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Verfahren und Einrichtung zum Begrenzen der Höchst-Durchgangsdrehzahl
bei doppeltregulierten Kaplan-Turbinen Wird eine Wasserturbine völlig entlastet,
so erhöht sich ihre Drehzahl so lange, bis praktisch die gesamte, mit der antreibenden
Flüssigkeit zugeführte Energie innerhalb der Turbine durch Reibungs- und Umsetzungsverluste
vernichtet ist. Es stellt sich dabei im Beharrungszustand die sogenannte Durchgangsdrehzahl
ein. In diesem Zustand wird affso nach außen kein nutzbares Moment abgegeben.
Es wird nur ein vernachlässigbar kleiner Teil der Energie der Antriebsflüssigkeit
zur überwindung der äußeren Verluste, wie Lagerreibungsverluste, Ventilationsverluste,
gegebenenfalls Getriebeverluste usw., umgesetzt.
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Die Verluste innerhalb einer Kaplan-Turbine und damit die Durchgangsdrehzahl
einer solchen hängen bei gegebener Fall- und Saughöhe sehr stark von der jeweiligen
öffnung, des Leitapparates und des Laufrades ab. Die maximale Durchgangsdrehzahl,
die dabei überhaupt auftreten kann, stellt sich demzufolge bei einer bestimmten
Kombination zwischen Leit- und Laufradöffnung ein. Diese gehört normalerweise nie
zu den Zuordnungen zwischen Leit- und Laufradöffnung, die eingehalten werden müssen,
um die Turbine im normalen Betriebsgebiet stets mit dem bestmöglichen Wirkungsgrad
zu betreiben. Bei Einhaltung dieser »normalen« Abhängigkeit zwischen Leit- und Laufradöffnung
bleibt die Durchgangsdrehzahl immer unter dem höchstmöglichen Wert. Da aber die
Koppelung zwischen Leit- und Laufradöffnung nicht starr und zwangläufig ist, kann
sich unter Umständen auch jede andere Kombination einstellen, also auch diejenige,
bei der die Durchgangsdrehzahl ihren maximalen Wert erreicht. Mit Rücksicht auf
die Folgen ist es daher allgemein üblich, die Turbine und vor allem den Generator
konstruktiv für den Betrieb bei höchstmöglicher Durchgangsdrehzahl auszubilden.
Da die maximale Durchgangsdrehzahl einer Kaplan-Turbine aber bis zum Dreifachen
der Betriebsdrehzahl und sogar darüber ansteigen kann, hat dies den Nachteil, daß
dadurch in den meisten Fäglen erhebliche Mehrkosten entstehen. Darum ist es das
Bestreben, die der Berechnung von Turbine und Generator zugrunde zu legende Durchgangsdrebzahl
mittels geeigneter Maßnahmen herabzusetzen. Hierfür gibt es neben der Entwicklung
geeigneter Kaplanbeschaufelungen, bei denen - unter Erfüllung der im normalen
Betriebsgebiet an sie gestellten Forderungen -die »maximale Durchgangsdrehzahl«
möglichst niedrig, hegt, eine Reihe bekannter Maßnahmen.
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So ist es z. B. bekannt, Elemente vorzusehen, die bei »Durchgang«
der Turbine so in die Strömung eingeführt werden, daß sie zusätzlich deren Energie
vernichten, so daß der Beharrungszustand schon bei niedrigeren Durchgangszahlen
erreicht wird. Hierzu gibt es eine Reihe von Vorschlägen. Der Einsatz dieser Zusatzeinrichtungen,
z. B. Bremsflügel, wird von dem mit steigender Drehzahl eintretenden Zuwachs der
Fliehkraft gesteuert.
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Ebenso ist es bekannt, den Generator bei Lastabfall durch Einschalten
eines zusätzlichen Wasserwiderstandes zu belasten, bevor die höchste Drehzahl erreicht
ist.
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Eine weitere bekannte Maßnahme besteht darin-, zwischen Turbine und
Generator eine Kupplung an-, zuordnen, die bei überdrehzahl automatisch gelöst wird,
um dadurch den Generator abzukuppeln. Diese Maßnahme geht von der überlegung aus,
daß bei Berücksichtigung der maximalen Durchgangsdrehzahl die höchsten zusätzlichen
Kosten beim Generator auftreten.
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AN diesen Maßnahmen haftet der wesentliche Mangel an, daß sie
im gegebenen Augenblick versagen können. Aus diesem Grunde haben sie bisher keine
große praktische Bedeutung gewinnen können.
