DE3040139A1

DE3040139A1 - Regelsystem fuer eine gasturbine

Info

Publication number: DE3040139A1
Application number: DE19803040139
Authority: DE
Inventors: Thomas Edward Scotia N.Y. Ekstrom; Donald Leslie Schenectady N.Y. Rexford; William Irwin Schenectady N.Y. Rowen
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-10-26
Filing date: 1980-10-24
Publication date: 1981-05-07
Also published as: IT8025428A0; IT1133712B; JPS5677524A; US4299088A; GB2061567B; FR2468742A1; NL8005194A; NO803168L; GB2061567A; CA1153805A

Description

Regelsystem für eine Gasturbine

auf
Die Erfindung bezieht sich/Regelungen für Gasturbinen und betrifft insbesondere ein verbessertes Regelsystem für ein Gasturbinentriebwerk, das an die Verwendung mit Einwellenoder Zweiwellenmaschinen angepaßt werden kann.

Das Regeln der verschiedenen Parameter in einer großen Gasturbine ist ziemlich komplex geworden, aber als ein Ergebnis der zunehmenden Komplexität sind die Ausgangsleistungsdaten verbessert und gleichzeitig ist die Lebenszeit vieler Gasturbinenteile erhöht worden. Solche Regler enthalten normalerweise Einrichtungen zum Beeinflussen der Brennstoffdurchflußmenge zu der Gasturbinenbrennkammer gemäß BrennstoffSteuersignalen, die durch Überwachung der Betriebsparameter der Gasturbine erhalten werden. Beispiele von solchen Regelsystemen sind beispielsweise aus den US-PSen 3 520 133, 3 639 O?6 und 3 729 928 bekannt.

Bei einem Einwellengasturbinentriebwerk besteht das zum Regeln der Ausgangsleistung der Maschine normalerweise angewandte Verfahren darin, die Brennstoffmenge zu regeln, die

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der Brennkammer zugeführt wird, was zu Änderungen der Verbrennungstemperatur führt. Wenn die Verbrennungstemperatur sehr schnell geändert wird, was bei zyklischen Lastausübungen erfolgen kann, werden in den Heißgaswegteilen, wie beispielsweise den Turbinenlaufschaufeln, Wärmespannungen erzeugt, da diese bei schnellen Änderungen der Gastemperatur nicht gleichmäßig erhitzt werden. Eine übermäßige Ausübung von Wärmespannungen kann zu einem Wärmestoß führen, bei dem es sich um einen Zustand handelt, in welchem die Wärme spannungen, die erzeugt werden, die elastische mechanische Festigkeit des Materials übersteigen. Der Wärmestoß kann seinerseits zum Ausfall von Maschinenteilen führen, was eine kostspielige Abschaltung und Wartung erforderlich macht.

Ein Wärmestoß kann selbstverständlich vermieden werden, indem starke oder zyklische Temperaturänderungen vermieden werden, beispielsweise durch sehr langsames Ändern der Belastung. Es gibt jedoch viele Fälle, in denen die Ausgangsleistung der Gasturbine nicht geregelt werden kann, sondern auf äußere Einflüsse ansprechen muß. Ein Beispiel ist eine Einwellengasturbine, die mit einem getrennten Generator verbunden ist, der einen Lichtbogenofen speist. Ein weiteres Beispiel ist eine Einwellengasturbine, die mit einem getrennten Generator verbunden ist, der einen Löffelbagger in einem Bergwerk mit Strom versorgt. Noch ein weiteres Beispiel ist eine Zweiwellengasturbine, die die Antriebsleistung für einen Eisbrecher liefert. In letzterem Fall ist die volle Leistung erwünscht, um das Schiff durch das Eis zu treiben, bis es sich nicht weiter bewegen kann. Der Schiffspropeller wird dann gestoppt (die Turbine wird entlastet) und umgesteuert, um das Schiff von dem Eis zu entfernen, damit es erneut auf das Eis losfahren kann. Eine solche Betriebsart führt zu einer zyklischen Lastausübung auf die Gasturbine, die zu der oben beschriebenen Wärmeermüdung führen kann.

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Die Erfindung ist auf die Überwindung der Probleme gerichtet, die sich durch Wärmespannungen ergeben, welche aus zyklischen Lastausübungen sowohl auf Einwellen- als auch auf Zweiwellengasturbinen resultieren.

In bekannten Gasturbinen werden mehrere verschiedene Vorrichtungen zum Steuern des Luftstroms oder -durchsatzes benutzt. Beispielsweise können verstellbare Einlaßleitschaufeln an dem Einlaß des Verdichters zur Luftstromsteuerung während des Anlaufs der Gasturbine vorgesehen sein, um Pulsation oder Pumpen in dem Verdichter zu verhindern. Die Leitschaufeln werden benutzt, um die Luft zu drosseln, damit solche Instabilitäten verhindert werden, bis die Gasturbine auf voller Drehzahl ist. Einlaßleitschaufeln werden außerdem benutzt, um das Aufrechterhalten von hohen Abgastemperaturen bei Teillast für Wärmerückgewinnungszwecke zu gestatten.

Abblaseventile können in bekannten Gasturbinen zwischen einer Stufe des Verdichters und dem Gasturbinenauslaß angeordnet sein und werden gegenwärtig benutzt, um die Überdrehzahl in Fällen zu begrenzen, in denen die Belastung augenblicklich verlorengehen kann.

