesamttemperatur T wird aus den Ringtemperaturen nach folgender Beziehung berechnet:

C₁T₁ + ... + -C₁T
rji 1 1η η

mit C₁ - Oberflächenring-Wärmekapazität T₁ = Oberflächenring-Temperatur = T = f(K_T<3, T_T)

1 5 JLo JL

C_n = Wärmekapazität des η-ten Ringabschnitts T_n = Temperatur des η-ten Ringabschnittes.

Nach jeweiliger Bestimmung von T wird T_a von T abgezogen. Die Differenz wird mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten «6 sowie

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einem Einschnürungsfakt or /W multipliziert, der den Einfluß

des Nutgrundes berücksichtigt, wo die thermischen Spannungen

und Dehnungen konzentriert sind. Die so erhaltene Größe wird sodann durch den Wert (1 - V ) geteilt, worin V die Poisson'sche Zahl darstellt, wodurch man die Rotoroberflächenspannung E_g erhält. Wenn die Oberflächenzugspannung S₃ anstelle der thermischen Spannung E₃ berechnet werden soll, wird innerhalb des Punktionsblockes l64 eine abgewandelte Gleichung benutzt, die den Elastizitätsmodul E als weiteren Paktor für die Differenz (T - T-) benutzt. Außerdem wird ein Spannungseinschnürungsfaktor anstelle des Paktors/U benutzt.

Die erhaltene Oberflächenspannung E_g wird in einem Funktionsblock: 166 gespeichert. Die folgenden Spannungswerte E₃ aus jeweils nachfolgenden Programmausführungen werden jeweils abgelesen, um daraus die periodische Wirkung des Spannungsablaufs zu bestimmen. Vorzugsweise werden bei dem Ablesevorgang nur besonders kennzeichnende Spannungsperiaden erfaßt. Der Punktionsblock I68 berechnet die ErmüdungsSchädigung durch Pormänderungsspannungen des Rotors in Verbindung mit der jeweils erfaßten Periode. Die Berechnung der Schädigung erfolgt durch Bestimmung der obengenannten Größe N aufgrund des Ermüdungsdiagrammes, sobald die Art der Spannungsperiode und die Kenngrößen derselben festliegen.

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Der Funktionsblock 17*0 arbeitet als Ermüdungsschädigungs-Beme s sung s syst era, da er nacheinander die erhaltenen Schädigungswerte addiert und dadurch für den jeweiligen Momentanwert der ErmüdungsSchädigung jeweils eine Größe liefert. Die Anzeigeteile 8l und 83 zeigen jeweils nach entsprechenden Programmbefehlen oder nach einer Abfrage durch die Bedienungsperson die jeweilige Rotoroberflächenspannung E„ sowie die Oberflächenermüdungsschädigung an. Normalerweise hängt die Schädigungs-Summierungsberechnung aufgrund der tatsächlichen ErmüdungsSchädigung von den Parametern für die Bestimmung der Spannungsperioden ab, d.h. von der Art der jeweils benutzten Einordnung bei der Bestimmung der zu einer Schädigung führenden Perioden sowie der nicht berücksichtigten Belastungsperiode, beispielsweise kann bei sehr grober Abtastung die erfaßte Anzahl der Schwankungen der Turbogeneratoren so gering wie 1 pro Tag sein. Bei solchen und ähnlichen Anwendungen wurden die Punktionsblöcke 168 und unwirksam sein.

Auf Wunsch kann für die Summierung der Ermüdungsschädigung in dem Punktionsblock I70 eine geschlossene, nicht dargestellte Spannungsregerschleife für die Grundregelung bei Langzeitüberwachung zur Anwendung kommen. Beispielsweise kann die Spannung -

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ει

grenze Ear für ^den Funktionsblock: l84 im zeitliehen Verlauf in Abhängigkeit von der berechneten GesamtSchädigung abgewandelt werden.