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Es ist daher zweifellos günstiger, zum Begrenzen der Durchgangsdrehzahl
die hydraulischen Vorgänge in der Turbine selbst heranzuziehen. Wird in einem Schaubild
bei gegebener Fall- und Saughöhe die Durchgangsdrebzahl in Abhängigkeit von der
Leitradöffnung a, und von der Laufradöffnung 99 aufgetragen, so ist zu erkennen,
daß in einem weiten Bereich der Leitradöffnung oberhalb eines Grenzwertes die Höhe
der Durchgangsdrebzahl praktisch nur von
der Laufradöffnung abhängL
Die Durchgangsdrehzahl ist bei geschlossenem Laufrad verhältnismäßig niedrig, steigt
aber mit wachsender Laufradöffnung sehr schnell zu einem Höchstwert an und fällt
dann wieder ab. Der Höchstwert wird bei einem Laufradwinkel erreicht ' der
im normalen Betriebsbereich zu einer Turbinenleistung gehört, die - von den
jeweiligen Bedingungen abhängig - mehr oder weniger -unter der halben Volleistung,
also schon im Teillastbereich liegt. Von dieser Tatsache wird zur Herabsetzung der
maximal möglichen Durchgangsdrehzahl bereits in der Weise Gebrauch gemacht, daß
die Laufradöffnung nach unten begrenzt, d. h. die kleinste einstellbare Laufradöffnung
größer gewählt wird als die zur maximal möglichen Durchgangsdrehzahl gehörige Laufradöffnung.
Je größer hierbei die Differenz ist, desto stärker wird die maximale Durcligangsdrehzahl
herabgesetzt. Dabei ist aber in Kauf zu nehmen, daß der für Kaplan-Turbinen bezeichnende
flache, Teillastwirkungsgrad:verlauf nur bis zu der gewählten kleinsten Laufradöffnung
herab ausgenutzt werden kann und daß dann bei weiterer Lastsenkung längs der Propellerkurve
dieser kleinsten Öffnung zu fahren ist, wodurch in diesem Bereich der Wirkungsgrad
sehr stark abfällt, nämlich auf die für einfach geregelte Propellerturbinen gültigen
Werte.
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Dieser Weg zur Vermeidung der maximalen Durch-Crangsdre-lizahl ist
vor Dem dann vertretbar, wenn in der Turbinenanlage mehrere Maschinen arbeiten,
da sich dann der erwähnte Nachteil nur wenig auswirkt, weil in einem weiten Bereich
eine, Anpassung an die anfallende Wassermenge durch Zu- und Abschalten einzelner
Maschinen möglich ist.
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In vielen Fällen ist dieser Weg aber nicht gangbar, z. B. dann, wenn
nur eine oder zwei Türbinen vorhanden sind oder wenn aus irgendwelchen Gründen auf
die bestmögliche Verarbeitung auch kleiner Wassermengen Wert gelegt wird. Auch weitere
Fragen, wie z. B. die nach der Leerlaufwasse-rinenge, Synchronisation, Notschlußsteuerung
usw., spielen eine Rolle.
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Bei einer anderen bekannten Einrichtung soll eine zu starke Abweichung
von der günstigsten ao,99-Zuordnung im Sinne einer zu großen Leitradöffnung oder
einer zu großen Laufradöffnung zwecks Vermeidung instabiler Regelvorgänge unterbunden
werden, die dadurch bedingt sind, daß die Leistung bei erheblichen Abweichungen
im beschriebenen Sinn trotz weiteren Öffnens des Leitrades oder des Laufrades absinkt,
weil der Wirkungsgrad infolge der ungünstigen a0,#p-Einstellung stärker absinkt,
als der Durchfluß zunimmt. Bei dieser Einrichtung wird das öffnen des Leitrades
nicht von der Bewegung der Laufradverstelleinrichtung selbst, sondern nur von der
Stellung des zugehörigen Steuerkolbens abgeleitet. Diese Einrichtung ist daher nicht
geeignet, das öffnen des Leitrades in Abhängigkeit von der jeweiligen Laufradöffnung
auf einen eindeutigen Wert und mit genügender Zuverlässigkeit zu begrenzen (beispielsweise
bei Undichtheit im Sperrventil bei einer hydraulisch betätigten Begrenzungseinrichtung),
zumal die Begrenzung der Leitradöffnung zum Teil auch von der Schnelligkeit des
eingeleiteten, direkt auf die Leitradverstollung wirkenden Regelvorganges abhängt.
