-
Vorrichtung zur Regelung von Kaplanturbinen Die Erfindung bezieht
sich auf eine Vorrichtung zur Regelung von Kaplanturbinen, bei der die Leitschaufeln
und die Laufradschaufeln durch je einen hydraulischen Servomotor in der Weise
verstellt werden, daß die Verstellung der Laufschaufeln in Ab-
hängigkeit
von der der Leitschaufeln und nacheilend zu dieser erfolgt, und weiter Mittel vorgesehen
sind, um bei plötzlicher Entlastung der Turbine die Leitschaufeln anfänglich schnell
zu schließen, bis das Moment der Turbine bei der anfänglichen Stellung derLaufradschaufeln
demLe-erlaufmoment entspricht, und sie dann nach Maßgabe der nachfolgenden Verstellung
der Laufradschaufeln weiter in dem Maße zu schließen, daß das Turbinenmoment das
jeweils erforderliehe Leerlaufmoment nicht übersteigt.
-
Bei Kaplanturbinen muß der Winkel der Laufradschaufeln in ein-er bestimmten
Beziehung zu der Öffnung der Leitschaufeln stehen, damit die Turbine mit dem höchsten
Wirkungsgrad arbeiten kann. Gewöhnlich wird die Leitschaufeleinstellung üher einen
oder mehrere hydraulische Servomotoren gesteuert und der Laufradschaufelwinkel in
Abhängigkeit von der Einstellung der Leitschaufeln über eine Kurvenbahn und andere
Servomotoren eingestellt. Das System von Servomotoren für die Laufradschaufeleinstellung
erhält indessen, wenn die Ab-
messungen der Motoren nicht untragbar groß oder
die mechanischen Beanspruchungen nicht zu groß werden sollen, eine wesentlich längere
Laufzeit als die Servornotoren für die Leitschaufeleinstellung. Bei normalem Betrieb
hat dieses Verhältnis keine ungünstige Einwirkung, da hierbei im allgemeinen eine
genügend lange Zeit zur Verfügung steht, so daß der Regelverlauf den obengenannten
gewünschten Zusammenhang aufrechterhalten kann.
-
Treten dagegen große und schnelle Belastungsänderungen ein, beispielsweise
bei plötzlicher Entlastung, so bedingen gerade die Ungleichheiten in der Laufzeit
der Servomotoren, daß die günstige Beziehung zwischen der Einstellung der Leitschaufeln
und der Laufradschaufeln sich nicht hinreichend schnell einstellen kann. Eine Folge
der ungenügenden Übereinstimmung zwischen der öffnung der Leitschaufeln und dem
Winkel der Laufradschaufeln ist, daß das rasch fallende Turbinenmoment negativ werden
kann. Der Vorzeichenwechsel des Turbinenmomentes ist jedoch von größtem Nachteil,
da hierbei das Turbinenaggregat nach oben gerichteten Kräften ausgesetzt ist, die
eine beträchtliche Höhe erreichen können mit der Gefahr, daß die Lager oder andere
Teile der Turbine oder Teile des Generators beschädigt werden. Eine andere unvorteilhafte
Wirkung bei einer derartigen Entlastung besteht darin, daß die Drehzahl der Turbine,
nachdem sie auf einen hohen Wert gestiegen ist, infolge der bremsenden Wirkung der
Turbine, wenn ihr Moment das Vorzeichen gewechselt hat, auf einen niedrigen Wert
fällt, wobei diese Drehzahländerung bedingt, daß die elektrischen Maschinen, die
nach der Entlastung weiterhin von einem von der Turbine angetriebenen Generator
gespeist werden, beträchtlichen Frequenzänderungen unterworfen werden.
-
Der Zweck der Erfindung ist, die Schließbewegung des Turbinenreglers
in besonders vorteilhafter Weise von dem Turbinenmoment abhängig zu machen, so daß
das Moment daran gehindert wird, einen solchen Wert anzunehmen, der die obengenannten
Nachteile mit sich führt, und daß statt dessen dem Moment eine solche Größe gegeben
wird, daß ein vorteilhafter Verlauf bei Entlastung oder beim Stillsetzen des Aggregates
erhalten wird.