Eine weitere Art der Luftsteuerung, die in Zweiwellengasturbinen vorhanden ist, umfaßt eine (im Durchlaßquerschnitt) verstellbare Turbinendüse, die die Aufteilung von Energie zwischen der HD-Verdichterturbine (und damit die Verdichterdrehzahl) und der ND- oder Lastturbine zwecks Optimierung des Wärmeflusses steuert. Die Steuerung der verstellbaren Turbinendüse beeinflußt nur den Luftstrom, weil sie eine veränderliche Drehzahlsteuerung des HD-Verdichtersatzes gestattet.

In bekannten Gasturbinen, in denen verstellbare Einlaßleitschaufeln, Abblaseventile oder verstellbare Düsen zum Steuern des Luftstroms in und um den Verdichter benutzt werden, erfolgt die Regelung der Turbinenausgangsleistung hauptsäch-

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lieh durch Verändern der Brennstoffzufuhr, wie es in den oben erwähnten US-Patentschriften beschrieben ist.

Die nachteiligen Auswirkungen einer Wärmeermüdung, die bei zyklischer Belastung von Gasturbinen auftreten, werden, kurz gesagt, beträchtlich verringert, indem die Ausgangsleistung der Gasturbine verändert wird, während die Verbrennungstemperatur ungefähr konstant gehalten wird. Das wird erreicht, indem der Luftstrom verändert wird, während die Verbrennungstemperatur konstant gehalten wird. Der Luftstrom wird gesteuert, indem vorhandene LuftStromsteuervorrichtungen, wie die verstellbaren' Einlaßleitschaufeln, die Abblaseventile und die verstellbaren Düsen, sowohl in Einwellen- als auch in Zweiwellengasturbinentriebwerken benutzt werden. Die Gasturbinen können entweder in einer "normalen" Betriebsart betrieben werden, in der die Ausgangsleistung geregelt wird, indem die Brennstoffzufuhr verändert wird, oder in einer "zyklischen" Betriebsart, in der die Ausgangsleistung durch Verändern des Luftstroms geregelt wird.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Figur 1 ein vereinfachtes Schaltbild eines Eegelsystems nach der Erfindung für eine Einwellengasturbine und

Figur 2 ein vereinfachtes Schaltbild eines Regelsystems nach der Erfindung für eine Zweiwellengasturbine.

EINwELLENO?UBBINENBEGELUNG

Gemäß Figur 1 enthält eine vereinfacht dargestellte und insgesamt mit 1 bezeichnete Einwellengasturbine einen Verdichter 2, eine Brennkammer 3 und eine eine Last 5 antreibende

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Turbine 4. Luft, die in einen Einlaß 6 eintritt, geilt über verstellbare Einlaßleitschaufeln 9 zu dem Verdichter 2 und von diesem aus in die Brennkammer 3j um die Verbrennung von durch eine Düse 7 eingespritztem Brennstoff zu unterstützen. Die heißen Gase, die in der Brennkammer 3 erzeugt werden, treiben die Turbine 4 an, deren Abtriebswelle 13 mit der Last 5 "und dem Verdichter 2 verbunden ist, um diese anzutreiben. Die erhitzten Abgase passieren, wenn sie aus einem Turbinenauslaß 8 austreten, verteilte Temperaturfühler 22, die die Abgastemperatur messen. Brennstoff wird der Düse 7 über eine Leitung 14 aus einem Brennstoffregelsystem 11 zugeführt, das eine Konstantpumpe enthält, die mit einer Rückführungsschleife 15 versehen ist zum Verändern der Brennstoffzufuhr zur Brennkammer 3 gemäß einem elektrischen Signal auf einer Leitung 16, das die gewünschte Brennstoffzufuhr darstellt. Die Leitung 16 ist der Ausgang einer Multiplizierschaltung 135 j die als ein Eingangssignal ein Brennstoffbedarf ssignal über eine Leitung 12 und als weiteres Eingangssignal über eine Leitung 125 ein elektrisches Signal empfängt, das die Drehzahl der Turbine darstellt. Die Drehzahlabfühlung erfolgt, beispielsweise, durch eine Induktormaschine oder einen magnetischen Aufnehmer I7 auf der Rotorwelle 13 der Turbine 1, der ein elektrisches Signal liefert, dessen Frequenz zu der Turbinendrehzahl direkt proportional ist.

Das Brennstoffsteuer- oder -bedarfssignal auf der Leitung 12

. einwertiges, bzw. .,,.. , _,. , , ,. _M -,.·-,· ist ein/eindeutiges elektrisches Signal, das an die Multiplizierschaltung 135 über ein Niedrigstwertgatter angelegt wird, das aus mehreren Dioden 31, 34 und 37 besteht. Die Dioden 31,34- und 37 sind in der dargestellten Weise in bezug auf die gemeinsame Sammelleitung 12 gepolt, von der das Brennstoffsteuersignal erhalten wird. Gemäß der US-PS 3 520 133 überwacht diese Anordnung eine Reihe von einzelnen Brennstoffsteuersignalen aus gesonderten Regelkreisen, die auf Betriebsparameter der Gasturbine 1 ansprechen. Das niedrigste dieser Brennstoff-Steuersignale wird zur Leitung 12 durchgelassen und bestimmt

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anschließend die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer 3 der Gasturbine .