Der Temperaturmesser 54 für den Dampf in der Düsenkammer und die Anordnung; für die Bestimmung der Rotoroberfläehen~ spannung E_g sowie gegebenenfalls zur Aufzeichnung und Ansammlung der ErmüdungsSchädigung können jeweils gesondert in Form von Schalttafelinstrumenten angeordnet sein, die für die Überwachung des Turbinenbetriebes brauchbar sind, wenn eine dynamische Spannungsregelung in einer geschlossenen Schleife nicht erwünscht ist. In einem solchen Fall werden der Ausgang des Dampftemperaturfnessers für die Düsenkammer und der Ausgang des Drehzahlmessers an eine entsprechende Rechenstufe gekoppelt, die das. Programm des Funktionsblockes 164 und gegebenenfalls auch die Programme der Funktionsblöcke 166, 168 und 170 verarbeiten kann. Dieser Schalttafelrechner kann ein Spezial-Analogrechner, ein Digital-Analogrechner oder ein Digital-Rechner sein. Eine solche Anordnung ist besonders für bereits aufgebaute Turbinenanlagen brauchbar, wo die verbesserte Überwachung durch eine Zurkenntnisbringung des Rotorspannungszustandes sowie der E müdungsSchädigung zur Bedienungsperson verwirklicht werden soll. Ähnliche Anzeigeinstrumente können zur Bestimmung der

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thermischen Spannung und/oder der Verformungszustände im Mitteldruckteil großer Turbinenanlagen sowie bei anderen Turbinen verwendet werden. Im vorliegenden Fall erhält man die Regelschleife für die dynamischen Oberflächenspannungsverhältnisse durch Ausführung des Programmes 1^5 und des Unterprogrammes 156. Damit wird innerhalb des Funktionsblockes 172 nach Bestimmung der Istspannung E₃ eine Spannungsgrenze E_SL für die Rotoroberfläche bestimmt,. Dies kann, was der Einfachheit halber angenommen sei, ein fester, aufgrund der Konstruktionswerte und der Lebensdauerbestimmung angenommener Wert sein. Im Normalfall kann jedoch die Spannungsgrenze Egj. durch eine Funktion bestimmt sein, deren Wert aus einer Wertetabelle entnommen werden kann, in welcher jeder Tabellenwert jeweils einer Anzahl von Zustandsgrößen entspricht. Im Falle einer veränderlichen Spannungsgrenze kann für verschiedene Betriebsbedingungen die Ermüdungsschädigung automatisch abgestuft werden, wenn sich abschätzen läßt, daß die Gesamtverstärkung aus einer schnelleren Turbineneinstellung gegenüber den Kosten einer vermehrten Ermüdungsschädigung bedeutungsvoll ist.

In den Funktionsblöcken 174 und 176 werden für den Hochdruckteil 20 und den Mitteldruckteil 22 die thermische Belastung der Wellenbohrung und die Zentrifugalbelastung bestimmt. In Jedem Fall wird die thermische Spannung in der Bohrung aus dem Rotortemperaturgradienten während des Ubergangsabschnittes

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bestimmt und aus der gemessenen Dampftemperatur sowie anderen Kennwerten in einer Weise berechnet, die der Berechnung in dem Punktionsbiock l64 ähnlich ist. Die Zentrifugalkraft wird aus der Turbinendrehzahl bestimmt, die durch den Drehzahlmesser 52 angegeben wird. Der Block I78 liefert eine kombinierte Belastungsgrenze als festen Wert oder, wie in dem Block I72, eine Anzahl jeweils aufeinander bezogener Werte, die der zulässigen Belastung für die verschiedenen Betriebszustände entsprechen.

In ähnlicher Weise wird in dem Funktionsblock 180 die Wandungsspannung in dem Hochdruckgehäuse aufgrund der Temperaturmessungen der Gehäusetemperaturmesser 56 bestimmt. Eine feste oder andere Spannungsgrenze wird in dem Funktionsblock ermittelt.

