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Regeleinrichtung für hydraulische Turbinen Die Erfindung bezieht sich
auf eine Regeleinrichtung für hydraulische Turbinen, insbesondere Kaplanturbinen,
zur Steuerung der Leit- und Laufschaufeln in eine leistungsabhängige, vorbestimmte,
gegenseitige Sollage, mit einem Drehzahlregler, der mindestens zwei Verteilerschieber
für Servomotoren zur Leit-bzw. Laufschaufelverstellung betätigt, wobei die Servomotoren
mit einer Koppelvorrichtung in Verbindung stehen, und die Koppelvorrichtung entsprechend
der Abweichung der Ist-Stellung der Servomotoren von ihrer Soll-Stellung ein Steuersignal
für die Wiederherstellung der Sollage liefert.
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Es sind Regeleinrichtungen der vorstehenden Art bekannt, bei denen
die Koppelvorrichtungen mit Kurvenscheiben ausgerüstet sind, deren Form so gewählt
ist, daß die einander zugeordneten Stellungen der Servomotoren Stellungen der Leit-
und Laufschaufeln entsprechen, bei denen der Wirkungsgrad der Turbine jeweils optimal
ist. Die bekannten Einrichtungen vermögen indessen trotz ihrer leistungsmäßig günstigen
Ausnutzung nicht voll zu befriedigen. Der Grund hierfür besteht darin, daß sie einerseits
verhältnismäßig träge arbeiten und andererseits, vom Standpunkt der Stabilität der
Regelung her betrachtet, zu wünschen übriglassen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die angedeuteten Nachteile
auszuschalten und eine Regeleinrichtung mit besonders guten Stabilitäts- und Regelungseigenschaften
zu entwickeln. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einer Regeleinrichtung
der eingangs beschriebenen Art das Steuersignal gegensinnig auf die Verteilerschieber
einwirkt, die die Servomotoren so steuern, daß die zu weit geöffneten Schaufeln
geschlossen und die zu weit geschlossenen Schaufeln geöffnet werden.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung ist in der Tat nicht nur sehr stabil,
sondern sie spricht, wie Untersuchungen gezeigt haben, auch sehr schnell und wirksam
auf Drehzahländerungen der Turbine infolge unterschiedlicher Netzbelastungen an.
In Fällen einer unerwarteten Abweichung vom durch die Kurvenscheibe bestimmten,
gewünschten Zusammenhang zwischen der Stellung des Leitapparates und der Laufradschaufelung
wird der Koppelfehler umgehend wieder ausgeglichen und so der Zustand optimalen
Wirkungsgrades innerhalb kürzester Frist wieder erreicht. Es versteht sich, daß
auf diese Weise auch die Wirtschaftlichkeit der mit der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung
ausgestatteten Turbine positiv beeinflußt wird.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Wert des
Steuersignals veränderbar ist. Eine mechanische Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Regeleinrichtung, die sich gut bewährt hat, ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Koppelvorrichtung einen Nocken aufweist, dessen Stellung von der Stellung der Servomotoren
abhängig ist, wobei eine Laufrolle, die ein Folgeorgan für das Profil des Nockens
darstellt, diesen berührt, und Übertragungsteile dieses Folgeorgan mit den Verteilerschiebern
auf solche Weise verbinden, daß bei Verschiebung eines Verteilerschiebers in' dem
einen Sinne der andere Verteilerschieber im umgekehrten Sinne verschoben wird.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 das Blockschaubild einer
ersten bekannten Regeleinrichtung, F i g. 2 das Blockschaubild einer zweiten bekannten,
gegenüber der ersten bereits verbesserten Regeleinrichtung, F i g. 3 das Blockschaubild
einer erfindungsgemäßen Regeleinrichtung und F i g. 4 das Schema eines mechanischen
Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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Die F i g. 1 bis 3 zeigen die Entwicklung, die zum Erfindungsgegenstand
geführt hat.
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In F i g. 1 ist 1 ein Meßgerät zur Ermittlung der Regelgröße. Dieses
Meßgerät betätigt unmittelbar einen Steuerverteiler 8 a für einen Servomotor 10
a für die Verstellung der Leitschaufeln 12 a. Der Servomotor 10 a ist über eine
Koppelvorrichtung K mit einem Servomotor 10 b für die Verstellung der Laufschaufeln
12
b verbunden, und zwar ist sie an den Steuerschieber 8 b für den Servomotor angeschlossen.