-
Dies-er Zweck wird erfindungsgemäß erreicht durch ein mittels zweier
Spulen elektrisch betätigtes Steuerorgan für die Steuerung der Druckmittelzufuhr
zum Servomotor für die Verstellung der Leitschaufeln, das wahlweise durch zwei elektrische
Größen beeinflußt
werden kann, von denen die erste von der Drehzahl
oder Belastung der Turbine abhängt und auf die eine der Spulen einwirkt, während
die zweite von der Stellung der Laufradschaufeln zu der der Leitschaufeln abhängig
ist und auf die andere der Spulen einwirkt, wobei für die w- ahlweise Beeinflussung
des Stenerorgans ein Umschaltorgan von der ersten auf die zweite elektrische Größe
vorgesehen ist, das bei plötzlicher Entlastung der Turbine wirksam wird.
-
In der Zeichnung zeigt Fig. 1 ein Schaubild des Turbinenmomentes,
des Laufrads(#haufelwinkels, der Leitschaufelöffnung und der Frequenz als Funktion
der Zeit, und Fig. 2 zeigt ein Schaubild des Turbinenmornentes als Funktion der
Leitschaufelöffnung für einige verschiedene Werte des Laufradschaufelwinkels; Fig.
3 zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung gemäß der Erfindung
unter Verwendung eines elektrohydraulischen Turbinenreglers und Fig. 4 eine Abänderung
einer Einzelheit in der Anordnung nach Fig. 3.
-
In Fig. 1 ist die Abszisse die Zeitachse, und die Kurven sind
hier als Funktion. der Zeit eingetragen, wobei die gestrichelten Linien sich auf
den Verlauf ohne die erfindungsgemäße Vorrichtung beziehen und die voll ausgezogenen
Linien einen Verlauf angeben, der durch die Erfindung erzielt werden kann. Auf der
Ordinate gehen alle Kurven von dem Wert 1 aus, der normalen Betrieb kennzeichnet.
Die Kurven geben in der Reihenfolge von oben an: die Frequenz f, den Lauf
radschauf elwinkel ß, die Leitschauf elöffnung a und das »ÜI)erschußmonient« M-A,10'
d. h. das Moment, das von der Turbine nach Abzug des Leerlaufmornentes
M, abgegeben wird, Der Leitschaufelwinkel a wird von der Schließlage der
Leitschaufeln aus gerechnet, d. h. er ist gleich Null, wenn die Leitschaufeln
einander berühren. Der Laufradschaufelwinkel wird von der waagerechten Lage der
Laufradschaufeln aus gerechnet, d. h. er ist gleich Null, wenn diese praktisch
waagerecht liegen.
-
Wenn bei der Entlastung das Schließ-en der Leitschaufeln der Turbine
geradlinig bis auf Null gemäß der Kurve a geschehen kann, treten die ungünstigen
Verhältnisse ein, die durch die gestrichelten Teile der Kurven dargestellt sind.
Wenn die Leitschaufeln ganz geschlossen sind, hat also. das Moment,11-.U,' nachdem
es geradlinig auf Null gesunken ist, das Vorzeichen gewechselt und einen negativen
Mindestwert angenommen. Infolge der programmgesteuerten Koppelung zwischen der Leitschaufel-
und der Laufradschaufelstellung tritt ein Regelverlauf ein, der durch die anschließenden,
gestrichelten Linien dargestellt ist. Die Frequenz f hat hierbei aus demselben
Grunde Pendelungen zwischen einem Wert ausgeführt, der den normalen beträchtlich
übersteigt, und einem Wert, der den normalen unterschreitet. Während des Teiles
des Verlaufs, der in dem Schaubild dargestellt ist, hat, wie ersichtlich, der Laufradschaufelwinkel
ß nur eine verhältnismäßig unbedeutende Änderung erfahren.
-
In Fig. 2 wird das oben erläuterte überschußmoment als Funktion der
Leitschaufelöffnung für drei fallende Werte des Laufradschaufelwinkels, ßl, ß--
ß., dargestellt. Der für die Turbine günstigste Arbeitspunkt ist für jeden Wert
des Laufradschaufelwinkels mit einem Punkt angegeben. Bei normalem Betrieb, dem
gemäß Fig. 1 der Wert 1 auf der Ordinate entspricht, sei nach Fig.
2 angenommen, daß der Arbeitspunkt der Turbine mit dem Punkt auf der Kurve ß, zusammenfällt.