Mehrere Regeleinrichtungen (mit oder ohne Rückführung) 30, 33 und 36 werden in aus der vorgenannten US-PS 3 520 133 bekannter Weise "benutzt. Insbesondere umfassen die Regeleinrichtungen eine Temperaturregeleinrichtung 30, eine Drehzahl- und Lastregeleinrichtung 33 voad. eine Anfahrsteuereinrichtung 36» von denen jede in ihrer Ausgangsleitung die Dioden 31 > 34 bzw. 37 enthält, die ein Niedrigstwertgatter bi'.-len. Jedes Steuersignal aus den Regeleinrichtungen 30, 33 und 36 soll zur Regelung einer gewissen Phase des Gasturbinenbetriebes benutzt werden.

Jede Regel- bzw. Steuereinrichtung fühlt einen Betriebszustand der Gasturbine ab und vergleicht ihn mit einem Sollwertsignal. Beispielsweise erzeugt die rückführungslose Anlaufsteuereinrichtung 36 ein programmiertes Brennstoffsteuersignal an ihrem Ausgang gemäß zeitlich festgelegten Ereignissen, die in der Gasturbine eintreten, wie beispielsweise eine gewisse Drehzahl, das Erkennen der Flamme in der Brennkammer od. dgl., wobei diese Ereignisse durch Schließen von mehreren Schaltern, die schematisch durch die Bezugszahl 66 angegeben sind, erkannt werden. Die Anlaufsteuereinrichtung 36 ist ebenso wie eine Beschleunigungsregeleinrichtung (nicht gezeigt) für die Erfindung nicht erforderlieh, obgleich sie der Vollständigkeit halber kurz beschrieben worden sind.

Die Temperaturregeleinrichtung 30 fühlt die Abgastemperatur mit Hilfe der Temperaturfühler 22 ab. Eine mittlere Temperatur wird aus einem Temperaturmittelwertbildner 39 gewonnen und über eine Leitung 42 in den Temperaturregelverstärker 30 eingegeben. Ein Fehlersignal wird an dem Ausgang des Verstärkers 3Q erzeugt, wenn sich die Istabgastemperatur von dem Temperatursollwertsigml unterscheidet, das beispielsweise durch ein Potentiometer auf einer Leitung 43 gebildet wird.

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Der Drehzahl- und Lastregelverstärker 33 empfängt ein Istdrehzahlsignal aus dem magnetischen Aufnehmer oder der Induktormaschine 17» der oder die auf der Turbinenwelle I3 befestigt ist. Das Istdrehzahlsignal auf einer Leitung 5I wird mit einem Drehzahlsollwertsignal auf einer Leitung 52 verglichen und das Fehlersignal, wenn vorhanden, erscheint als ein Ausgangssignal des Verstärkers 33 und als ein Brennstoff steuersignal. Der dritte Eingang 32 des Drehzahl- und Lastregelverstärkers 33 bildet einen Teil der Erfindung und ist im folgenden noch ausführlicher beschrieben.

Jedes Brennstoffsteuersignal aus den Verstärkern 30, 33 und 36 wird an die entsprechende Diode 3% 34- bzw. 37 angelegt. Das Brennstoffsteuersignal, das die geringste Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer 3 angibt, wird auf der gemeinsamen Sammelleitung oder Leitung 12 erscheinen. Es sei angemerkt, daß zwar nur ein Brennstoffsteuersignal auf der Leitung 12 zu irgendeinem Zeitpunkt erscheint, daß jedoch die anderen Brennstoffsteuersignale als Reserveschutz dienen.

Die verstellbaren Einlaßleitschaufeln 9 für die Gasturbine 1 sind unmittelbar stromabwärts des Verdichtereinlasses 6 angeordnet. Die Winkelstellung der Einlaßleitschaufeln 9 und damit die Menge an von dem Einlaß 6 durchgelassener Luft wird durch einen Einlaßleitschaufelsteuersatz 14-5 gesteuert, der einen herkömmlichen elektronischen Positionierer enthalten kann, der mit den Einlaßleitschaufeln 9 verbunden ist und diese antreibt.

Die Abblaseventile, die insgesamt mit der Bezugszahl 44 bezeichnet sind, sind in eine Umgehungsleitung 45 geschaltet, damit Arbeitsluft direkt von dem Auslaß des Verdichters 2 zu dem Turbinenauslaß 8 geleitet werden kann. Während im Stand der Technik die Abblaseventile 44 vollständig geöffnet oder vollständig geschlossen und zur tlberdrehzahlbegrenzung benutzt werden, kann gemäß der Erfindung die Position

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der Abblaseventile 44 durch einen Abblaseventilsteuersatz variabel gesteuert werden, was im folgenden noch, näher erläutert ist.

Die Erfindung gestattet, die Gasturbine 1 in einer von zwei verschiedenen Betriebsarten zu betreiben, die im folgenden als "normale" Betriebsart und als "zyklische" Lastbetriebsart bezeichnet werden. Das Umschalten von einer Betriebsart auf die andere erfolgt durch die Bedienungsperson mit Hilfe von Schaltern 10, 20 und 30, die zwar einzeln dargestellt sind, vorzugsweise jedoch zum gleichzeitigen Schalten mechanisch miteinander gekuppelt sind. Der Bezugsbuchstabe N bezeichnet die Position der Schalter 10, 20 und 30 während der "normalen" Betriebsart, während der Bezugsbuchstabe G die Position der Schalter während der "zyklischen" Betriebsart bezeichnet, in der eine zyklische Belastung der Turbine erwartet wird. In dieser wird die Ausgangsleistung der Gasturbine geregelt, indem der Luftstrom gesteuert wird, während die Temperatur konstant gehalten wird. In der "normalen" Betriebsart wird die Ausgangsleistung der Gasturbine durch das Brennstoffsteuersignal geregelt und der Luftstrom wird konstant gehalten.