Bei den in der bekannten Einrichtung gezeigten Anordnungen kann außerdem durch Abheben
der einseitig, auf einer Kurvenbahn geführten Rolle - sei es absichtlich
oder durch Verklemmungen im Gestänge -, über die der Steuerkolben des Laufradstellmotors
betätigt wird, jede beliebig große Leitradöffnung unabhängig von der jeweiligen
Laufradöffnung eingestellt werden.
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Ein weiterer bekannter Vorschlag betrifft eine Regeleinrichtung mit
zwei vom Regler parallel betätigten Stellgliedern zur direkten Steuerung des Leitrad-
und des Laufradstellmotors. Diese Regeleinrichtung bezweckt, höhere Durchgangsdrehzahlen,
als sie bei normalem a"q)-Zusanimenhang zwischen den Stellungen des Leitapparates
und des Laufrades auftreten, gänzlich zu vermeiden. Dies wird vorschlagsgemäß dadurch
erreicht, daß Sperrvorrichtungen vorgesehen sind, die bei vorgegebener Stellung
des Leitapparates ein weiteres Schließen des Laufrades und bei vorgegebener Stellung
des Laufrades ein weiteres Öffnen des Leitapparates als bis zu der dem normalen
ao,q#-Zusamme#nhang entsprechenden Stellung verhindern.
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Nachteilig an dieser Einrichtung ist, daß die vorgeschrieben,en a,),99-Kurve,
besten Wirkungsgrades nirgends überschritten werden kann, auch da nicht, wo es im
Hinblick auf die Durchgangsdrehzahl zulässig bzw. wo es sogar erwünscht ist, z.
B. beim Anfahren der Turbine oder bei Leistungsmessungen.
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Zum Begrenzen der Höchst-Durchgangsdrehzahl bei doppeltregulierten
Kaplan-Turbinen mit einem Regler, dessen Stellglied direkt nur auf die Steuerung
des einen der beiden Stellmotoren für die Lauf- und Leitschaufelverstellung wirkt
und wobei die Verstel-#ung des anderen Stellmotors von der Verstellbewegang des
direkt gesteuertenTeils abgeleitet ist, schlägt nun die Erfindung vor, daß bei Erreichen
vorgegebener, höchstens aber der Höchst-Durchgangsdrehzahl entsprechender Zuordnungen
zwischen der Leitradöffnung und der Laufradöffnung infolge zu starken Voreilens
der Leitrad-öffnungsbewegung bzw. der Laufrad-Schließbewegung das weitere öffnen
bzw. Schließen zunächst verhindert wird und dann das weitere öffnen bezw. Schließen
in Abhängigkeit von der nacheilenden Verstellbewegung des abhängig gesteuerten Stellmotors
so lange auf vorgegebene, höchstens der Höchst-Durchgangsdrebzahl entsprechende
Zuordnungen begrenzt wird, bis das Voreilen der Öffnungs- bzw. der Schließbewegung
wieder ein zulässiges Maß angenommen hat.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Begrenzen der Höchst-Durchgangsdrehzahl
hat insbesondere den Vorteil, daß die a0,99-Kurve besten Wirkungsgrades in begrenztem
Maße über-schritten werden kann, was z. B. bei Leistungsmessungen und beim Anfahren
der Turbine erwünscht ist. Gleichzeitig ist aber sicher gewährleistet, daß höhere
Durchgangsdrehzahlen, als sie einem bestimmten, im voraus festgelegten Punkt entsprechen,
nicht auftreten können. Durch einige Bemerkungen an Hand der Fig. 1 soll
dies näher erläutert werden.
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In Fig. 1 ist in einem Schaubild für eine bestimmte gegebene
Fallhöhe in der üblichen Weise die Zuordnung von Laufradöffnung q-, und Leitradöffnung
ao aufgetragen (Kurve 1), die im Beharrungszustand einzuhalten ist, um mit
jeweils bestmöglichem Wirkungsgrad zu arbeiten. Ferner sind in diesem Schaubilld
Linien konstanter Durchgangsdrehzahl (Kurven 11)
eingetragen, wobei die Indizes
1, 2 ... an den einzelnen Kurven 11 das Verhältnis zur größtmöglichen
Durchgangsdrebzahl, die mit wachsender Indexziffer abnimmt, kennzeichnen. Die größtmögliche
Durchgangsdrehzahl
nd".,# tritt bei der zum Punkt A gehörigen
Kombination von Lauf- und Leitradöffnung auf, die zwar weit außerhalb der normalen
Zuordnungen gemäß der Kurve 1 liegt, mit deren Vorkommen aber im allgemeinen
gerechnet werden muß. Längs der Kurve 1 ändert sich die Durchgangsdrehzahl
und erreicht im Punkt N ihren höchsten Wert. Wird die der Kurve I entsprechende
a",#ü-Zuordnung nach der anschraffiierten Seite hin verlassen (unterschritteen),
so erniedrigt sich die Durchgangsdrehzahl, wird sie nach der anderen Seite hin verlassen
(Überschritten), so erhöht sich die Durchgangsdrehzahl.