Nach einer plötzlichen Entlastung wird die Leitschaufelöffnung, wie erwähnt, rasch
verkleinert, während der Laufradschaufelwinkel anfangs als konstant betrachtet werden
kann. Bei einem solchen Verlauf kann man daher annehmen, daß das Moment auf Null
nach der Kurve ß, fällt und daß es darauf weiter sinkt, nachdem es das Vorzeichen
gewechselt hat. Wenn das Moment den Null-
wert unterschreitet, treten indessen
die obengenannten schädlichen Wirkungen am Turbinenaggregat auf, dadurch, daß dieses
nach aufwärts gerichteten Kräften ausgesetzt wird, die eine erhebliche Größe annehmen
können. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird die Schließgeschwindigkeit der Leitschaufeln
zu einem Zeitpunkt geändert, wo das ,Moment einen Wert annimmt, den man im weiteren
Verlauf im wesentlichen unverändert beibehalten will, und darauf die Schließbewegung
der Leitschaufeln gesteuert, so daß der zuletzt genannte Wert des Momentes beibehalten
wird. In Fig. 1 wurde dieser Wert so gewählt, daß das überschußmoment Null
wird. Beim Vergleich mit Fig. 2 bedeutet dies, daß verhindert wird, daß das Moment
nach der Kurve ß, unter den _NN ullwert bei fortgesetzter Schließbewegung fallen
kann und daß es statt dessen erreicht wird, daß es den Wert Null beibehält in dem
Maß, wie der Laufradschaufelwinkel durch die Einwirkung der Kurvenbahnsteuerung
verringert wird, durch welche nacheinander den Kurven ß" ß2 und P" gefolgt wird.
-
In Fig. 3 ist schematisch eine erfindungsgemäße Ausführungsform
dargestellt in ihrer Verwendung bei einer Turbine mit elektrohydraulischem Regler.
Die Turbine 1 hat einstellbare Laufradschaufeln 2 und Leitschaufeln
3, die in der üblichen Weise mittels Gelenke mit einem Leitschaufelring 4
verbunden sind. Der in der Welle 5 der Turbine eingebaute Servomotor
6 ist größerer Deutlichkeit wege n in etwas vergrößertem Maßstab gezeigt.
Der Kolben dieses Servomotors ist mit der Kolbenstange 7 fest verbunden,
die bei ihrer Aufwärts- oder Abwärtsbewegung die Einstellung der Schaufeln beeinflußt.
In der Fig. 3 ist ein einfaches Hebelarmsystem zur Erzielung dieser Bewegung
der Schaufeln dargestellt, die auf einer kreisförmigen Scheibe angeordnet sein können,
auf der ein exzentrisch gelagerter Zapfen den Lagerpunkt für das genannte Hebelarmsystem
bildet. Der Servomotor 6 wird von dem Steuerventil 8 gesteuert, durch
das Druckflüssigkeit nach der Ober- oder Unterseite des Kolbens des Servomotors
geleitet wird. Der Schieber des Steuerventils ist in der Nähe des Mittelpunktes
des Hebelarms 9 gelagert, dessen eines Ende an der Kolbenstange
7 und dessen anderes Ende mit einer kurzen Stange 10 beweglich verbunden
ist, die vertikal bewegt werden kann und mit einer Rolle gegen eine Kurvenbahn auf
einem Segment 11 abgestützt ist. Eine Verbindungsstange 12 überträgt zum
Segment 11 die Bewegung des Gestänges 13, das die Einstellung des
Leitschaufelringes 4 betätigt. Das Gestänge 13 wird von einem Servornotor
14 betätigt, dessen Steuerschieber 15 mit einem elektrisch betätigten Steuergerät
16 verbunden ist. Dieses wird durch zwei Spulensysteme bewegt, von denen
das eine, 17, mit dem Turbinenregler 18 und das andere,
25, mit zwei die Laufrad- und Leitschaufelstellungen registrierenden Potentiometern
19 und 23 verbunden ist.