Ein Luftstromregelverstärker 60 empfängt als ein Sollwertsignal entweder ein Temperatursollwertsignal auf einer Leitung 70, das durch ein Potentiometer 65 gebildet wird, oder eine Drehzahlsollwertsignal auf einer Leitung 80, das durch ein Potentiometer 55 gebildet wird. Das Temperatursollwertsignal auf der Leitung 70 wird während der "normalen" Betriebsart zugeführt, während das Drehzahlsollwertsignal auf der Leitung 80 während der "zyklischen" Betriebsart zugeführt wird, ^e nach der Stellung des Schalters 30. Das weitere Eingangssignal an dem Luftstromregelverstärker 60 ist ein Signal auf einer Leitung 90, das entweder die Abgastemperatur auf einer Leitung 24 angibt, wenn der Schalter 20 in seiner "normale¹¹ Betriebsart-Stellung ist, oder ein Drehzahlsignal aus einem Umkehrverstärker I30 und von einer Lei-

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tung 115 > wenn der Schalter 20 in der "27/klische" Betriebsart-Stellung ist.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 60 stellt die Sollposition der Einlaßleitschaufeln 9 und der Abblaseventile 44 dar und wird an den Einlaßleitschaufelsteuersatz 145 und den Ahblaseventilsteuersata 105 über Verstärker 50 bzw. 100 angelegt. Der Verstärker 50 begrenzt unabhängig die Isteinlaßleitschaufelposition zwischen einer minimalen und einer maximalen Betriebsposition, wie beispielsweise 48° und 88°, während der Verstärker 100 auf ein an einem Eingang 110 empfangenes Signal hin die Abblaseventile geschlossen hält. Ein negatives Signal auf einer Leitung 120 bewirkt, daß die Position der Abblaseventile zwischen ihrer vollständig geschlossenen und ihrer vollständig geöffneten Position verändert wird.

Beim Betrieb in der "normalen Betriebsart", in der die Schalter 10, 20 und 30 in ihrer Position N sind, hat der Schalter 10 keinen Einfluß auf den Drehzahlregelverstärker 33, so daß die Drehzahl der Gasturbine gegenüber dem Drehzahlsollwert 52 durch normale Regelwirkung ausgeglichen wird. Nachdem der Anlauf abgeschlossen ist, wird bei Teillastzuständen das Ausgangssignal des Reglers 33 so eingestellt, daß die auf der Leitung 5I erfaßte Drehzahl an die Solldrehzahl auf der Leitung 52 angepaßt wird, was durch Steuern der Brennstoffzufuhr zu der Turbine erfolgt. Bei Teillast sind der Anlaufverstärker 36 und der Temperaturregelverstärker 30 in Sättigung, da der Drehzahlverstärker 33 das niedrigste Brennstoffsteuersignal auf der Leitung 12 liefert. Wenn das Drehzahlsollwertsignal 52 vergrößert wird, um die Gasturbine weiter zu belasten, wird ein Punkt erreicht, an welchem das Abgastemperatursignal auf der Leitung 42 gleich dem Temperatursollwertsignal auf der Leitung 43 ist, woraufhin der Teaiperaturregelverstärker 30 die Steuerung der Brennstoffzufuhr zu der Turbine übernimmt.

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Der Schalter 20 legt in seiner Position N das Signal auf der Leitung 42,das zu der Abgastemperatur proportional ist, an den Eingang 90 des Luftregelverstärker 60 an. Das andere Eingangssignal des Verstärkers 60 kommt aufgrund der Position des Schalters 30 von der Leitung 70. Die Leitung 70 liefert dem Verstärker 60 eine Spannung, die zu der an dem Potentiometer 65 eingestellten Solltemperatur proportional ist. Die durch das Potentiometer 65 eingestellte Temperatur ist etwas kleiner, beispielsweise 10°, als die auf der Leitung 43 eingestellte Temperatur. In der "normalen" Betriebsart legt der Schalter 30 außer einer SammeHeitungsspannung an das Temperatursollwertpotentiometer 65 eine Spannung über die Leitung 110 an den Verstärker 100 an, die sicherstellt, daß die Abblaseventile 44 geschlossen bleiben.

In der "normalen" Betriebsart ist, wenn die Maschine unter Verwendung des Drehzahlsollwertes 52 belastet wird, die Abgastemperatur bestrebt, aufgrund der steigenden Brennstoffzufuhr anzusteigen. Bei Teillast werden, solange das Abgastemperatursignal auf der Leitung 90 kleiner als das Sollwerttemperatursignal auf der Leitung 70 ist, die Einlaßleitschaufeln 9 durch den Verstärker 50 in ihrer voll geschlossenen Position (von beispielsweise 48°) gehalten. Wenn das Abgastemperatursignal auf der Leitung 90 gleich dem Einlaßleitschaufeltemperatursollwertsignal auf der Leitung 70 ist, gibt der Verstärker 60 ein Signal an den Verstärker 50 ab, damit der Einlaßleitschaufelsteuersatz 145 die Einlaßleitschaufeln öffnet. Der Luftstrom zu dem Verdichter 2 nimmt dann zu und, da die Brennstoffzufuhr zu dieser Zeit unabhängig gesteuert wird, wird die auf der Leitung 90 erfaßte Abgastemperatur im Verhältnis zu der Zunahme des Luftstromes abnehmen, wodurch wiederum das Signal auf der Leitung 90 auf den Wert des Signals auf der Leitung 70 erniedrigt wird. Wenn die Belastung ansteigt, wird die Brennstoffzufuhr wieder erhöht, die Abgastemperatur steigt an und der Luftstromregler 60 bewirkt, daß die Einlaßleitschaufeln weiter geöffnet werden, um die Tempe-

