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Regeleinrichtung an einer Kaplanturbine Die Erfindung betrifft eine
Regeleinrichtung an einer Kaplanturbine, bei welcher ein Regler die Verstellung
sowohl des Leitapparates als auch der Laufradschaufelung beherrscht.
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Bei der unter dem Namen Kaplanturbinen bekannten Bauart von Wasserturbinen
sind sowohl die Leitschaufeln als auch die Laufradschaufeln im Betriebe verstellbar
angeordnet. Die Einstellung der Leit- und Laufschaufelöffnung erfolgt in der Regel
durch einen Drehzahlregler so, daß jeder Leitradöffnung diejenige Laufschaufelstellung
zugeordnet wird, welche für die betreffende Wassermenge den besten Wirkungsgrad
ergibt. Wir bezeichnen im folgenden eine solche Zuordnung der Stellung des Leitapparates
und der Laufradschaufelung kurz als den »normalen Zusammenhang«.
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Bei einem gegebenen Gefälle entspricht jeder öffnung des Leitapparates
mit im »normalen Zusammenhang« zugeordneter Stellung der Laufradschaufelung bei
entlasteter Gruppe eine Durchbrenndrehzahl von bestimmter Höhe. Bei gestörtem Zusammenhang
zwischen der Stellung des Leitapparates und der Laufradschaufelung können aber bedeutend
höhere Durchbrenndrehza'hlen auftreten als bei »normalem Zusammenhang«, und zwar
sind die Du-rahbrenndrehzahlen immer dann höher, wenn die Laufradöffnung kleiner
oder die Leitapparatöffnung größer ist, als dem »normalen Zusammenhang« entspricht.
Das absolute Maximum der Durchbrenndrehzahl tritt dann auf, wenn das Laufrad etwa
25°/o Öffnung aufweist und der Leitapparat nahezu oder ganz offen ist.
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In Fig. 1 ist als Beispiel in einem Schaubild eine Kurve c für den
»normalen Zusammenhang« zwischen der Öffnung des Leitapparates a. als Abszisse und
der Öffnung der Laufradschaufelung 99 als Ordinate aufgetragen. Bei einer Zuordnung
gemäß der Kurve c ergibt sich also im Betriebe jeweils für die betreffende Durchflußmenge
der beste Wirkungsgrad. Für Punkte im schraffierten, unterhalb der Kurve c liegenden
Bereich des Schaubildes ist bei vorgegebener Öffnung a. des Leitapparates die Öffnung
der Laufradschaufelung 99 kleiner bzw. bei vorgegebener Öffnung der Laufradschaufelung
die Öffnung des Leitapparates größer, als dem »normalen Zusammenhang« entspricht.
Zuordnungen, welche durch Punkte des schraffierten Bereiches dargestellt sind, führen
also bei einer Entlastung der Turbine zu höheren Durchbrenndrehzahlen als solche
im »normalen Zusammenhang« gemäß der Kurve c.
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Die Regelorgane werden bei den bisher bekannten Einrichtungen so eingestellt,
daß jeweils im stationären Zustand auf den »normalen Zusammenhang« ao-cp gemäß der
Kurve c hingesteuert wird. Je nachdem, ob die Verstellung des Leitapparates oder
jene der Laufradschaufelung bei einer Belastungsänderung dem Impuls des Drehzahlreglers
rascher folgt, kann aber vorübergehend eine Abweichung vom »normalen Zusammenhang«
auftreten. Wird beispielsweise, wie dies häufig geschieht, die Verstellung der Laufradschaufelung
erst von der Verstellbewegung des Leitapparates aus gesteuert und nicht unmittelbar
vom Drehzahlregler, so kann bei einer raschen Belastung der Turbine die Öffnung
der Laufradschaufelung beträchtlich hinter jener des Leitapparates nacheilen, wobei
sich die Zuordnung beider zueinander bei Ausgang von einem Punkte P, beispielsweise
gemäß der Kurve d der Fig. 1, ändern kann. Folgt darauf eine plötzliche Abschaltung
der Last, so können sich die Stellungen des Leitapparates und der Laufradschaufelung
in einer Zuordnung gemäß einem Punkte P1 im schraffierten Bereich des Schaubildes
nach Fig. 1 befinden. Dieser Lage entspricht eine gegenüber dem »normalen Zusammenhang«
erhöhte Durchbrenndrehzahl.