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Zur Vereinfachung wird im weiteren Verlauf mit Fall A bezeichnet,
wenn der Regler direkt auf die Steuerung des Leitapparates wirkt und die Steuerung
des Laufrades von der Verstellbewügung des Leitapparates abgeleitet wird, mit Fall
B, wenn der Regler direkt auf die Steuerung des Laufrades wirkt und die Steuerung
des Leitapparates von der Verstellbewegung des Laufrades abgeleitet wird.
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Bei einer Regelung nach Fall A oder Fall B ist während der
Regelungsvergänge ein kurzzeitiges Über- oder Unterschreiten der Kurve
1, in Fig. 1
durch die Kurven ap b, (Fall A) und
a., b" (Fall B) angedeutet, nicht zu vermeiden. Die in Fig. 1 eingezeichnete
Kurve Ill' stelle die obere Grenze dar, bis zu der die Kurve I bei Regelvorgängen
normalerweise überschritten wird. Die maximale Durchgangsdrehzahl, die längs der
Kurve III' auftritt, wird im Punkt P erreicht, dem Berührungspunkt der Kurve Ill'
mit einer der Kurven konstanter Durchgangsdrehzahl der Kurvenschar 11, nämlich
der Kurve 1111 Unterschreitungen der Kurve 1 führen zu Kombinationen zwischen
(p und ao mit niedrigeren Durchgangsdrehzahlen und können daher
unberücksichtigt bleiben.
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Zweck der Erfindung ist es nun, bei einer Regelung nach Fall
A oder Fall B solche Zuordnungen von Leit- und Laufradöffnung auszuschließen,
die eine höhere Durchgangsdrehzahl ergeben, als sie dem Punkt P in Fig.
1 entspricht. Das wird erfindungsgemäß durch eine Begrenzungseinrichtung
erreicht, die so ausgebildet ist, daß zu einer gegebenen Laufradöffnung das Leitrad
nicht weiter geöffnet oder zu einer gegebenen Leitradöffnun"o", das Laufrad nicht
weiter geschlossen werden kann als bis zu einer Grenzkurve 111 in Fig.
1. Diese Grenzkurve 111 muß den gemeinsamen Berührungspunkt P der
Kurven 11,
und Ill' enthalten und kann im übrigen zwischen den Verräufen nach
den Kurven 11 und Ill' beliebig ge wählt werden, wobei die Kurve 113/ mit
der Kurve 111, in einem weiten Bereich identisch ist und nur gemäß der horizontalen
und vertikalen Tangente davon abweicht. Bei einer Begrenzung nach Kurve 11
3 ist die Durchgangsdrehzahl in einem großen Bereich, konstant gleich dem
höchsten zulässigen Wert gemäß PunktP. Je stärker sich die Kurvelll dem Verlauf
der Kurve Ill' annähert, desto kleiner wird der a.,rp-Bereich, in dem die höchste
zulässige Durchgangsdrehzahl auftreten kann.
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Wie schon erwähnt, ist der Mindestabstand zwischen den Kurven
1 und 111 bei der gewählten Regelungsart aus regeltechnischen Gründen
gegeben. Zur Nachprüfung der Wirkungsgradgewährleistungen und des günstigsten Verlaufes
der Kurve 1 werden häufig Messungen an der Turbine durchgeführt. Dazu ist
es notwendig, daß die Kurve 1 der a"(P-Zuordnung besten Wirkungsgrades bei
festgehaltener Laufradöffnung in gewissen Grenzen im Sinne größerer Leitradöffnungen
überschritten wird. Diese Bedingung ist durch die Begrenzung nach Kurve III' erfüllt.
In noch weiterem Maße kann ihr entsprochen werden, indem die tatsächliche Begrenzung
in geeigneter Weise nach Kurve III gewählt wird. Auch für die Erfüllung der Bedingungen
beim Anfahren ist bei der Wahl des Kurvenverlaufes 111 ausreichend Spielraum
vorhanden.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt die Erfindung
in zweckmäßiger Ausbildung eine Begrenzungseinrichtung vor, die zwei im Lauf- bzw.
Leitradrückführgestänge angeordnete Kurvenscheiben und zwei am Steuergestänge für
den Leit- bzw. Laufradstellmotor angelenkte, Stangen mit Rollen aufweist, von denen
je eine Kurvenscheibe und eine Stange mit Rolle einander zugeordnet sind.