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ratur zu verringern. Der Luftstromregler 60 positioniert deshalb während der "normalen" Betriebsart die Einlaßleitschaufeln 9 unter einem derartigen Winkel, daß die Temperatur gemäß dem auf der Leitung 70 eingestellten Temperatursollwert im wesentlichen konstant bleibt.

Wenn die Schalter 10, 20 und 30 auf den Betrieb in "zyklischer" Betriebsart umgeschaltet werden, was bei irgendeinem Belastungswert erfolgen kann, legt der Schalter 10 ein sägezahnartiges

(ramped) Signal von dem Potentiometer 85 und einem zugeordneten Kondensator (nicht gezeigt) an den Drehzahlverstärker an, das zu dem Drehzahlsollwertsignal auf der Leitung 52 addiert wird. Zusätzlich zur Verursachung einer Zunahme der Brennstoffzufuhr bewegt sich der Verstärker 33 in Sättigung, so daß die Brennstoffzufuhr durch den Temperaturregelverstärker 30 geregelt wird.

Der Schalter 20 ändert in der "zyklischen" Betriebsart die Rückführung zu dem Verstärker 60 von einem zur Temperatur proportionalen Signal in ein zur Turbinendrehzahl proportionales Signal auf der Leitung 115· Der Schalter 30 ändert das Sollwerteingangssignal an dem Verstärker 60 von einem Temperatursollwertsignal auf der Leitung 70 in ein Drehzahlsollwertsignal auf der Leitung 80.

Wenn die Brennstoffzufuhr vergrößert wird, indem der Schalter 10 in seine Position C gebracht wird, wird die sich ergebende Drehzahlzunähme durch den Luftstromregelverstärker 60 auf der Leitung 90 bemerkt. Der Verstärker 60 vergleicht nun das Drehzahlsignal auf der Leitung 90 mit dem Drehzahlsollwertsignal auf der Leitung 80. Die ansteigende Drehzahl wird eine Abnahme der durch die Einlaßleitschaufeln'9 hindurchtretenden Luftmenge verursachen, um die Leistung und die Drehzahl zu verringern. Das führt zu einer ansteigenden Abgastemperatur, da nun für dieselbe Brennstoffzufuhr ein geringerer Luftstrom zur Verfugung steht. Innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne wird

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das Temperatursteuersignal auf der Leitung 12 unter der Regelung des Temperaturregelverstarkers 30 sein.

Wenn in der Belastung zyklische Änderungen auftreten, werden sie sich durch eine Änderung in dem Drehzahlsignal auf der Leitung 115 bemerkbar machen. Der Luftstromregelverstärker 60, der nun der Hauptregelverstärker für die Ausgangsleistung der Gasturbine ist, wird die Einlaßleitschaufeln über den Steuersatz 145 auf zunehmende oder abnehmende Drehzahl hin schließen bzw. öffnen, um die Ausgangsleistung der Gasturbine dadurch zu regeln, daß die Drehzahl im wesentlichen konstant gehalten wird.

Es sei beachtet, daß die stationäre Drehzahl von der stationären Position der Einlaßleitschaufeln praktisch, unabhängig ist. Da jedoch die Brennstoffzufuhr gleichzeitig beeinflußt wird, um die Abgastemperatur konstant zu halten, wird die Drehzahl indirekt durch die Position der Einlaßleitschaufeln geregelt.

Wenn die Position der Einlaßleitschaufeln verändert wird, wird die Abgastemperatur ebenfalls verändert. Die Abgastemperatur wird nun die Brennstoffzufuhr steuern, um eine durch den Temperatursollwert 43 eingestellte konstante Abgastemperatur aufrecht zu erhalten. Wenn die Belastung abnimmt, nimmt die Drehzahl der Turbine zu, was zur Folge hat, daß die Einlaßleitschaufeln geschlossen werden, bis sie in ihrer maximal geschlossenen Position (von beispielsweise 48°) sind. Das Ausgangssignal des Verstärkers 60 wird so eingestellt, daß beispielsweise eine Ausgangsspannung von 0 V die maximal geschlossene oder 48°- Einlaßleitschaufelposition darstellt. Ein Signal unter 0 V aus dem Verstärker 60 wird ein Signal über die Diode 75 8Ln die Leitung 120 des Verstärkers 100 anlegen, um die Abblaseventile über den Steuersatz 105 zu öffnen. Das hat zur Folge, daß Arbeitsluft aus dem Verdichter 2 zu dem Auslaß 8 im Verhältnis zu dem Signal aus dem Verstärker 60 herumgeleitet wird, wodurch die Leistung der Gasturbine weiter verringert wird.