Die Laufradschaufeln werden hier ausschließlich in Abhängigkeit von Steuersignalen
verstellt, die von der Koppelvorrichtung ausgehen. Die Stellstrecke für die Laufschaufeln
ist also verhältnismäßig lang, 'und die Einrichtung arbeitet vergleichsweise träge.
Ihre Stabilität ist begrenzt.
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Bei der in F i g. 2 dargestellten Regeleinrichtung wird der Steuerverteiler
8 b für den Servomotor 10 b für die Laufschaufelverstellung sowohl unmittelbar vom
Meßgerät 1 als auch über die Koppelvorrichtung K betätigt. Der Steuerverteiler 8
a für den Servomotor 10 a für die Leitschaufelverstellung ist hingegen nur vom Meßgerät
1 beeinflußbar. Auch diese Regeleinrichtung vermag noch nicht voll zu befriedigen.
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Bei der in F i g. 3 wiedergegebenen Steuereiniich= tung ist nun jeder
der Steuerverteiler 8-a und 8 b unmittelbar einerseits durch das Meßgerät und andererseits
durch die Koppeleinrichtung K betätigbar, und zwar erfolgt die Beeinflussung durch
das Meßgerät gleichsinnig, durch die Koppeleinrichtung dagegen gegensinnig. Diese
erfindungsgemäße Anordnung bringt den angestrebten Erfolg.
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F i g. 4 zeigt schematisch eine mechanische Regeleinrichtung. Für
gleiche Teile,. wie in den F i g. --1 bis 3, gelten gleiche Bezugszeichen. 1 ist-
also ein Meßgerät oder Geber, das bzw. der die Verschiebung eines Punktes 2 in Abhängigkeit
von den ihm eigentümlichen Reglerparametern bewirkt. Der Punkt 2 verschiebt sich
beispielsweise nach oben, wenn die Ist-Drehzahl der Turbine größer ist als die Soll-Drehzahl.
Der Geber 1 kann ein Tachometer, ein Beschleunigungsmesser, eine Vorrichtung für
einen permanenten statischen Zustand, eine Vorrichtung für einen vorübergehenden
statischen Zustand öder irgendein anderes an sich bekanntes System, also auch ein
elektronischer Regler sein. Ein Hebel 30
ist mit seinem einen Ende an einem
festen Punkt 3 und mit seinem anderen Ende am Punkt 2 gelenkig gelagert. Er überträgt
die Bewegungen des Punktes 2 auf andere Übertragungsorgane, die im folgenden beschrieben
werden.
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Die Übertragung erfolgt zunächst auf einen-Hebelarm 31, der im Punkt
4 a an den Hebelarm 30 und im Punkt 5 a an einen Doppelhebel 38 aasgelenkt ist;
außerdem ist an den Hebel 30 im Punkt 4 b ein Arm 32 angeschlossen, der mit seinem
anderen Ende im Punkt 5 b an einen Waagebalken 39 aasgelenkt ist. Der Doppelhebel
38 ist im Punkt 7 a an den Schieber 40 eines Steuerverteilers 8 a. eines .Servomotors
10 a angeschlossen. Der Waagebalken 39 ist im Punkt 7 6 an den Schieber 41 des Steuerverteilers
8 b eines Servomotors 10 b angeschlossen. Der Servomotor 10 a besitzt einen Differentialkolben
42, der über eine Stange 11 a an einen Leitapparat 12 a der Turbine angeschlossen
ist. Der Servomotor 10 b besitzt einen Differentialkolben 43, der über eine Stange
11 b mit der Steuerung für die Stellung der Laufradschaufeln eines -Laufrades 12
b -einer Kaplanturbine verbunden ist. Der Öffnungssinn des Leitschaufelkranzes 12
a ist durch den Pfeil 44 angedeutet, während der Öffnungssinn der Laufschaufeln
des Turbinenrades 12 b der Richtung des Pfeils 45 entspricht.