Dabei wird nach einem weiteren Vorschlag die eine Stange mit dein Kolben des Leit-
bzw. Laufradstellmotors unmittelbar verbunden und in diese Stange eine Druckfeder
eingeschaltet, deren Nachgiebigkeit eine Übertragung zu großer Kräfte vom Stellkolben
auf die Kurvenscheibe verhindert und eine solche Bewegun.o, zuläßt, die den Steuerkolben
des Leit-bzw. Laufradstellmotors über einen Hebel im Sinne einer entlastenden Bewegung
des Stellkolbens in Richtung auf seine Ruhelage steuert.
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In weiterer zweckmäßiger Ausbildung sieht die Erfindung vor, die Begrenzungseinrichtung
so au#szubilden, daß der abhängig gesteuerte Stellmotor über einen Hebel vom direkt
gesteuerten Stellmotor gesteuert wird. Dieser Hebel ist mit dem Steuerkolben des
abhängig gesteuerten Stellmotors verbunden und wird über zwei Rollen auf den Kurvenbahnen
zweier Kurvenscheiben geführt, von denen die eine Kurvenscheibe im Steuergestänge
des direkt gesteuerten Stellmotors an,- geordnet ist und in Abhängigkeit vom direkt
gesteuerten Stelilmotor gesteuert wird, während die andere Kurvenscheibe in der
Rückführung des abhängig gesteuerten Stellmotors angeordnet ist und in Abhängigkeit
vom abhängig gesteuerten Stellinotor gesteuert wird. Dadurch, daß die Kurvenscheiben
auf entgegengesetzten Seiten des Hebels angeordnet werden, wird erreicht, daß ein
von der jeweiligen Zuordnung der Kurvenscheiben unabhängiges Verschwenken des Hebels
nur in einer der beiden Drehrichtungen möglich ist. Dabei ist es zweckmäßig, die
Rollen der Begrenzungseinrichtung mittels je einer Stange am Hebel anzulenken
und sie durch die Kraft von am Hebel angreifenden Druckfedern mit den Kurvenscheiben
in ständiger Wirkverbindung zu halten.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung wird die Anordnung der
Kurvenbahnen so getroffen, daß durch ein Abheben der Rollen immer nur eine
öff-
nende Bewegung des Laufrades bzw. eine schließende Bewegung des Leitrades
erfolgt. Dadurch ist in jedem Fall eine zwangläufige Begrenzung der aO'(P-Zuordnung
und somit auch die Begrenzung der Durchgangsdrehzahl bis zu einer höchst zugelassenen
Durchgangsdrehzahl sicher gewährleistet.
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Nach einem anderen Vorschlag der Erfindung wird die Anordnung der
Kurvenbahnen so getroffen, daß durch ein Abheben der Rollen immer nur eine schließende
Bewegung des Laufrades bzw. eine öff-
nende Bewegung des Leitrades erfolgt
und daß ein Abheben der Rollen von den zugehörigen Kurvenbahnen nur bis zu weiteren
zugeordneten Kurvenbahnen möglich ist, derart, daß eine, begrenzt
schließende
Bewegung des Laufrades bzw. begrenzt öffnende Bewegung des Leitrades zwar möglich,
das Vorkommen einer zu kleinen Laufradöffnung bzw. zu
großen Leitradöffnung
aber dennoch sicher verhindert ist.
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Arbeitet die Turbine in einem Bereich mit einer Leitradöffnung, die
größer ist, als sie der horizontalen Tangente der Kurve II',/ in Fig.
1 entspricht, und ist der Leitapparat aus irgendwelchen Gründen nicht zu
schließen, so erweist es sich als besonders zweckmäßig, eine geeignete Einrichtung
vorzusehen, die gestattet, die Durchgangsdrehzahl wenigstens vorübergehend unabhängig
von der Begrenzungseinrichtung auf den maximal zulässigen, dem Punkt P auf Kurve
III in Fig. 1 entsprechenden oder einen niedrigeren Wert herabzusetzen.
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Günstig ist z. B. die Anordnung an sich bekannter Einrichtungen wie
Störflügel od. dgL, die ün Bedarfsfalle in die Strömung eingeschwenkt werden, oder
das Einführen von Luft vor oder hinter dem Laufrad. Dadurch wird es möglich, die
Begrenzungseinrichtung vorübergehend auszuschalten, dann das Laufrad zu schließen
und damit die, Durchgangsdrehzahl unter gleichzeitiger starker Verringerung des
Wasserdurchflusses wesentlich, nämlich bis etwa auf Betriebsdrehzahl, herabzusetzen.