Da Änderungen der Gesamttemperatur T, in der Düsenkammer die Hauptursache von Rotortemperaturgradienten sind und da dieselben ihrerseits Rotorspannungen und -Verformungen bewirken, wird in einem Funktionsblock 184 jeweils in Abhängigkeit von der in dem Funktionsblock 164 bestimmten Oberflächenspannung E₃ die zulässige maximale Änderungsgeschwindigkeit von T-- ermittelt. Zur Begrenzung der Änderungsgeschwindigkeit von T^ wird schließlich die Enthalpieänderung des Zudampfes und/oder die Änderung des Dampfdurchsatzes begrenzt. In diesem Fall

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OHiGlNALlNSPEGTEO

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wird,die zulässige maximale Änderungsgeschwindigkeit (dT-j-/dt)_M als Punktion des jeweiligen Verhältnisses der Oberflächenspannung E_g zu der Grenzspannung E_ßL aus dem Funktionsblock 172 bestimmt.

Wenn üblicherweise der Turbinenhersteller aufgrund seiner Erfahrung Höchstwerte der zulässigen Änderungsgeschwindigkeiten von Tj entsprechend den maximalen Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten festgelegt oder empfohlen hat, ist normalerweise eine maximale Abkühlung zulässig, wenn die Rotoroberfläche durch den vorhergehenden Aufheizübergang einer Druckspannung ausgesetzt ist; entsprechend kann eine maximale Aufheizung zulässig sein, wenn die Rotoroberfläche von der vorhergehenden Abkühlung her Zugspannungen ausgesetzt ist. Wenn innerhalb der Rotoroberfläche eine Druckspannung wirkt, bestimmt das Ausmaß dieser Druckspannung, ob die maximal zulässige Änderungsgeschwindigkeit von T₁ oder eine geringere Ä'nderungsgeschwindigkeit erforderlich ist. Wenn in der Rotoroberflache eine Zugspannung vorhanden ist, bestimmt das Ausmaß dieser Zugspannung, ob die maximal zulässige Änderungsgeschwindigkeit T^ für die Abkühlung oder eine geringere Änderungsgeschwindigkeit einzuhalten sind.

Diese Überlegungen sind in Fig. 11 enthalten, in welcher eine vergleichsweise einfache und näherungsweise gültige Funktion zur Bestimmung der Größe (dT,./dt)_M innerhalb des Funktionsblocks 184 dargestellt ist. Dort erlaubt die ausgezogene Kurve

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den höchsten Wert von (dT.j./dt)_M für die Aufheizung bzw. zunehmende Werte von Tj für alle ZugspannungsVerhältnisse und bis zu 50 % der Druckspannungsverhältnisse. Zwischen dem ~^l 50 %- und 100 ^-Druckspannungsverhältnis fällt die zulässige Knderungszunahrae von T^ linear auf den Wert Null ab. In ähnlicher Weise erlaubt die gestrichelte Kurve 188 die höchsten Werte von (dTj/dt)_M für die Abkühlung bzw. abnehmende Werte von Ty für alle Druckspannungsverhältnisse sowie bis zu 50 % des DruckspannungsVerhältnisses. Zwischen dem 50 %-Wert und dem 100 #-Wert fällt die zulässige Abnahmegeschwindigkeit von Tj linear auf Null ab. In diesem Fall liegen die Kurven l86 und l88 innerhalb des Bereichs 187 übereinander. Die linearen Abschnitte der Kurven 186 und I88 machen eine allgemeine ■Voraussage derart möglieh, daß ein vorhandener Rotorspannungspegel» auch wenn derselbe nicht übermäßig groß ist, wahrscheinlich eine Einschränkung in der Änderungsgesehwindigkeit der Dampftemperatur erforderlich macht.

Weitere Funktionen mit oder ohne Vorhersage können selbstverständlich zur Bestimmung der zulässigen Änderungsgesehwindigkeit der Dampf temperatur T,. im der Düsenkammej· benutzt werden. Diese Funktionen können einem festgelegten Snderungshöchstwert für T- entsprechend dem Pegel 107 Jiaben oder nicht, d.h* für die hochstzulässige Änderiangsgeschwindigkeit bet verschiedenen Werten unter untersc&iedlicihen ¥o:rgäben für das Betriebsver-

