-
Verfahren und Vorrichtung zur selbsttätigen Regelung von Kraft- und
Arbeitsmaschinen, ' insbesondere von Turbinen Die Erfindung betrifft ein Verfahren,
welches zur Regelung von Kraftmaschinen, und zwar insbesondere von Turbinen oder
Turbinenanlagen entwickelt worden ist, bei denen mehrere nacheinander in Tätigkeit
tretende und dann parallel geschaltete Regelkörper auf die Energiezufuhr nach Maßgabe
der Drehzahl oder der Last einwirken. Das gleiche Prinzip kann jedoch auch auf beliebige
andere Kraftmaschinen oder Maschinengruppen sowie in bestimmten Fällen auch auf
Arbeitsmaschinen Anwendung finden.
-
Zur Klarlegung des Grundgedankens der Erfindung an Hand eines einfachen
Falles soll zunächst eine Peltonturbine mit zwei Düsen betrachtet werden. ' Bisher
ging man bei der selbsttätigen Regelung solcher Maschinen in der Weise vor, daß
man zwischen Leerlauf und Halbmast nur mit der ersten Düse arbeitete, die dann also
bei Halbmast voll geöffnet war, und daß man dann zwischen Halbmast und Vollmast
die erste Düse dauernd geöffnet ließ und die zweite mehr oder weniger hinzunahm,
so daß also bei Vollast beide Düsen voll geöffnet waren. Dieses Regelungsverfahren
hat für die Fahrt mit beiden Düsen den Nachteil einer auf den Gesamtwirkungsgrad
oft ungünstig einwirkenden Lastverteilung, da beispielsweise, wenn nur wenig mehr
als Halblast vorhanden ist, die mit sehr geringer Teillast arbeitende (nur wenig
geöffnete) zweite Düse einen sehr ungünstigen Einzelwirkungsgrad hat und den Gesamtwirkungsgrad
der Turbine erheblich verschlechtert. Bei dieser Belastung (etwas über Halbmast)
wird daher nach der Erfindung ein wesentlich besserer Wirkungsgrad dadurch erzielt,
daß beide Düsen gleichmäßig um etwas mehr als die Hälfte geöffnet werden. Würde
man die Düsen aber auch bei Belastungen unter Halblast so kuppeln, daß beide stets
gleich weit geöffnet sind, so würde dies wieder wegen der geringen Einzelwirkungsgrade
für den Gesamtwirkungsgrad ungünstig sein.
-
Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird bei der Anwendung der vorliegenden
Erfindung auf eine von zwei Düsen gespeiste Turbine die Energiezufuhr (Wasserzufuhr)
von Leerlauf aus bei steigendem Bedarf in an sich bekannter Weise durch die stetige
Verstellung eines einzigen Regelkörpers, einer Düsennadel, gesteigert, jedoch abweichend
von dem Bekannten nicht bis zur halben Last, sondern so lange, bis die Gesamtwirkungsgradkurve
für die Fahrt mit einer Düse den bereits erwähnten höher liegenden Teil der Gesamtwirkungsgradkurve
schneidet, die sich bei einer Aufteilung
der gesamten Energiezufuhr
zu gleichen oder angenähert gleichen Teilen auf beide Düsen ergibt.
-
Abb. i zeigt die Gesamtwirkungsgradkurven einer Peltonturbine mit
zwei gleichen Düsen, und zwar gilt Kurve I, wenn nur eine Düse in Betrieb ist, und
Kurve II, wenn beide Düsen in Betrieb sind und stets gleich weit geöffnet werden,
als ob die Nadeln der beiden Düsen fest miteinander verbunden wären. Die beiden
Kurven schneiden sich in einem Punkt, der der Belastung a (ungefähr. Halblast) entspricht.
Von o bis a wird mit nur einer Düse gearbeitet, im Punkte a erfolgt eine selbsttätige
Umschalttang, und von a bis b sind beide Düsen gleichzeitig und miteinander gekoppelt
in Betrieb und gleich weit geöffnet. Die beiden für das vorliegende Regelungsverfahren
in .Frage kommenden Kurventeile sind in Abb. z ausgezogen gezeichnet.
-
Bei Turbinen, die mit drei und mehr Düsen arbeiten, könnte man ähnlich
wie in Abb. i Kurven für eine, zwei, drei und mehr miteinander gekoppelte, gleich
weit geöffnete Düsen einzeichnen (eine Kurve III für die dritte Düse ist in Abb.
i strichpunktiert angedeutet) und den benutzten Kurvenzug dann aus drei oder mehr
solchen Ästen zusammensetzen. Aus dem vorher Gesagten geht hervor, daß natürlich
jeweils diejenigen Kurventeile be-
nutzt werden, die am höchsten liegen, also
den besten Wirkungsgrad ergeben.