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Die Erfindung , ist in Ausführungsbeispielen in den Fig. 2a,
2b und 3 schematisch dargestellt und wird im folgenden an Hand der
Figuren im einzelnen näher erläutert.
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Fig. 2a zeigt das Schema eines Ausführungsbeispieles nach Fall
A;
Fig. 2b zeigt ein solches nach Fall B; Fig. 3 zeigt
eine Variante zu Fig. 2 a und 2 b, wobei die eingezeichneten Pfeile für den
Fall A die »Auf«-Bewegungsrichtung und für den Fall B die »Zu«-Bewegungsrichtung
angeben.
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In Fig. 2 a (Fall A) greift der Regler 1 über einen
drehbar gelagerten Hebel 2 und eine Stange 3 im Punkt 4 des Hebels
5 an und wirkt über diesen auf den Steuerkolben 6 des Leitradstellmotors
7, der den Leitradregelring über die Kolbenstange 8 verstellt. An
den Hebel 5 ist im Punkt 9 die Rückführstange 10
angelenkt.
Die Kraftübertragung zwischen dem Steuerkolben 6 und dem LeitradsteHmotor
7 erfolgt hydraulisch über die Druckleitungen 11 und 12.
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Von der Kolbenstange 8 des Leitradstellmotors 7
wird
die 1.p-itradbewegung über den drehbar gelagerten Winkelhebel 13, die Stange
14 und die an ihr befestigte Kurvenscheibe 15 auf die Rolle 16 mit
Stange 17 und von hier weiter auf den angelenkten Hebel 18 übertragen,
der über eine Stange 19 mit dem Steuerkolben 20 des Laufradstellmotors 21
in Verbindung steht und diesen verstellt. Die Rückführung erfolgt über die Stange
22, den Winkelhebel 23,
die Stange 24 und die an ihr befestigte Kurvenscheibe
25, die ihrerseits über die Rolle 26 und die Stange 27 am Gelenkpunkt
28 auf den Hebel 18 einwirkt. Die Kurvenbahnen 15
a und 25 a der Kurvenscheiben 15 und 25 sind so ausgebildet,
daß der jeweilige Beharrungspunk#t mit der ao,99-Zuordnung gemäß der Kurve
1 (Fig. 1) übereinstimmt (der Einfachheit halber sind die Kurvenbahnen
in den Schemata stets durch gerade Linien ersetzt).
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Die bis hierher beschriebenen Teile entsprechen einer bekannten üblichen
Regeleinrichtung, bei der die Laufradverstellung je nach der Geschwindigkeit,
mit der die Leitradverstellung -eingeleitet wird, mehr oder weniger nacheilt,
d. h. der Verstellvorgang a, (Fi,c, 1) mehr oder weniger von der Beharrungskurve
1
in Fig. 1 abweicht.
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Zur Begrenzung dieser Abweichung sind nun gemäß der Erfindung an geeigneter
steile der Laufradrückführung der beschriebenen Einrichtung, beispielsweise an der
Stange 24, die Kurvensäheiben 29 und 30
angebracht. Diese sind so ausgebildet,
daß sie über die Rollen 31 und 32 und die Stangen 33 und 34
die Bewegungsfreiheit des Hebels 5 so einschränken, daß bei der jeweiligen
Laufradstellung durch den Regler keine größere Leitradöffnung bewirkt werden kann,
als sie der vorgegebenen Kurve 111 in Fig. 1 entspricht.
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Da die Begrenzung der Bewegungsfreiheit des Hebels 5 nur im
Falle einer Steuerbewegung des Reglers im Sinne einer Öffnung des Leitapparates
wirksam sein muß, wird im folgenden ein solcher Steuervorgang an Hand der Fig. 2
a beschrieben.