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Die Erfindung bezweckt nun, höhere Durchbrenndrehzahlen, als sie bei
»normal,em Zusammenhang« zwischen den Stellungen des Leitapparates und der Laufradschaufelung
auftreten können, gänzlich zu vermeiden. Bei einer Regeleinrichtung an einer Kaplanturhine,
bei welcher ein Regler die Verstellung sowohl des Leitapparates als auch der Laufradschaufelung
beherrscht, wird dieses Ziel erfindungsgemäß
dadurch erreicht, daß
Sperrvorrichtungen vorgesehen werden, von denen die eine bei vorgegebener Stellung
des Leitapparates ein weiteres Schließen der Laufradschaufelung als bis zu der dem
»normalen Zusammenhang« entsprechenden Stellung und die andere bei vorgegebener
Stellung der Lauf radschaufelung ein weiteres Öffnen des Leitapparates als bis zu
der dem »normalen Zusammenhang« entsprechenden Stellung praktisch verhindert, welche
sonst aber dem Regler unabhängige Einwirkung auf die Verstellung des Leitapparates
und der Laufradschaufelung gestatten.
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In Fig. 2 der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
vereinfacht dargestellt. Ein Servomotor 1 mit Kolben 2 dient zur Verstellung der
Laufradschaufelung und ein Servomotor 3 mit Kolben 4 zur Verstellung des Leitapparates
einer Kaplanturbine. Die Steuerung dieser Servomotoren wird von einem Drehzahlregler
5 beherrscht. Das Fliehkraftpendel dieses Reglers wirkt auf das eine Ende 6 eines
um eine Achse 7 schwenkbaren Waagebalkens 8 ein. Zwei Mitnehmerzapfen 9 und 10 dieses
Balkens greifen in Schlaufen 11 bzw. 12 ein. Federn 13 drücken diese Schlaufen stets
in Richtung gegen die Mitnehmerzapfen 9 und .10.
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An einer Stelle 14 der nach unten verlängerten Schlaufe 11 ist ein
Balken 15 angelenkt, welcher an einer Stelle 16 mit einem Steuerschieber 17 gelenkig
verbunden ist. Dieser dient zur Steuerung des Druckmittelzuflusses zum Servomotor
1. Die Druckflüssigkeit fließt durch eine Leitung 18 zum Steuerschieber, und Leitungen
19 bzw. 20 stellen die Verbindung mit den beidseitig des Kolbens 2 liegenden Zylinderräumen
des Servomotors 1 her. Über eine mit der Kolbenstange des Servomotors 1 verbundene
Kurvensoheibe 21, eine Stange 22 mit Rolle 23, einen um eine Achse 24 schwenkbaren
Balken 25 und eine weitere Stange 26 wird eine Rückführverbindung zwischen dem Servomotor
1 und einem Gelenkpunkt 27 des Balkens 15 hergestellt. Eine Druckfeder 28 sorgt
dafür, daß die Rolle 23 stets gegen die Kurvenscheibe 21 angedrückt wird.
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Die nach unten verlängerte Schlaufe 12 steht ihrerseits an einer Stelle
29 mit einem Balken 30 in gelenkiger Verbindung. An einer Stelle 31 dieses
Hebels ist ein Steuerschieber 32 angelenkt, welcher den Zufluß von durch eine Leitung
33 zuströmender Steuerflüssigkeit über Leitungen 34 bzw. 35 zu den beidseitig des
Kolbens 4 des Servomotors 3 liegenden Zylinderräumen beherrscht.
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Eine mit der Kolbenstange des Servomotors 3 verbundene Kurvenscheibe
36, eine Stange 37 mit Rolle 38, ein um eine Achse 39 schwenkbarer Balken 40 und
eine weitere Stange 41 stellen die Rückfährverbindung zwischen dem Servomotor 3
und einem Gelenkpunkt 42 des Balkens 30 her. Eine Druckfeder 43 sorgt dafür, daß
die Rolle 38 stets gegen die Kurvenscheibe 36 angedrückt wird.
