DE908811C - Einrichtung zur Regelung eines aus Gasturbine, Arbeitsmaschine und Verdichter bestehenden Maschinensatzes - Google Patents

Description

• Einrichtung zur Regelung eines aus Gasturbine, Arbeitsmaschine und Verdichter bestehenden Maschinensatzes Die Aufgabe jeder Kraftmaschinenregelung, Belastung und Leistung miteinander ins Gleichgewicht zu bringen, erfordert bei der Gasturbine andere Maßnahmen als bei der Dampfturbine, da bei der Gasturbine Energieerzeugung und Energieverbrauch unmittelbarer gekuppelt sind. Die Aufgabe läßt sich mit nicht allzu großen Schwierigkeiten dann lösen, wenn man den bei der Gasturbine benötigten Verdichter mit seiner Antriebsmaschine zu einem besonderen Maschinensatz vereinigt, der von der eigentlichen leistungserzeugenden Gasturbine getrennt ist. Dieser Fall soll jedoch hier nicht behandelt werden, sondern es sollen die Aufgaben betrachtet werden, die sich dann ergeben, wenn die Turbine mit dem zugehörigen Verdichter gekuppelt ist. Dann ist nämlich die Auswahl unter den zur Verfügung stehenden Regelmitteln wesentlich beschränkter als bei zwei getrennten Maschinensätzen.
• Zum Verständnis der Erfindung müssen zunächst die beiden bisher bekannten grundsätzlichen Regelarten solcher Maschinensätze besprochen werden.
• Bei dem einen Verfahren fördert der Verdichter bei allen Lasten die Auslegungsluftmenge auf den gleichen Druck. Die Antriebsleistung des Verdichters bleibt also immer die gleiche, unabhängig davon, ob die Leistung des .Stromerzeugers klein oder groß ist. Nun muß beim Übergang von einer größeren zu einer kleineren Generatorleistung die Gasturbinenleistung an der Kupplung entsprechend vermindert «erden. Diese Verminderung durch eine kleinere arbeitende Gasmenge zu erreichen, ist nicht möglich, weil ja die Durchsatzmenge der Turbine dieselbe ist wie die des Verdichters und diese, wie gesagt, gleichbleibt. Es muß also das Gefälle, das in der Tubine verarbeitet wird, entsprechend verringert werden. An dem Gegendruck kann nichts geändert werden, da die Turbine immer auf Auspuff arbeitet. Der Eintrittsdruck kann auch nicht geändert werden, weil die Verdichterleistung sich nicht ändert, also der Eintrittsdruck der gleiche bleibt. Die einzige Größe, die noch verändert werden kann, ist die Eintrittstemperatur. Man regelt also eine solche Maschine dadurch, daß man j e nach der Last die Brennstoffmenge verändert und hierdurch eine Änderung der Eintrittstemperatur hervorruft. Hierin liegt aber der Hauptgrund, warum bei Teillasten der thermische Wirkungsgrad der gesamten Anlage stark abfällt. Versuche, die von einem bekanntenFachmann ausgeführtwurden, haben gezeigt, daß bei dieser Art der Regelung der thermische Wirkungsgrad um a6% gegenüber dem Wirkungsgrad der Auslegung zurückgeht. Verdichter und Turbine arbeiten zwar bei allen Lasten mit der der Auslegung zugrunde gelegten Gasmenge und würden daher ihren Wirkungsgrad über den Lastbereich nicht ändern, jedoch tritt dieWirkungsgradabsenkung durch die stark verminderte Eintrittstemperatur der Turbine ein.
• Bei dem zweiten bisher bekanntenVerfahren geht man einen anderen Weg, und zwar den, die Eintrittstemperatur in die Turbine bei allen Lasten gleichzuhalten. Wenn aber die Temperatur gleichbleibt, kann man die Turbinenleistung an der Kupplung nur dadurch ändern, daß man die umlaufende Menge beeinflußt. Man schafft hierzu einen geschlossenen Kreislauf, der im Gleitdruckbetrieb arbeitet, d. h. man steigert den Druck mit steigender Last und läßt ihn mit sinkender Last fallen. Dadurch wird erreicht, daß der Wirkungsgrad im wesentlichen gleichbleibt. Da jedoch das umlaufende Luftgewicht verändert -,verden muß, kann man dieses Betriebsverfahren nur mit Hilfe von zusätzlichen Speichern durchführen. Diese Speicher geben bei Lastanstieg die Zusatzluftmenge ab, die für die erhöhte Leistung notwendig ist.