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ZWEIWELLENTURBINENREGELUNG

Ein in Figur 2 vereinfacht dargestelltes und insgesamt mit der Be zugs ζ aiii 1 bezeichnetes Zweiwellengasturbinentriebwerk enthält einen Verdichter 2, eine Brennkammer 3i eine HD-Turbine 4 und eine ND-Turbine 5· Es ist bekannt, daß es für gewisse Gasturbinenverwendungszwecke, beispielsweise auf Schiffen, erwünscht ist, daß die HD-Turbine 4-, die den Verdichter 2 antreibt, und die Lastturbine 5» auf gesonderten Wellen befestigt sind. Die Lastturbinenwelle 6 ist mit einer Last 8,beispielsweise einem Schiffspropeller, verbunden.

Eine verstellbare Düse 9 der zweiten Stufe kuppelt die HD-Turbine 4 mit der Lastturbine 5· Die Einzelheiten dieser Düse sind bekannt, beispielsweise aus der US-PS 2 625 789·

Luft, die in den Verdichtereinlaß y\ eintritt, gelangt über die Einlaßleitschaufeln 52 zu dem Verdichter 2, der die verdichtete Luft zur Brennkammer 3 zur Verbrennung mit durch eine Düse 12 eingespritztem Brennstoff fördert. Die erhitzten Abgase treten, nachdem sie die HD-Turbine 4 und die ND-Turbine 5 passiert haben, an dem Turbinenauslaß 13 aus und passieren dabei verteilte Temperaturfühler 14, die die Abgastemperatur messen. Brennstoff wird der Düse 12 über eine Leitung 14 aus dem Brennstoffsteuersystem 11 zugeführt, das unter der Steuerung der Multiplizierschaltung 135 steht, die ein Brennstoffsteuersignal von einer Leitung 19 und ein HD-Turbinen-Drehzahlsignal von einer Leitung 21 empfängt. Das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 135 gib* die gewünschte Brennstoffzufuhr an. Das Brennstoffsteuersystem 11 enthält eine Rückkopplungsleitung 15 zum Verändern der Menge an der Brennkammer zugeführtem Brennstoff.

Die Zweiwellengasturbine von Figur 2 enthält die gleichen Regel- bzw. Steuereinrichtungen 30, 33 und 36, wie sie oben in Verbindung mit der Einwellengasturbine beschrieben worden

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sind. Darüber hinaus kann ein zusätzliches Brennstoffsteuersignal durch einen Leistungsregelverstärker 40 geliefert werden, dessen Ausgangsdiode 18 einen Teil des Niedrigstwertgatters bildet, das die Dioden 31» 34- und 37 enthält. Ein vorbestimmtes Mindestleistungssignal wird, wie in den US-PSen 3 639 076 und 3 729 928 ausführlicher beschrieben, über eine Leitung 46 an den Leistungsregelverstärker 40 angelegt. Ein Rückführungssignal, das die Istbrennstoffzufuhr darstellt (d. h. proportional zur Leistung ist), wird an den Verstärker 40 über eine Leitung 113 angelegt. Der Sollwert für den Leistungsregelverstärker 40 wird normalerweise über eine Leitung 26 geliefert, die die Signale aus einem Drehmomentbegrenzerverstärker 80 und einen Leistungsbefehl aus einem Kubikfunktionsgenerator 210, der auf einen durch einen Antriebshebel 190 eingestellten Leistungssollwert anspricht, vergleicht. Die !Punktionen des Leistungsverstärkers 40 und des Drehmomentbegrenzerverstärkers 80 sind in den oben erwähnten Patentschriften ausführlich beschrieben und brauchen deshalb hier nicht im einzelnen angegeben zu werden.

Zusätzlich zu den Betriebsartschaltern 10, 20 und 30, die im wesentlichen die gleiche !Funktion wie in Figur 1 erfüllen, ist ein vierter Schalter 25 vorgesehen, der den Ausgang des Kubikfunktionsgenerators 210 mit dem Eingang 26 des Leistungsverstärkers 40 während der "normalen" Betriebsart und den Ausgang eines Verstärkers 180 mit einem Eingang 80 des Regelverstärkers 60 während der "zyklischen" Betriebsart verbindet.

Das Verdichterturbinendrehzahlsignal auf der Leitung 21 wird außerdem als ein Eingangssignal 160 an einen Düselregelverstärker I50 angelegt, dessen Ausgang mit einem Düsensteuersatz 155 verbunden ist. Das andere Eingangssignal des Verstärkers 150 wird von einer Leitung I70 geliefert und ist das Ausgangssignal eines Begrenzungsverstärkers 140, dessen Verstärkung begrenzt wird, um zu gewährleisten, daß die Drehzahlsollwerte für den HD-Turbinen-Drehzahlrege!verstärker I50

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zwischen beispielsweise 92% und 100% Drehzahl bleiben. Der Verstärker I50 bildet einen Drehzahlregler für die HD-Turbine, dessen Eückführungssignal über die Leitung 160 und dessen Drehzahlsollwertsignal über die Leitung I70 empfangen wird. Der Düsensteuersatz 155 bildet eine weitere Einrichtung zum Steuern des Arbeitsluftdurchflusses durch die Gasturbine, zusätzlich zu dem Einlaßlextschaufelsteuersatz 145 und dem Abblaseventilsteuersatz 105, die in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal aus dem Luftstromregelverstärker 60 praktisch in derselben Weise arbeiten, wie es oben mit Bezug auf Figur 1 dargelegt worden ist.