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Bei Absinken der Drehzahl infolge Anstieges der Turbinenbelastung
bewegt sich der Punkt 4 des Hebels 5 unter dem Einfluß des Reglers
1 in der durch den Pfeil angedeuteten Richtung nach oben. Dadurch schwenkt
der Hebel 5 um den zunächst feststehenden Punkt 9 und bewegt den Steuerkolben
6 in Pfeilrichtung nach unten. Dieser gibt die Leitung 12 frei, und es fließt
Drucköl auf die untere Seite des Kolbens des Leitradstellmotors 7, der über
die Kolbenstange 8 das Leitrad in öffnendem Sinne verstellt. Mit der Bewegung
des Leitrades wird über die Rückführstange 10 zugleich eine Aufwärtsbewegung
(Pfeilrichtung) des Gelenkpunktes 9 eingeleitet, die über den Hebel
5 auf den Steuerkolben 6 übertragen wird und diesen in seine Ausgangs-
bzw. Ruhestellung zurückführt. Die Einleitung des Steuervorganges durch den Hebel
5 kann zunächst nur so weit erfolgen, bis die Rolle 32 die Kurvenscheibe
30 berührt. Der Steuervorgang selbst dauert nur so lange, bis die Aufwärtsbewegung
des Punktes 9 durch Berührung der Rolle 31 mit der Kurvenscheibe
29 begrenzt wird, wobei vorausgesetzt ist, daß die Steuerung des Leitrades
so schnell erfolgt, daß beide Rollen 31 und 32
zum Anliegen an die
Kurvenscheiben 29 und 30
kommen, ehe sich das Laufrad und somit auch
die Kurvenscheiben 29 und 30 bewegt haben. In diesem Falle hat im
Augenblick des Anliegens der beiden Rollen 31 und 32 an den Kurvenscheiben
29 und 30
der Hebel 5 auf Grund der Form der Kurvenscheiben
29 und 30 eine solche Lage, daß der Steuerkolben 6
in Ruhelage
ist. Das Leitrad wird also nicht weiter geöffnet. Die seiner augenblicklichen Stellung
zugehörige öffnung entspricht dem Wert, der sich für die Ausgangs-Laufradöffnung
auf der Begrenzungskurve III in Fig. 1 ergibt. Ein überschreiten ist nicht
möglich.
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in Abhängigkeit von dem vorstehend beschriebenen Steuervorgang wird
normalerweise inzwischen auch die, Verstellung des Laufrades eingeleitet sein. Dieser
Vorgang geht in folgender Weise vor sich: Durch die öffnungsbewegung des Leitrades
wird über den an der Kolbenstange 8 des Leitradstellmotors 7 angelenkten
Winkelhebel 13 und die Stange 14 die Kurvenscheibe, 15 mit der Kurvenbahn
15 a
nach rechts verschoben. Dadurch wird über die Rolle
16 die Stange 17 nach oben bewegt. Infolgedessen dreht sich der mit
der Stange 17 verbundene Hebel 18 um den zunächst feststehenden Drehpunkt
28 und bewegt über die Stange 19 den Steuerkolben 20 in
Pfeilrichtung
abwärts, der damit den Zufluß des Drucköles zur Unterseite des Kolbens des Laufradstellmotors,
21 freigibt. Der Kolben des Laufradstellmotors 21 bewegt sich in Pfeilrichtung nach
oben und öffnet über die Kolbenstange das Laufrad. Gleichzeitig bewegt der Kolben
des Laufradstellmotors, 21 über die Stange 22 und den Winkelhebel 23 die
Stange 24 und damit die an ihr befestigte Kurvenscheibe 25 mit der Kurvenbahn
25 a nach rechts. In Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung und der Form
der Kurvenscheibe 25 bzw. der Kurvenbahn 25 a wird über die
Rolle 26 und die Stange 27 der Drehpunkt 28 der Stange
18 nach oben bewegt, wodurch über den Hebel 18 und die Stange
19 der Steuerkolben 20 des Laufradstellmotors 21 in. Richtung auf seine Ruhelage
zu bewegt wird. Gleichzeitig mit der Stange 24 bewegen sich die an ihr angebrachten
Kurvenscheiben 29, 30 nach rechts und verändern die Begrenzung der Leitradöffnung
auf den Wert, der auf der Kurve 111 in Fig. 1 zu der veränderten Laufradstellung
gehört.
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Die Begrenzungseinrichtung 29, 30, 31, 32, 33, 34 verhindert
somit einwandfrei, daß eine Kombination von Leitrad- und Laufradöffnung eingestellt
werden kann, die nicht auf der anschraffierten Seite der Kurve 111 in Fig.
1 liegt. Die maximale, Durchgangsdrehzahl kann daher nicht höher sein, als
dem Punkt P auf der Kurve 111 in Fig. 1 entspricht.
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Zur Vermeidung der übertragung zu großer Kräfte durch die Rolle
31 auf die Kurvenscheibe 29 bei Steuerbewegungen in öffnendem Sinne
des Leitrades ist in die Stange 33 der Begrenzungseinrichtung in zweckmäßiger
Weise die Druckfeder 33a eingeschaltet, die gegebenenfalls auch eine solche Beweau
, ng des Kolbens des Leitradstellmotors 7 zuläßt, durch die über den
Hebel 5 der Steuerkolben 6 so bewegt wird, daß eine entlastende Bewegung
des Kolbens des Stellmotors 7 in Richtung auf seine Ruhelage eingeleitet
wird.