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Wenn die Regelung im Belastungsbetrieb arbeitet, was in dem Funktionsblock 190 bestimmt wird, und wenn nach Vergleich der Endwerte in den Funktionsblöcken I80 und I82 die Gehäusespannung in dem Funktionsblock 192 als zu hoch erkannt wird, wird in dem Funktionsblock 184 der Maximalwert (dTj/dt).. um einen in dem Funktionsblock 194 vorgegebenen Anteil herabgesetzt. Die tatsächlich mögliche Änderungsgeschwindigkeit von T_T wird dann aus der gemessenen Temperatur sowie aus Zeitwerten bestimmt und mit dem berechneten zulässigen Maximalwert des Funktionsblocks .196 verglichen. Wenn der Istwert von dT^/dt gleich oder größer als der zulässige Maximalwert ist, berechnet der Funktionsblock 196 den maximalen Stellungs-Sollwert D_M für die Dampfventilbelastung. Wenn die Gehäusespannung innerhalb der Grenzwerte liegt, schreitet das Programm von dem Funktionsblock 192 zum Funktionsblock 196 weiter.

Wenn die Regelung im Drehzahlbetrieb arbeitet, erfolgt in dem Funktionsblock 198 für eine Grenzüberschreitung der Gehäusespannung eine ähnliche Bestimmung, wie dies für den Funktionsblock 192 beschrieben ist. Außerdem erfolgt jeweils durch Kombination der Belastungswerte der Funktionsblöcke 174 und Vj6 und durch Vergleich der Kombinationswerte für die Schwellenwerte des Funktionsblocks 178 für den Hochdruckteil bzw. den Mitteldruckteil eine Untersuchung, ob die Bohrbelastung zu groß ist. Die Berechnung der Bohrungsbelastung erfolgt innerhalb des Drehzahl-Regelbetriebs, da dies für den Kaltanlauf und ähnliche

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Betriebszustände besonders wichtig ist. Wenn entweder die Bohrungsbelastung oder die Gehäusespannung den jeweiligen Schwellenwert überschreiten, wird innerhalb des Punktionsblockes 200 der Maximalwert (dTj/dt)_M aus dem Block 184 um einen entsprechenden Betrag herabgesetzt.

Ebenso wie im Fall einer Belastungseinschränkung wird die tatsächliche Änderungsgeschwindigkeit von T₁ berechnet und in dem Funktionsblock 202 mit dem berechneten zulässigen Maximalwert (dTp/dt)„ verglichen. Wenn die Isttemperatur-Änderungsgeschwindigkeit gleich oder größer dem zulässigen Maximalwert ist, bestimmt der Funktionsblock 202 den Wert D_oia, d.h. in diesem Fall wird in dem Block 1^7 der Anstieg von w_R angehalten. Wenn die Gehäusespannung und die Bohrungsbelastung innerhalb der Schwellenwerte bleiben, geht die Programmausführung unmittelbar von dem Funktionsblock 198 zu dem Funktionsblock 202 weiter.

Bei der Bestimmung von D-, und im Allgemeinfall von Dg„ wird die maximale Temperaturänderungsgeschwindigkeit (dT^/dt)_M des Dampfes in eine maximale Soll-Ventiletellung umgewandelt, womit die Dampf ventile 25 aus der jeweiligen Ausgangsstellung heraus mit solcher Änderungsgeschwindigkeit verstellt werden, daß die Durchsatzänderung mit keiner größeren Änderungsgeschwindigkeit erfolgt, als dies dem Maximalwert (dT.j./dt)_M entspricht. Wenn also die Eingangsdampf temperatur und dei Druck und damit auch die

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Dampfenthalpie in diesem Fall im wesentlichen konstant gehalten werden, wird die Ventilstellungs-Änderungsgeschwindigkeit beschränkt, damit die Jinderungsgesehwindigkeit des Dampfdurchsatzes einen Sehwellenwert nicht überschreiten kann, was hinsichtlich der Änderungsgeschwindigkeit der Düsenkammer-Dampftemperatur T₁ zu einer Überschreitung des Maximalwertes (dTp/dt)_M führen würde. Die EinlaSdampfventile 25 werden zweckmäßigerweise mit etwas überkritischer Verstärkung auf Sollwerte eingestellt. Deshalb und aus weiteren Gründen zieht man es vor, die Dampftemperatur-Änderungsgesehwindigkeit dTj/dt in der Düsenkammer durch Begrenzung der innerhalb der Einstellregelungen vorhandenen Einstell-Sollwerte D₀ oder O_n einzuschränken, wie dies im vorigen Fall bereits erläutert ist. Wenn man jedoch besondere, von den Funktionsverlaufen der Blöcke 192 und 202 abweichende Funktionsverläufe anwenden möchte, kann für die örtliche Analog-Ventilstellungs-Regelschleife oder für die unmittelbare digitale Festlegung der Ventilstellung eine Regelver-