Im Betrieb in normaler Betriebsart hat der Schalter 10 keinen Einfluß auf die Regelverstärker 33 und 40, die in normaler Weise arbeiten, um die Brennstoffzufuhr zur Turbine zu steuern. Der Schalter 20 legt ein Abgastemperatursignal über eine Leitung 24 als Eingangssignal 90 an den Luftstromregelverstärker 60 an, das mit dem Temperatursollwertsignal auf der Leitung 70 verglichen wird, welches geliefert wird, wenn der Schalter 30 in seiner "normalen" Position ist. Der Schalter 30 klemmt außerdem einen Verstärker 100, um die Abblaseventile während der "normalen" Betriebsart geschlossen zu halten.

In der "normalen" Betriebsart liefert der Schalter 25 das Ausgangssignal des Kubikfunktionsgenerators 210 als Hauptsollwert für das Brennstoffregelsystem.

In der "zyklischen" Betriebsart bringt der Schalter 10 die Verstärker 33 und 40 mittels eines Spannungssignals, das von dem Potentiometer 27 abgenommen wird, in Sättigung, um dadurch das Brennstoffregelsystem unter den Einfluß des Temperaturrege lver stärkers 30 zu bringen. Der Schalter 25 legt ein Signal an die Leitung 80 von dem Antriebshebel I90 über einen Verstärker 180 an. Die Vorspannung an dem Verstärker 180, die von einem Potentiometer 200 geliefert wird, bildet ein Mindestdrehzahlsignal, und der Ausgang des Verstärkers 180 liefert

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einen festen Drehzahlsollwert auf einer Leitung 80 für den Luftstromregelverstärker 60 in der "zyklischen¹¹ Betriebsart.

Die Luft Stromsteuervorrichtungen 105, 14-5 und 155 sind mit Regelnetzwerken 220, 230 und 240 derart in Reihe geschaltet, daß bei abnehmendem Leistungsbedarf der HD-Turbinen-Drehzahlregler 150 zuerst die Verdichterdrehzahl verringert, beispielsweise auf 92%, dann werden die Einlaßleitschaufeln durch den Steuersatz 145 geschlossen und schließlich werden bei der Mindestausgangsleistung die Abblaseventile durch den Steuersatz 105 geöffnet.

Während der "normalen" Betriebsart werden die Abblaseventile geschlossen gehalten und der Einlaßleitschaufelsteuersatz 145 und der Düsensteuersatz 155 arbeiten mit einem Abgastemperatursignal auf der Leitung 24, das mit dem eingestellten Temperatursollwert auf der Leitung 70 verglichen wird. Der Verstärker 60 gibt ein Signal ab, das zu dem Fehler zwischen dem Temperatursollwert auf der Leitung 70 und dem Temperaturrückführungswert auf der Leitung 90 proportional ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers 140 ist ein Drehzahlsollwert für den Verdichtertreiberverstärker 150, der den Luftstrom verändert, um die Abgastemperatur konstant zu halten.

Die Netzwerke 220, 230 und 240 stellen sicher, daß nur einer der Steuersätze IO5, 145 und 155 zu irgendeinem gegebenen Zeitpunkt wirksam ist. Die Diagramme innerhalb der Regelblökke zeigen auf ihrer horizontalen Achse das Ausgangssignal des Verstärkers 60 und auf ihrer vertikalen Achse das Ausgangssignal der Netzwerke 220, 230 bzw. 240. Während der "zyklischen" Betriebsart "bewirkt bei zunehmender Leistung und unter Annahme eines linearen Ausgangssignals aus dem Verstärker 60 das Regelnetzwerk 220, daß zuerst die Abblaseventile geöffnet werden. Wenn das Ausgangssignal des Verstärkers 60 einen vorbestimmten Wert überschreitet, bleiben die Abblaseventile geschlossen, aber die Einlaßleitschaufeln gehen von beispiels-

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weise 4-8° auf 88°. Wenn das Ausgangs signal des Verstärkers 60 den Punkt überschreitet, an welchem die Einlaßleitschaufeln in ihrer voll offenen Position (88 ) gehalten werden, wird von dem Verstärker 140 ein Eingangssignal aus dem Regelnetzwerk 240 empfangen, um den Düsenregelsollwert auf der Leitung 170 von 92% Drehzahl auf 100% Drehzahl zu verändern.

Eine Verringerung der abgegebenen Leistung der Gasturbine wird zu einem abnehmenden Signal aus dem Verstärker 60 führen, das zunächst den Verdichterdrehzahlsollwert von 100% auf 92% verringern, dann die Einlaßleitschaufeln von 88° auf 48° schließen und anschließend die Abblaseventile von völlig geschlossen auf völlig geöffnet verstellen wird,

Im Rahmen der Erfindung bieten sich zahlreiche Abwandlungsmöglichkeiten. In der obigen Beschreibung der Betriebsweise ist zwar die Abtriebswellendrehzahl als Hauptsollwertfunktion oder Führungsgröße für die Turbinenregelung angegeben, es ist jedoch klar, daß bei der Erfindung das Leistungssollwertsignal oder die Leistungsführungsgröße als Hauptführungsgroße benutzt werden kann.