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Die Speisung der beiden Servomotoren 10 a und 10 b mit Drucköl erfolgt
aus einem Vorratsbehälter 46, von dem aus das Öl mit Hilfe einer -Pumpe 9 angesaugt
und in die Leitung 47 gedrückt wird, die ihre Fortsetzung in den beiden Zweigleitungen
48 und 49 findet. Die Zweigleitung 48 mündet einerseits in eine Kammer 50 des Verteilers
8 a und andererseits über eine Anzapfung 51 in den Zylinder 52 des Servomotors 10
a auf der Seite des kleinen Querschnitts des Kolbens 42. Die -linke Seite des Zylinders
52 ist über eine Leitung 56 mit einer mittleren Kammer 57 des Verteilers 8 a verbunden.
Die Zweigleitung 49 mündet in eine Kammer 53 des Verteilers 8 b und über eine Anzapfleitung
54 in den Zylinder 55 des Servomotors 10 b auf der Seite des Kolbens 43 mit dem
kleinen Querschnitt. Ebenso ist die linke Seite des Zylinders 55 über eine Leitung
58 mit einer mittleren Kammer 59 des Verteilers 8 b verbunden.
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Beide Verteiler 8 a bzw 8 b weisen eine dritte Kammer 60 bzw. 61 auf,
die mit einer Austrittsleitung 62 in Verbindung steht, die zu dem Vorratsbehälter
46 zurückführt.
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Am Differentialkolben 42 des Servomotors 10 a ist eine Stange 63 befestigt,
die von dem Punkt 13 ci an der Oberfläche des Kolbens 42 mit dem großen Querschnitt
zu einem Gelenkpunkt 14 a mit Schlitzführung führt. Ebenso steht der Kolben 43 über
eine am Punkt 13 b angreifende Stange 64 mit dem Punkt 14 b in Verbindung. Die mechanische
Verbindung zwischen den Punkten 14 a und 14 b erfolgt über einen Stab 33.
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Die Koppelvorrichtung besteht bei dieser Regeleinrichtung aus einem
Nocken 15, der starr mit dem Stab 33 verbunden ist. Das Profil 65 des Nockens 15
zeigt eine Form, die mit größter Genauigkeit dem Kopplungsgesetz für die Stellung
der Servomotoren 10 a und 10 b für die Leitradsteuerung der Turbine
bzw. für die Laufschaufelverstellung des Laufrades 12 b entspricht. Zu dieser Koppelvorrichtung
gehört außerdem ein Lenker 34, der in einer Führung 17 gleiten kann. Dieser Lenker
34 trägt an dem einen seiner Enden eine Laufrolle 16, die ein Folgeorgan für das
Profil 65 des Nockens 15 darstellt. Das andere Ende des Lenkers 34 ist im Punkt
18 an einen Hebel 35- angeschlossen, der um einen festen. Punkt 19 schwingen
kann. Der Hebel 35 ist an den Doppelhebel 38 über einen Hebel 36 angeschlossen,
der einerseits im Punkt 20 a an den Hebel 35 und andererseits im Punkt 6
a an dem Doppelhebel 38 angreift und die erfindungsgemäße direkte Verbindung von
der Kopplungsvorrichtung zum Steuerverteiler 8 a herstellt. Das Ende 20 b des Hebels
35 ist an eine Stange 37 angeschlossen, die ihrerseits bei 6 b an ein Ende des Waagebalkens
39 aasgelenkt ist: Aus dem oben Gesagten ergibt sich, daß die verti= kalen Bewegungen
der Laufrolle 16 unter Zwischenschaltung des Lenkers 34 auf den Hebel 35 übertragen
werden, der seine Schwingbewegungen einerseits auf den Schieber 40 des Verteilers
8 a und andererseits auf den Schieber 41 des Verteilers 8 b überträgt.
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An dieser Stelle sei zunächst noch einmal an den Betrieb der beiden
Verteiler 8 a, 8 b für die Steuerung der Servomotoren 10 a bzw. 10
b erinnert. Da diese beiden Anordnungen aus dem Verteiler 8 a und dem Servomotor
10 a einerseits und dem Verteiler 8 b und dem Servomotor 10 b andererseits
identisch gleich sind, genügt es, die Wirkungsweise einer dieser beiden Anordnungen
zu beschreiben. Nimmt der mittlere. Kolben des Schiebers 40 des Verteilers
8 a
auf seinem Wege eine Stellung in der Mitte ein, d. h.,
befindet er sich in seiner Gleichgewichtsstellung, dann ist die Öhnenge, die von
der Pumpe 9 kommt, gleich Null, weil kein Öl aus der Kammer 50 herausgelangen kann.