Stärkung benutzt werden, wodurch unmittelbar dynamische Einschränkungen für die Dampfveetileinsteilung und damit für die Änderung der Turbinendrehzahl und/oder Turbinenbelastung vorgegeben sind, -wenn die Temperaturänderungsgeschwindigkeit dT^/dt eingeschränkt werden soll.

Als Ergebnis der j&nwendung der Erfindung wird das Betriebsverhalten von Dampfturbinen verbessert, Insbesondere wird das Betriebsverhalten genauer, wirksamer und wirtschaftlicher. Wenn

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die Erfindung in geschlossenen Regelschleifen zur Anwendung kommt, wird der Grad der Verbesserung erhöht. Der bevorzugte programmierte Digitalrechner für die Regelung nach der Erfindung erfüllt in wirtschaftlicher Weise die Erfordernisse einer wirksamen Betriebsregelung.

Dadurch wird eine Verlängerung der Turbinenlebensdaüer ermöglicht, weil die Ermüdungsüberwachung und/oder Ermüdungsregelung gegenüber PormänderungsSpannungen genauer erfolgen kann. Diese Erhöhung der Wirtschaftlichkeit wird mit einer Verbesserung des Wirkungsgrades der Betriebsregelung in Abhängigkeit von der Belastung, Drehzahl oder anderen Sollwerten erreicht. Die Einschränkungen des dynamischen Verhaltens sind besser auf die erreichbaren Optimalwerte bzw. optimale dynamische Turbinenkennlinien abgestimmt, insbesondere bei Turbogeneratoren und ähnlichen Anwendungsfällen, wo bekanntermaßen Pegeländerungen im Arbeitsverhalten oftmals Einschränkungen erforderlich machen. Die erzielte Verbesserung ist an bestimmte Regeln zur Sammlung der Ermüdungserscheinungen aufgrund von Pormänderungsspannungen gebunden. Die Einschränkungen für die Bohrungsbelastungen für die Gehäusespannung werden im Rahmen einer dynamischen Regelung in zulässiger Weise mit der Einschränkung für die Rotorspannung kombiniert.

ORiGSNAL INSPECTlD

Claims (1)

1. Patentansprüche;

   ■; lJ Regelsystem für Dampfturbinen, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: Vorhandensein einer Meßeinrichtung für die Dampftemperatur innerhalb eines Wärmeübergangsbereichs an einem ausgewählten Rotorteil, Vorhandensein einer Meßeinrichtung für die Wärmespannung mindestens eines Rotoräbschnitts jeweils in Abhängigkeit von der Dampftemperatur in dem genannten Bereich, Vorhandensein einer Stelleinrichtung für die Dampfzustandsgrößen in dem genannten Bereich und Vorhandensein einer Zwangsmitnahmeeinrichtung für die Stelleinrichtung zur Begrenzung der Änderungsgröße der Dampftemperatur innerhalb des genannten Bereiches Jeweils in Abhängigkeit von dem thermischen Zustand des betreffenden Rotorabschnittes.

   2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Regeleinrichtung für die Dampfzustandsgrößen eine Stufe zur Steuerung des Dampfdurchsatzes durch den genannten Bereich umfaßt und daß die genannte Zwangsmitnahmeeinrichtung die Verstellung der Stelleinrichtung begrenzt, so daß die Dampfdurchfluß-Änderungsgeschwindigkeit innerhalb des genannten Bereiches begrenzt ist.

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   tt.

   3· Regelsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung für den Dampfdurchsatz Dampfventile sowie Stellglieder für diese Dampf ventile .umfaßt und daß die genannte Zwangsmitnahmeeinrichtung eine Begrenzung der Verstellung dieser Einstellglieder ausüben kann.