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Wird zunächst von weiter nach in Fig. 2 gezeigten Vorrichtungen abgesehen,
so arbeitet die Regeleinrichtung folgendermaßen: Bei einem Drehzahlanstieg wird
durch den Drehzahlregler 5 das Ende 6 des Waagebalkens 8 angehoben. Dabei senkt
sich der Zapfen 9, während der Zapfen 10 sich hebt. Die Schlaufe 11 wird durch die
zugehörige Feder 13 nach unten gedrückt, soweit es der Zapfen 9 gestattet. Bei der
damit verbundenen Abwärtsbewegung des Steuerschiebers 17 wird der Zufluß von Druckflüssigkeit
über die Leitung 19 auf die linke Seite des Kolbens 2 des Servomotors 1 freigegeben.
Dieser bewegt sich dabei so weit in Pfeilrichtung, bis der Steuerschieber durch
die Wirkung des Rückführgestänges 22, 25, 26 wieder in seine Mittellage zurückgeführt
ist. Die Bewegung des Servomotorkolbens 2 in Pfeilrichtung soll dabei der Schließbewegung
der Laufradschaufelung entsprechen.
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Gleichzeitig mit der Abwärtsbewegung der Schlaufe 11 wird die Schlaufe
12 durch den Zapfen 10 entgegen der Wirkung der zugehörigen Feder 13 angehoben.
Dadurch wird eine Aufwärtsbewegung des Steuerschiebers 32 veranlaßt, welcher nun
den Zufluß von Steuerflüssigkeit über die Leitung 34 zur linken Seite des Kolbens
4 des Servomotors 3 freigibt. Dieser bewegt sich in Pfeilrichtung so weit, bis der
Steuerschieber 32 infolge der Wirkung des Rückführgestäanges 37, 40; 41 wieder in
seine Mittellage zurückgeführt ist. Die Bewegung dies Servomotorkolbens 4 in Pfeilrichtung
soll dabei der Schließbewegung des Leitapparates entsprechen.
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Im stationären Zustand verharren die Steuerschieber 17 und 32 in ihrer
Mittellage, und es ist jeder . Stellung des Servomotors des Leitapparates eine bestimmte
Stellung des Servomotors der Laufradschaufelung zugeordnet. Die Kurvenscheiben 21
und 36
seien dabei so geformt, daß die zugeordneten Stellungen der beiden
Servomotoren dem eingangs definierten »normalen Zusammenhang« zwischen der Stellung
d.es Leitapparates und der Stellung der Laufradschaufelung entsprechen.
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Es besteht dabei aber stets die Möglichkeit, daß Abweichungen der
beiden Servomotorstellungen von'"' den dem »normalen Zusammenhang« entsprechenden
Stellungen auftreten, sei es, daß die beiden Servomotorkolben der Steuerung nicht
gleich rasch nachfolgen oder daß auch einer der Servomotorkolben infolge einer Betriebsstörung
:nicht in der Lage ist, der Bewegung der Steuerüng zu folgen. Um in solchen Fällen
zu vermeiden, daß die Servomotoren und damit der Leihapparat und die Laufradschaufelung
in eine gegenseitige Lage gesteuert werden, bei welcher eine erhöhte Durchbrenndrehzahl
auftritt, sind nun zwei Sperrvorrichtungen vorgesehen.
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Die eine dieser Sperrvorrichtungen besteht in einer mit der Rückführstange
37 verbundenen Rolle 44. Die Stange 37 ist gleichachsig mit der Schlaufe 11 angeordnet.
Jeder Stellung des Leitapparatservomotors 3
entspricht eine bestimmte Stellung
der Rolle 44. Das untere Ende der Schlaufe 11 ist mit einem Teller 45 versehen.