Obwohl der überdruck des Öls auf die Fläche des Kolbens 42 mit dem kleinen Querschnitt
über die Anzapfung 51 einwirkt, kann sich der Kolben 42 nicht verschieben, weil
das Ölvolumen im linken Teil des Zylinders 52 durch die Schließung der Leitung 56
durch den mittleren Kolben des Schiebers 40 konstant gehalten wird. Wird andererseits
der Schieber 40 nach oben verschoben, dann wird der linke Teil des Servomotors 10
a unter Zwischenschaltung der Leitung 56 und der Kammer 60 in Verbindung mit der
Austrittsleitung 62 in Verbindung gebracht, während der rechte Teil des Zylinders
52 in Verbindung mit der Pumpe 9 bleibt, so daß eine Bewegung des Kolbens 42 des
Servomotors 10 a von rechts nach links erfolgt, d. h. eine Bewegung im Sinne der
Schließung des Leitapparats 12 a. Der umgekehrte Fall spielt sich bei einem Heruntersinken
des Schiebers 40 des Verteilers 8 a ab, wodurch der Leitapparat 12 a geöffnet wird.
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Unterstellt man, daß der Hebel 30 eine feste Stellung im Raum einnimmt
und daß die Laufschaufeln des Turbinenrades 12 b im Verhältnis zur Stellung des
Leitapparates 12 a zu weit offenstehen, weil der Gelenkpunkt 14 b gegenüber dem
Regelschema zu weit rechts liegt, daß ferner die Punkte 16, 18, 20 a,
6 a und 7 a infolge der Schwenkung der Kurve 15 entgegengesetzt zum
Uhrzeigersinn zu, tief liegen, dann wird der Kolben 42 des Servomotors 10 a von
..links nach rechts bewegt. Diese Bewegung entspricht einer Öffnungsbewegung des
Leitapparates 12 a. Bezüglich der Punkte 20 b, 6 b und 7
b ist festzustellen, daß sie zu hoch liegen, so daß eine Verschiebung des Kolbens
43 des Servomotors 10 b von rechts nach links die unmittelbare Folge ist, d. h.
also eine Schließbewegung der Schaufeln des Laufrades 12 b. Diese beiden Bewegungen
haben das Bestreben, die Ursache, die zu ihnen geführt hat, zu kompensieren; sie
kommen zur Ruhe, sobald die Laufrolle 16 die anfängliche Gleichgewichtsstellung
wieder einnimmt.
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Die Koppelvorrichtung wirkt also gleichzeitig auf beide Servomotoren
ein, welche die doppelte Regelung bewirken, indem sie das Organ öffnen, welches
zu weit geschlossen ist, und das Organ schließen, welches in bezug auf die Kopplung
zu weit geöffnet ist.
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Ähnliche Verhältnisse würden bei einer Pelton-Turbine vorliegen. Hier
würde an die Stelle der Leitschaufeln ein Strahlablenker und an die Stelle der Laufschaufeln
eine Düsennadel treten.
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Zum Zwecke der Verbesserung der Regeleigenschaften muß man die relativen
Einflüsse der unterschiedlichen Bewegungen aufeinander abstimmen. Verschiebt man
beispielsweise den Punkt 4 b nach 4 b' oder nach 4 b", dann würde eine solche Verschiebung
den Einfluß des Gebers 1 auf den Schieber des Verteilers 8 b vergrößern oder verringern.
Es ist auch möglich, die Punkte 4 a, 20 a und 20 b zu verschieben, so daß man die
Auswirkungen des Gebers und der Koppelvorrichtung oder der abhängigen Hilfsvorrichtungen
auf die Servomotoren des Schiebers oder des Laufrades einzeln verändern kann.
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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel werden mechanische Bauelemente,
wie Hebel, Lager, Gelenke, Lenker und Laufrollen, verwendet. Es versteht sich, daß
die mechanischen Teile durch elektrische Bauelemente ersetzt werden können, also
beispielsweise durch Potentiometer, Variometer, Selsynteile usw., die es ermöglichen,
eine Bewegung von einer Stelle zu einer anderen zu übertragen. Auch hydraulische
übertragungssysteme sind denkbar.