-
Das obere Ende der Kolbenstange7 beeinflußt die Lage des beweglichen
Kontaktes eines Potentiometers 19, das an eine Gleichspannung durch die Klemmen
20 angeschlossen ist. Auf dem Gestänge 13
ist eine Kurvenführung21 angeordnet,
auf deren
oberer Fläche eine an einer vertikal beweglichen Stange22
angeordnete Rolle abgestützt ist. Die Stange22 steuert die bewegliche Klemme eines
Potentiometers23, das mit seinen Klemmen24 an dieselbe Gleichspannungsquelle wie
die Klemmen20 angeschlossen ist. Die beweglichen Klemmen der Potentiometer
19 und 23 sind an die Enden des Spulensystems 25 des Steuergerätes
16 angeschlossen. In den Zuleitungen zu den Steuerspulen 17 und
25 sind die Kontakte eines Umschaltrelais 26 angeordnet, wodurch die
eine oder die andere Steuerspule ausgeschaltet werden kann. Das Relais
26 kann beispielsweise als frequenzfühlendes oder drehzahlfühlendes Relais
und an eine Spannung angeschlossen gedacht werden, deren Frequenz sich nach der
Kurve f in Fig. 1 ändert.
-
Die normale Turbinenregelung wird von dem Regler 18 besorgt,
wobei das Relais 26 die Steuerspule 17 eingeschaltet hält. Bei normaler
Regelung erfolgt zuerst die Einstellung des Leitschaufelringes 4 mit Hilfe des Servomotors
14, und in Abhängigkeit hiervon wird die Kurvenbahn 11 so gesteuert, daß
die Laufradschaufeln die für den höchsten berechneten Wirkungsgrad der Turbine richtige
Einstellung erhalten.
-
Bei einer plötzlichen Entlastung und infolge der damit verbundenen
erhöhten Drehzahl des Turbinenaggregats tritt das Relais 26 in Tätigkeit,
unterbricht die Steuerspule 17 und schaltet die Steuerspule 25
ein.
Die Steuerung der Servomotoren der Turbine wird nun von dem Stromkreis übernommen,
der durch die Potentiorneter 19 und 23 und die Steuerspule
25 gebildet ist. Die obere Fläche der Kurvenführung 21 soll eine solche Form
haben, daß in dem genannten Stromkreis die Spannung Null wird, wenn das Moment M-.lkl,
der Turbine beispielsweise Null wird und daß die Umkehrung der Polarität im Stromkreis
gleichzeitig dann bewirkt wird, wenn das Moment sein Vorzeichen zu ändern bestrebt
ist. Die Polarität im Stromkreis ist dabei so, daß bei einem positiven Moment gemäß
der Fig. 2 eine Schließbewegung erzielt wird. Die Zeit für eine vollständige Schließung
der Laufradschaufeln ist jedoch, wie erwähnt, wesentlich länger als die für das
vollständige Schließen der Leitschaufeln erforderliche Zeit; aber dadurch, daß die
Kolbenstange 7 das Potentiometer 19 und die Kurvenführung 21 das Potentionieter
23
steuert, ist es möglich, einen Regelverlauf zu erhalten, bei dem die Schließgeschwindigkeit
der Leitschaufeln begrenzt ist.
-
Bei der in Fig. 4 gezeigten Abänderung ist nur der rechte Teil der
Fig. 3 geändert, indem das Umschaltrelais 26 in Wegfall gekommen und
statt dessen ein Stromventil 29 im Stromkreis der Steuerspule 25 angeordnet
ist. An den Punkten 27 und 28 soll die Anordnung nach Fig. 4 an die
entsprechenden Punkte in dein Schaltbild nach Fig. 3 angeschlossen sein.
Bei dieser Ausführungsform ist der Turbinenregler 18
ständig eingeschaltet,
und während eines normalen Regelverlaufes sind die Potentiorneter 19 und
23 so gesteuert, daß das Ventil 29 im wesentlichen in Abhätigigkeit
von der Formgebung der Kurvenführung 21 sperrt. Die Steuerspule 25 muß natürlich
bedeutend kräftiger bemessen, werden als die Steuerspule 17. Bei einer plötzlichen
Entlastung wird die Kurvenführung 21 und mit ihr der bewegliche Kontakt des Potentiometers
23 verschoben. Die Anordnung muß dabei aus den oben angegebenen Gründen so
sein, daß der Wechsel der Polarität im Stromkreis durch die Steuerspule
25 zu einem Zeitpunkt erhalten wird, wo der Vorzeichenwechsel des Momentes
stattgefunden haben sollte. Beim Wechsel der Polarität fließt ein Strom durch das
Ventil 29 und somit durch die Spule 25, die so angeordnet ist, daß
der Steuerschieber 15
dem Servomotor 14 eine solche Bewegung erteilt, daß
die Leitschaufeln schließen.