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Claims

Patentansprüche

( 1.' Regelsystem für eine Gasturbine mit einer Brennkammer,

gekennzeichnet durch mehrere Regeleinrichtungen (30, 33, 36) zum Erzeugen eines BrennstoffSteuersignals zum Regeln der
Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer (3) auf verschiedene Betriebsparameter der Gasturbine (1) hin, und

durch eine Einrichtung (60) zum Erzeugen eines Luftsteuersignals zum Regeln der Luftzufuhr zu der Brennkammer auf verschiedene Betriebsparameter der Gasturbine hin.
2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtungen (30, 33, 36) zum Erzeugen eines Brennstoffregelsignals in einer ersten Betriebsart auf die abgefühlte Drehzahl und die abgefühlte !temperatur der Gasturbine (1) ansprechen, um die Brennstoffzufuhr entsprechend zu verändern, und daß die Einrichtung (60) zum Erzeugen eines Luftsteuersignals in der ersten Betriebsart auf die 'Temperatur
der Gasturbine anspricht, um die Luftzufuhr zu verändern und die Temperatur im wesentlichen konstant zu halten.
3. Regelsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtungen (30, 33, 36) zum Erzeugen eines Brennstoffsteuersignals in einer zweiten Betriebsart auf die ütem-

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peratur der Gasturbine (1) ansprechen, um die Temperatur im wesentlichen konstant zu halten, und daß die Einrichtung (60) zum Erzeugen eines Luftsteuersignals in der zweiten Betriebsart auf die abgefühlte Drehzahl der Gasturbine anspricht, um die Luftzufuhr zu verändern und die Drehzahl im wesentlichen konstant zu halten.
4. Regelsystem nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Einlaßleitschaufeleinrichtung (9, 14-5), die auf die Einrichtung (60) zum Erzeugen eines Luftsteuersignals anspricht, um die Einlaßluft der Brennkammer (3) innerhalb vorbestimmter oberer und" unterer Grenzen der Luftzufuhr zu regeln.
5- Regelsystem nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Abblaseventileinrichtungen (105), die ebenfalls auf die Einrichtung (60) zum Erzeugen eines Luftsteuersignals ansprechen, um Arbeitsluft vorbeizuleiten, wenn der Luftstrom durch die Einlaßleitschaufeleinrichtung (9) auf seinen unteren Strömungsgrenzwert abfällt.
6. Regelsystem für eine Zweiwellengasturbine mit einer Verdichterwelle und einer Lastwelle sowie mit einer Kammer, die zur Verbrennung Luft und Brennstoff empfängt,

gekennzeichnet durch mehrere Brennstoffregeleinrichtungen ($0, 33, 36, 40), die jeweils auf einen anderen Betriebsparameter der Gasturbine (1) ansprechen und jeweils ein entsprechendes Brennstoffsteuersignal liefern;

durch eine Gatteranordnung (31, 34, 37, 18), die zum Regeln der Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer (3) auf das niedrigste Brennstoffsteuersignal der Brennstοffrege!einrichtungen anspricht;

durch eine Luftregeleinrichtung, die auf einen gewissen Betriebsparameter in einer ersten Betriebsart und auf einen anderen Betriebsparameter in einer zweiten Betriebsart anspricht, um ein Luftzufuhrsteuersignal zu liefern; und

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durch Einrichtungen (.105, 145), die auf das Luftzufuhrsteuersignal ansprechen, um die Luftzufuhr zu der Brennkammer zu regeln und einen Betriebsparameter der Gasturbine im wesentlichen konstant zu halten.
7· .Regelsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der gewisse Betriebsparameter die Abgastemperatur der Gasturbine (1) beinhaltet, während der andere Betriebsparameter die Drehzahl der Lastwelle (6) beinhaltet.
8. Regelsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen, die auf das LuftzufuhrSteuersignal ansprechen, enthalten:

eine Abblaseventilsteuereinrichtung (105), die auf einen ersten vorbestimmten LuftzufuhrSteuersignalbereich anspricht, um die Abblaseventile (44) der Gasturbine (1) entsprechend zu öffnen und zu schließen;

eine Einlaßleitschaufelsteuereinrichtung (145), die auf einen zweiten vorbestimmten Luftzufuhrsteuersignalbereich anspricht, um die Einlaßleitschaufeln (52) der Gasturbine entsprechend zu öffnen und zu schließen; und

eine Düsensteuereinrichtung (155), die auf einen dritten vorbestimmten Luftzufuhrsteuersignalbereich anspricht, um die Drehzahl der Verdichterwelle entsprechend zu verändern.
9. Gasturbinenregelsystem mit einer Einrichtung zum Regeln der Brennstoffzufuhr zu einer Brennkammer der Gasturbine gemäß einem von mehreren Regeleinrichtungen gebildeten Steuersignalen, das von einem Kiedrigstwertgatter durchgelassen wird, wobei jede Regeleinrichtung auf einen anderen Betriebsparameter des Gasturbinentriebwerks anspricht und ein entsprechendes Brennstoffsteuersignal an das Niedrigstwertgatter abgibt,

gekennzeichnet durch eine Einrichtung (60) zum Hegeln der Luftzufuhr zu der» Brennkammer (5) pemäß einem Luftzufuhrsteuersig-

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nal, das in einer ersten Betriebsart auf abgefühlte Temperaturzustände hin gebildet wird, um die Temperatur der Gasturbine (1) im wesentlichen konstant zu halten, und das in einer zweiten Betriebsart auf die abgefühlte Drehzahl der Gasturbine hin gebildet wird, um die Drehzahl der Gasturbine im wesentlichen konstant zu halten.
10. Regelsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (31, 34-» 37) zum Regeln der Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer (3) in der zweiten Betriebsart auf abgefühlte Temperaturzustände ansprechen, um die Temperatur im wesentlichen konstant zu halten, während die Luftzufuhr auf das Luftzufuhrsteuersignal hin verändert wird.

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