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.Device for regulating a gas turbine, working machine and
Compressor existing machine set The task of every engine control,
Bringing workload and performance into equilibrium requires
Gas turbine measures different from those of the steam turbine, since the gas turbine generates energy
and energy consumption are coupled more directly. The task can not be done with
Solve all too great difficulties if you need that for the gas turbine
Compressor combined with its prime mover to form a special machine set,
which is separated from the actual power-generating gas turbine. This case
should not be dealt with here, but the tasks should be considered
that arise when the turbine is coupled to the associated compressor
is. Then the choice is made from the available control means
much more restricted than with two separate machine sets.
Zum Verständnis der Erfindung müssen zunächst die beiden bisher bekannten
grundsätzlichen Regelarten solcher Maschinensätze besprochen werden.To understand the invention, the two previously known must first
basic types of rules for such machine blocks are discussed.
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.In one method, the compressor promotes the with all loads
Design air volume to the same pressure. The drive power of the compressor
so always remains the same, regardless of whether the output of the .Stromergenerator
is small or large. Now you have to move from a larger to a smaller one
Generator power reduces the gas turbine power at the clutch accordingly
"earth. This reduction through
a smaller amount of gas working
to achieve is not possible because the turbine throughput is the same
is like that of the compressor and this, as I said, remains the same. So it has to be
The gradient that is processed in the tubine can be reduced accordingly. At
Nothing can be changed in the back pressure, as the turbine is always working on the exhaust.
The inlet pressure cannot be changed either because the compressor capacity
does not change, so the inlet pressure remains the same. The only size
which can still be changed is the inlet temperature. So you regulate one
such a machine by changing the amount of fuel depending on the load
and thereby causes a change in the inlet temperature. But that is where it lies
the main reason why at partial loads the thermal efficiency of the entire system
drops sharply. Experiments carried out by a known person skilled in the art
shown that with this type of control the thermal efficiency is compared to a6%
the efficiency of the design decreases. The compressor and turbine are working
at all loads with the gas quantity on which the design is based and would therefore
do not change their efficiency over the load range, but the efficiency decrease occurs
due to the greatly reduced inlet temperature of the turbine.
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.The second previously known method takes a different route,
namely to keep the inlet temperature into the turbine the same for all loads.
But if the temperature stays the same, the turbine output can be controlled at the clutch
change only by influencing the amount in circulation. You can do this
a closed circuit operating in sliding pressure mode, d. H. one increases
the pressure with increasing load and lets it fall with decreasing load. This will
achieves that the efficiency remains essentially the same. However, since the circulating
Air weight changed - this operating method can only be used with the help of verden
from additional stores. When the load increases, these memories provide the
Additional air volume that is necessary for the increased performance.
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.From these two procedures the new knowledge arises that
A high-quality regulation must guarantee two things, namely: i. The inlet temperature
at the turbine must remain essentially the same for all loads. This has the consequence
that the circulating amount must be smaller with partial loads. z. Compressor and turbine
must work approximately at the design point even with partial loads, so that their efficiency
does not decrease significantly at partial loads. Both conditions are supposed to be
can be achieved with one machine set; in which the compressor is directly involved
the turbine is coupled. The results obtained are used in the execution of a
such a set of machines realized that between the turbine and compressor
a continuously variable transmission, in particular a fluid transmission, is connected and
the compressor speed is set in such a way that, taking into account the for
the processing of the respective air volume required inlet pressure of the compressor
essentially at the point of the pressure throughput characteristic that is optimal for the load in question
is working.
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.With this arrangement, the compressor runs at the speed required in each case
operated while the turbine and generator run at a constant speed.
The constant inlet temperature in the turbine results in; as I said, with partial loads
smaller amounts of air. However, this is obtained without a change in efficiency by the fact that
the compressor runs correspondingly slower.
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.The diagram of a plant according to the invention is shown in FIG.
Herein, a means the compressor driven by the gas turbine c, but
should run at a different speed, and d the generator. Between the gas turbine
and the compressor is a continuously variable transmission b-b roughly in the form of a fluid transmission
interposed; e is the heat exchanger for recovering the waste heat, f
the combustion chamber.
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.The nature of the control can be seen from the diagram in FIG. The solid curve indicates the throughput through the compressor and the pressure at the compressor outlet for a constant internal efficiency of the compressor. The compressor speed advances from left to right from point to point. If one were to regulate the compressor in such a way that it works, for example, at 61% throughput and in this case point A 'is reached, which corresponds to a pressure Pö, then, if the turbine processes this amount of air at the load of 61%, the optimal efficiency can be achieved. So. However, it must be remembered that due to the known law, this throughput of the compressor cannot be pushed through the turbine. This requires a higher pressure, namely the pressure P1, which is on the dashed curve for the flow rate of the turbine. In order to reach this point, the speed of the compressor must be increased a little, because it lies on the dotted curve for around 67% of the compressor speed. However, this characteristic does not intersect the strongly drawn-out curve at point A ', but at point A, which corresponds to a throughput of around 67% of the compressor. So in order to achieve a throughput of. To deliver the amount of air corresponding to 61% of the turbine, the compressor speed must be increased from 61% to around 67%. The distance between points A ' and A therefore means a deviation from the optimal point. However, this deviation is so small that it only has a subordinate influence on the efficiency. A prerequisite is to make in this process, however, namely that the speed curves are drawn for the diagram of FIG. 2, two more dots, very be steep for only under this condition are the points AM, C ' C etc. so close together that the efficiency deviation is small. In the interpretation point D, however, they agree with each other. The steepness of the characteristic curves can be achieved in particular if the compressor is equipped with a multi-stage, radially acted vane grid.