Eine Abwärtsbewegung der Schlaufe 11 wird durch Anschlag des Tellers 45 gegen die
Rolle' 44 begrenzt. Die Hebelverhältnisse an den Balken 30 und 40 sind so eingestellt,
daß im stationären Zustand, also bei »normalem Zusammenhang« zwischen der Stellung
des Leitapparates und der Stellung der Laufradschaufelung, die gegen den Mitnehmerzapfen
9' angedrückte Schlaufe 11 mit dem Teller 45 gerade zum Aufliegen auf die Rolle
44 kommt oder höchstens ein ganz geringes Spiel zwischen beiden frei läßt. Die beschriebene
Sperrvorrichtung verhindert damit ein weiteres Schließen der durch den Servomotor
1 betätigten Laufradschaufelung als bis zu der dem »normalen Zusammenhang« entsprechenden
Stellung, oder sie begrenzt zumindest die weitere Schließbewegung auf einen geringen
Betrag entsprechend einem allfällig vorhandenen geringen Spiel.
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Wird nämlich, beispielsweise von der gezeichneten Stellung ausgehend,
durch den Drehzahlregler eine Abwärtsbewegung des Mitnehmerzapfens 9 bewirkt, so
bewegt sich dieser frei in der Schlaufe 11. Diese
selbst ist aber
an einer Abwärtsbewegung infolge des Aufsitzens des Tellers 45 auf der Rolle 44
gehindert. Es kann daher kein weiteres Schließen der Laufradschaufelung eingeleitet
werden, solange der Servomotorkolben 4 des Leitapparates sich nicht nach rechts
bewegt und so über die Kurvenscheibe 36 eine Senkung der Rolle 44 veranlaßt. Auch
dann aber kann durch das Nachfolgen der Schlaufe 11 keine weitere Schließbewegung
der Laufradschaufelung veranlaßt werden, als dem »normalen Zusammenhang« bei der
jeweiligen Stellung des Leitapparates entspricht.
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Bei einer durch den Drehzahlregler 5 bewirkten Aufwärtsbewegung des
Mitnehmerzapfens 9 gestattet dagegen die beschriebene Sperrvorrichtung eine ungehinderte
Verschiebung der Schlaufe 11 nach oben und damit die Einleitung einer Öffnungsbewegung
der Lauf radschaufelung.
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Die zweite Sperrvorrichtung begrenzt die Verschiebung der Schlaufe
12 nach unten. Die gleichachsig zur Schlaufe 12 angeordnete Rückführstange 22 trägt
an ihrem oberen Ende eine Rolle 46. Die Schlaufe 12 ist an ihrem nach unten verlängerten
Ende mit einem Teller 47 versehen. Die Hebelverhältnisse an den Balken 15 und 25
sind so eingestellt, daß im stationären Zustand, wenn der »normale Zusammenhang«
zwischen der Stellung des Leitapparates und der Stellung der Laufradschaufelung
besteht und die Schlaufen 11 und 12 an den Mitnehmerzapfen 9 bzw. 10 anliegen, der
Teller 47 gerade mit der Rolle 46 in Berührung kommt oder höchstens ein ganz geringes
Spiel zwischen beiden frei läßt. Diese zweite Sperrvorrichtung verhindert bei vorgegebener
Stellung der Laufradschaufelung bzw. des Servomotorkolbens 2 ein weiteres Öffnen
des Leitapparates als bis zu der dem »normalen Zusammenhang« entsprechenden Stellung
oder begrenzt zumindest die weitere Öffnung auf einen geringen Betrag entsprechend
einem allfällig vorhandenen geringen Spiel.
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Wird nämlich beispielsweise durch den Drehzahlregler eine Abwärtsbewegung
des Mitnehmerzapfens 10 bewirkt, so verhindert die Rolle 46 die Schlaufe 12, dieser
Abwärtsbewegung zu folgen. Der Zapfen 10 bewegt sich lose innerhalb der Schlaufe
12. Eine Öffnungsbewegung des Leitapparates, d. h. eine Bewegung des Kolbens 4 des
Servomotors 3 entgegen der Pfeilrichtung, welche eine Senkung des Steuerschiebers
32 erfordern würde, kann nicht eingeleitet werden, bevor sich die Laufradschaufelung
weiter öffnet, d. h. bevor der Servomotorkolben.2 sich nach links bewegt und über
die Kurvenscheibe 21 eine Senkung der Rolle 46 bewirkt. Aber auch dann gestattet
die Rolle 46 keine weitere Abwärtsbewegung der Schlaufe 12, als zur Herstellung
des »normalen Zusammenhangs« zwischen Leitapparat und Laufradschaufelung bei der
jeweiligen Stellung der Laufradschaufelung erforderlich ist.