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Die Lage des Hebels 18 im Steuergestänge für die Laufradverstellung
ist dadurch festgelegt, daß die Rollen 16 und 26 durch die Druckfedern.
17 a bzw. 27a an die Kurvenbahnen 15a bzw. 25a der Kurvenscheiben
15 bzw. 25 angedrückt werden. Da-
durch ist der Hebel
18 aber nur einseitig geführt, weshalb er durch einen Eingriff von außen
oder durch Festsitzen einer der Führungen oder Gelenke in eine solche Lage gebracht
werden kann, daß eine oder beide Rollen 16, 26 von den Kurvenbahnen
15 a,
25a der Kurvenscheiben 15, 25 abgehoben
und dadurch -eine gesonderte Steuerbewegung des Laufrades hervorrufen wird. Eine
solche darf aber keine überschreitung der Kurve 111 in Fig. 1 zur
Folge haben, da dies eine höhere maximale Drehzahl zufieße, als sie dem Punkt P
der Kurve 111 in Fig. 1 entspricht. In Fig. 2 a ist ein überschreiten
der Kurve Ill dadurch ausgeschlossen, daß durch die geeignete Ausbildung der Steuerung
ein Abheben der Rollen 16 und/oder 26 eine Steuerbewegung des Laufrades
nur in öff-
nendem Sinne hervorrufen kann.
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Bei der für den Fall B geltenden schematisch dargestellten Ausführung
nach Fig. 2b ist irn Unterschied zu Fig. 2 a der Hebel 5 direkt am
Regler 1 angelenkt, wobei die Stangen 2 und 3 entfernt sind. Dies
hat zur Folge, daß gleichgerichtet-- Bewegungen der Regler 1 in Fig. 2 a
und 2 b einander entgegengesetzte Bewegungen der durch sie betätigten Steuergestänge
bewirken. Im Gegensatz zu Fall A (Fig. 2 a) mit direkter Steuerung des Leitradstellmotors
erfordert die Ausführung nach Fall B (Fig. 2 b) mit direkter Steuerung des Laufradstellmotors
eine Begrenzung dann, wenn der Regler die Turbine schließen will. Die genau gleiche
Anordnung und Ausführung sämtlicher Teile der Begrenzungseinrichtung in den Fig.
2 a und 2 b
setzt für ein Wirksamwerden der Begrenzungseinrichtung in beiden
Fällen gleiche Bewegungsrichtung des Steuergestänges bei entgegengesetzter Reglerbewegung
voraus. Diese Voraussetzung ist durch vorstehend beschriebene direkte Anlenkung
des Hebels 5
am Regler 1 in Fig. 2b im Unterschied zur Ausführung
nach Fig. 2 a erfüllt. Eine Bewegungsrichtung des Steuergestänges in öffnendem Sinne
nach Fig. 2 a entspricht somit einer Bewegungsrichtung des Steuergestänges in schließendem
Sinne nach Fig. 2b. Die vorhergehende Beschreibung de-, Vorganges
für Fall A nach Fig. 2 a gilt nunmehr sinngemäß auch für den Vorgang nach
Fig. 2 b (Fall B). Dies bezieht sich auch auf das Steuergestänge für den
indirekt gesteuerten Teil, hier also des Leitrades, wobei jetzt aber im Falle eines
Abhebens der Rollen 16 und/oder 26
eine zusätzliche öffnende Bewegung
des Leitrades vermieden bzw. begrenzt werden muß.
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Eine Möglichkeit, das Abheben der Rollen 16
und/oder
26 von den Kurvenbahnen 15 a bzw. 25
a
der Kurverischeiben 15 bzw. 25 zu verhindern oder wenigstens
auf einen kleinen Wert zu begrenzen, ist in Fig. 3 gezeigt, wo die Kurvenscheiben
15' und 25'
in entsprechender Weise mit Kurvenbahnen 15
a' und 15b" bzw. 25a' und 25b' versehen sind. Diese Ausführung der Kurvenscheiben
15' und 25' kann sowohl für den Fall A als auch für
den Fall B Anwendung finden. Vorzuziehen ist jedoch die Lösung nach Fig. 2a und
2b, weil bei ihr die Möglichkeit vorhanden ist, durch einen gesonderten Eingriff
jede Kombinationa, und 99 auf der anschraffierten Seite der KurveIll zu verwirklichen,
was für besondere Betriebszustände (z.B. Schwallsteuerung) unter Umständen von Vorteil
oder sogar notwendig ist.