   4. Regelsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfturbine ein großer Turbogenerator ist, daß der vorgegebene Dampfkammerbereich die Turbinendüsenkammer ist und daß das Ventilstellglied eine Regelschleife aufweist, daß ferner die Dampfdurchsatz-Regelstufe außerdem ein Bauelement zur Festlegung der Solldrehzahl-Ventileinstellung für Drehzahlbetrieb für die Regelschleife aufweist, daß weiter eine Stufe zur Bestimmung der Belastungs-Sollventilstellung für Belastungsbetrieb für die Regelschleife vorhanden ist und daß die genannte Zwangsmitnahmeeinrichtung eines der genannten SollwertStellglieder wirkungsmäßig begrenzt, so daß die Anderungsgeschwindigkeit des Dampfdurchsatzes in der Düsenkammer begrenzt ist.

   5. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Spannung aus einem Vergleich zwischen den momentanen thermischen Zustandsgrößen und einem vorgegebenen Schwellenwert für den thermischen Zustand bestimmt

   ORIGlNAi INSPECTiD

   9830^ Ϊ6ϋ^::

   wirdUnd daß die Bestimraungseinrichtung für die thermische Spannung einen Drehzahlmesser für die Turbinendrehzahl' sowie einen Temperaturraesser für die Rotoroberfläclientemperatur umfaßt.

   6. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Nachweiseinrichtung für die Bestimmung der gesamten thermischen Pormänderungsspannungsermudung des Rotors nach einer vorgegebenen Punktion des thermischen Zustandes des betreffenden Rotorabschnittes.

   7. Regelsystem nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Sammlung der Formänderungs-Ermüdungsaufzeichnungen des Rotors.

   8. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7» gekennzeichnet durch weitere Nachweisstufen für die thermische Belastung und die Zentrifugalbelastung der Rotorwelle innerhalb mindestens eines Rotoräbschnittes und durch eine Nachweiseinrichtung zur Ermittlung der Rotorwellenbelastung aus der thermischen Belastung und der Zentrifugalbelastung, welche die Information über diese Belastungen in die Zwangsmitnahmeeinrichtung einspeist.

   - 63 Ö 0 9 S 3 d / 1 1 8 0 ORlGiNAL INSPECTED

   9. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Bestimmungs-, Regel- und Zwangsmitnahmeeinrichtungen einen programmierten Digitalrechner einschließen. . -" .-.

   10. Regelsystem nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Rotor-Oberflächenzustand nach der Beziehung

   • -(T - Tj

   1 - Y

   bestimmt wird, worin Τ_σ die Rotoroberflächentemperatur, T die mittlere Rotor-Gesamttemperatur, 06 den thermischen Ausdehnungskoeffizienten, V die Poisson'sche Konstante, T^den Konzentrationsfaktor und Tg die Punktion der Düsenkammer-Dampf temperatur bedeuten.

   11. Regelsystem nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch ein den Betrieb des Digitalrechners steuerndes Programmsystem, in dem mindestens ein vorgegebener thermischer Rotorzustand mindestens eines Rotorabschnittes als Punktion der Dampftemperatur sowie Begrenzungsfunktionen für die Dampfventil-Einstellungsänderungen als Punktion dieses thermischen

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   Rotorzustandes gespeichert sind.

   12. Regelsystem nach Anspruch 11, dadureh gekennzeichnet, daß der thermische Rotorzustand eine Funktion des Verhältnisses des thermischen Rotoroberflächenzustandes zu einem Grenzwert dieses thermischen Rotoroberflächenzustandes ist.

   15. Regelsystem nach Anspruch 12, dadureh gekennzeichnet, daß die Begrenzungswirkung innerhalb eines vorgegebenen Bereiches zwischen Druckspannungs- und Zugspannungswerten in Form einer konstanten Funtkion des thermischen Oberflächenzustandsverhältnisses erfolgt und für Druckspannungs- und Zugspannungswerte die größer als die den konstanten Funktionsbereich festlegenden Werte sind, umgekehrt proportional zur Größe desthermischen Oberflächenzustandsverhältnisses ist.

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