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Eine Aufwärtsbewegung der Schlaufe 12 wird dagegen durch die beschriebene
zweite Sperrvorrichtung nicht behindert. Wird beispielsweise durch den Drehzahlregler
eine Schwenkung des Waagebalkens 8 gegen den Uhrzeigerdrehsinn v eranlaßt, so wird
die Schlaufe 12 entgegen der Wirkung der zugehörigen Feder 13 angehoben. Es kann
somit unabhängig von der Verstellung des Laufradservomotors 1 eine Verstellung des
Leitapparates in Schließrichtung veranlaßt werden.
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Die beschriebene Einrichtung gestattet, von einer Stellung mit »normalem
Zusammenhang« zwischen Leitapparat und Laufradschaufelung ausgehend, nur einen Verstellvorgang
unter Beibehaltung dieses »normalen Zusammenhangs« oder dann gegenüber diesem eine
stärkere Öffnungsbewegung der Laufradschaufelung oder eine stärkere Schließbewegung
des Leitapparates, d. h., es sind außer Verstellvorgängen längs der Kurve c der
Fig. 1 nur solche im nicht schraffierten Bereich des Schaubildes zugelassen. Von
den beispielsweise eingetragenen Kurven e und f bezieht sich die erste
auf einen Schließvorgang mit vorauseilender Leitapparatverstellung und die zweite
auf einen Öffnungsvorgang mit vorauseilender Laufradschaufelverstellung. Auf diese
Weise werden Zuordnungen zwischen Leitapparat und Laufradschaufelung, welche höhere
Durchbrenndrehzahl ergeben als dem »normalen Zusammenhang« entsprechende Zuordnungen,
zuverlässig vermieden.
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Die erfindungsgemäße Regeleinrichtung bringt den Vorteil, daß die
Läufer von Turbine und Stromerzeuger hinsichtlich Festigkeit nicht für die absolut
höchstmögliche Durchbrenndrehzahl zu bemessen sind, sondern nur Durchbrenndrehzahlen
zu berücksichtigen sind, welche bei »ormalem Zusammenhang« zwischen der Stellung
des Leitapparates und jener der Laufradschaufelung auftreten können. Da die Fliehkräfte
mit dem Quadrate der Drehzahl zunehmen, ist die so erreichbare Verbilligung der
Maschinen beträchtlich.
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Bei der dargestellten Regeleinrichtung begrenzt die Rolle 44 die Steuerung
11, 15, 17 des Lauf radservomotors 1 in Funktion der Stellung des Leitapparatservomotors
3 und die Rolle 46 die Steuerung 12, 30, 32 des Leitapparatservomotors 3 in Funktion
der Stellung des Laufradservomotors 1. Dies hat den Vorteil, daß durch die Sperrvorrichtung
nur verhältnismäßig geringe Kräfte zu übertragen sind. Unter Wahrung des Erfindungsgedankens
können aber beispielsweise auch die Sperrvorrichtungen auf das Kraftgestänge einwirken,
wobei der eine Servomotor unmittelbar die Bewegung des andern nach einer Richtung
begrenzen könnte.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung läßt sich in gleicher Weise auch
anwenden, wenn die Verstellung des Leitapparates und der Laufradschaufelung unter
der Wirkung eines anderen Reglers als eines Drehzahlreglers, beispielsweise eines
Frequenzreglers oder eines Leistungsreglers, erfolgt.
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Zur Verstärkung der Streukräfte des Pendels, des Frequenz- oder Leistungsreglers
können zwischen diesem und dem Punkt 6 des Waagebalkens 8 in bekannter Weise Vorsteuerungen
angeordnet werden.