• Aus diesen beiden Verfahren ergibt sich nun die neue Erkenntnis, daß eine höchstwertige Regelung zweierlei gewährleisten.muß, nämlich: i. Die Eintrittstemperatur an der Turbine muß bei allen Lasten im wesentlichen gleichbleiben. Das hat zur Folge, daß die umlaufende Menge bei Teillasten kleiner werden muß. z. Verdichter und Turbine müssen auch bei Teillasten annähernd am Auslegungspunkt arbeiten, so daß ihr Wirkungsgrad bei Teillasten nicht wesentlich abfällt. Beide Bedingungen sollen voraussetzungsgemäß mit einem Maschinensatz erreicht werden; bei dem der Verdichter unmittelbar mit der Turbine gekuppelt ist. Die gewonnenen Ergebnisse werden in der Ausführung eines solchen Maschinensatzes dadurch verwirklicht, daß zwischen Turbine und Verdichter ein stufenloses Getriebe, insbesondere Flüssigkeitsgetriebe, geschaltet ist und die Verdichterdrehzahl derart eingestellt wird, daß unter Berücksichtigung des für die Verarbeitung der jeweiligen Luftmenge erforderlichen Eintrittsdruckes der Verdichter im wesentlichen an dem für die betreffende Belastung optimalen Punkt der Druckdurchsatzkennlinie arbeitet.
• Bei dieser Anordnung wird der Verdichter mit der jeweils notwendigenDrehzahl betrieben, während Turbine und Stromerzeuger mit gleichbleibender Drehzahl laufen. Die gleichbleibende Eintrittstemperatur in der Turbine ergibt; wie gesagt, bei Teillasten kleinere Luftmengen. Diese erhält man aber ohne Wirkungsgradänderung dadurch, daß der Verdichter entsprechend langsamer läuft.
• Das Schaubild einer Anlage gemäß der Erfindung ist in Fig. i dargestellt. Hierin bedeutet a den Verdichter, der von der Gasturbine c angetrieben wird, aber mit veränderter Drehzahl laufen soll, und d den Stromerzeuger. Zwischen die Gasturbine und den Verdichter ist ein stufenloses Getriebe b-b etwa in der Form eines Flüssigkeitsgetriebes zwischengeschaltet; e ist der Wärmeaustauscher zur Rückgewinnung der Abwärme, f die Brennkammer.
• Das Wesen der Regelung geht aus dem Schaubild der Fig. z hervor. Die stark ausgezogene Kurve gibt den Durchsatz durch den Verdichter und den Druck am Verdichteraustritt für einen gleichbleibenden inneren Wirkungsgrad des Verdichters an. Die Verdichterdrehzahl schreitet von links nach rechts von Punkt zu Punkt fort. Wenn man also den Verdichter so regeln würde, daß er beispielsweise bei 61% Durchsatz arbeitet und hierbei der Punkt A' erreicht wird, der einen Druck Pö entspricht,-so würde, wenn die Turbine diese Luftmenge bei der Last von 61% verarbeitet, der optimale Wirkungsgrad erreicht werden. Nun. ist aber zu bedenken, daß auf Grund der bekannten Gesetzmäßigkeit diese Durchsatzmenge des Verdichters nicht durch die Turbine hindurchgedrückt werden kann. Hierzu ist ein höherer Druck, und zwar der Druck P1 erforderlich, der auf der gestrichelten Kurve für die Durchsatzmenge der Turbine liegt. Um diesen Punkt zu erreichen, muß die Drehzahl des Verdichters etwas erhöht werden, denn er liegt auf der punktierten Kurve für rund 67 % der Verdichterdrehzahl. Diese Kennlinie schneidet aber die stark ausgezogene Kurve nicht im Punkt A', sondern im PunktA, die einem Durchsatz von rund 67 % des Verdichters entspricht. Um also die einem Durchsatz von. 61% der Turbine entsprechende Luftmenge zu liefern, muß die Verdichterdrehzahl von 61% auf rund 67 % erhöht werden. Der Abstand zwischen den Punkten A' und A bedeutet daher eine Abweichung von dem optimalen Punkt. Diese Abweichung ist aber so gering, daß sie auf den Wirkungsgrad nur von untergeordnetem Einfluß ist. Eine Voraussetzung ist bei diesem Verfahren allerdings zu machen, nämlich die, daß die Drehzahlkennlinien, für die im Diagramm der Fig. 2, noch zwei weitere punktiert eingezeichnet sind, sehr steil verlaufen, denn nur unter dieser Voraussetzung liegen die Punkte AM, C'-C usw. so eng beieinander, daß die Wirkungsgradabweichung gering ist. Im Auslegungspunkt D dagegen stimmen sie miteinander überein. Die große Steilheit der Kennlinien läßt sieh insbesondere dann erreichen, wenn man den Verdichter mit einem vielstufigen, radial beaufschlagten Schaufelgitter ausrüstet.

Claims (2)

1. PATENTANSPRUCH: Einrichtung zur Regelung eines aus Gasturbine, Arbeitsmaschine und Verdichter bestehenden Maschinensatzes, bei dem der Verdichter mit der Turbine gekuppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Turbine und Verdichter ein stufenloses Getriebe, insbesondere Flüssigkeitsgetriebe, geschaltet ist und die Verdichterdrehzahl derart eingestellt wird, daß unter Berücksichtigung des für die Verarbeitung der jeweiligen Luftmenge erforderlichen Eintrittsdruckes der Verdichter im wesentlichen an dem für die betreffende Belastung optimalen Punkt der Druckdurchsatzkennlinie arbeitet. Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 675 882; Zeitschrift des Vereins deutscher Ingenieure, Bd.85 (194I) @Tr.5i/52, S.98i, und Bd.82 (i938) K- r.
2. 2, S. 53.