-
Voraussetzung ist natürlich, daß sich die Wirkungsgradkurven für ein,
zwei, drei gekoppelte Düsen überschneiden. Würde z. B. auch bei der geringsten Belastung
der Wirkungsgrad des ganzen Aggregates höher sein als der einer einzelnen Maschine,
so wäre eine Abschaltung einzelner Maschinen oder Düsen natürlich nicht mit einem
Vorteil verbunden. . Da jedoch jede Maschine bei einer ganz bestimmten Belastung
(Normallast) mit dem günstigsten Wirkungsgrad arbeitet und sich mit einem abfallenden
Wirkungsgrad der Maximallast (Überlast) nähert, so dürften in der Praxis solche
Fälle kaum denkbar sein.
-
An die Stelle der verstellbaren Düsen einer Turbine können, ganz allgemein
gesprochen, Regelkörper treten, die die Zufuhr des Kraftmittels zur Maschine (bei
Kraftmaschinen) öder die die Kraftaufnahme der Maschine (bei Arbeitsmaschinen) zu
verändern gestatten. Es kann sich also statt um Düsen beispielsweise um zwei oder
mehr Steuervorrichtungen oder Regelventile von Kolbenmaschinen handeln. Diese Maschinen
können zwei oder mehr Gruppen von Zylindern besitzen, wobei die Einrichtung so getroffen
werden kann, daß bei geringer Belastung nur die eine Gruppe arbeitet,. die anderen
dagegen leer mitlaufen. Oder es kann sich auch um mehrere Maschinen handeln, die
auf eine Welle arbeiten; die Maschinen können aber auch nur elektrisch gekuppelt
sein, indem sie verschiedene Generatoren antreiben, die auf das gleiche Netz arbeiten;
sie können also auch örtlich getrennt sein. Im Falle der Arbeitsmaschine kann es
sich beispielsweise um Kreiselpumpen handeln, die in einen gemeinsamen Druckstutzen
fördern und deren Kraftaufnahme und damit Leistung durch Verstellung der Leitschaufeln
verändert werden kann. Ganz allgemein gesprochen handelt es sich also um Maschinen
oder Maschinengruppen (desselben oder verschiedener Werke), deren Leistung durch
eine Mehrzahl von parallel (z. B. auf das gleiche Rad) wirkenden Regelkörpern verändert
werden kann. Der Erfindungsgedanke besteht darin, für solche Maschinen Wirkungsgradkurven
für das Arbeiten mit einer, zwei, drei usw. miteinander gekoppelten Regelkörpern
aufzustellen und aus dieser Kurvenschar denjenigen Kurvenzug zu benutzen und der
selbsttätigen Regelung zugrunde zu legen, der sich aus den obersten Ästen der einzelnen
Kurven zusammensetzt. In den Schnittpunkten dieser Kurven muß daher eine selbsttätige
Umschaltung der Regelkörper (z. B. der Düsen) erfolgen. Die praktische Durchführung
dieser Idee kann am zweckmäßigsten mit Hilfe einer Ölsteuerung erfolgen, von .der
im folgenden ein Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung beschrieben, wird.
-
Abb. i zeigt die bereits beschriebenen Wirkungsgradkurven.
-
Abb. 2 ist eine schematischeDarstellung der Vorrichtung zur Regelung
einer Peltonturbine mit zwei Düsen nach dem obigen Verfahren.
-
Abb. 3 ist eine Einzelheit aus Abb. 2, und zwar ein Teil der Umschaltevorrichtung
im Schnitt, und Abb. q. ist eine Vorrichtung wie in Abb. 2, in etwas abgeänderter
Ausführungsform.
-
In Abb. 2 sind i und 2 die Regelnadeln der beiden Düsen einer Peltonturbine.
Diese Düsen sind also die beiden parallel geschalteten (auf das gleiche Rad, die
gleiche Welle oder das gleiche Netz arbeitenden) Regelvorrichtungen zur Veränderung
der Leistung. Die Nadeln sitzen an den Stangen 3 und q., welche mittels der Hilfsmotore
5 und 6 verstellt werden. Links von den beiden Kolben befindet sich Drucköl von
gleichbleibender Pressung, welches durch die Leitungen 7 und 8 ein- und austreten
kann. Die rechten Kolbenseiten können entweder mit der Atmosphäre oder mit einem
Druckölbehälter mit höherer als oben (für die linke Kolbenseite) erwähnter Pressung
verbunden werden. Dies geschieht durch die Vorsteuerungen 9, io, die von den Steuerpunkten
33, 2i aus verstellt werden.
Für den oberen Hilfsmotor 5 ist außerdem
noch ein Dreiweghahn 13 vorgesehen, der die rechte Zylinderseite entweder mit der
Atmosphäre oder mit der Steuerung 9 verbindet. Dieser Dreiweghahn dient zur plötzlichen
Umschaltung vom Arbeiten mit nur einer Düse nach der Kurve I zum Arbeiten mit zwei
Düsen nach der Kurve II, und umgekehrt. Aus dem Gesagten geht hervor, daß, wenn
die rechte Zylinderseite eines der beiden Hilfsmotore 5, 6 mit der Druckölleitung
höherer Pressung. verbunden wird, die zugehörige Düse sich öffnet, und daß . diese
sich umgekehrt schließt, wenn die rechte Seite des Zylinders mit der Atmosphäre
in Verbindung gebracht, also entlastet wird. Bei Belastungen zwischen Leerlauf und
etwas Halblast steht die rechte Seite des oberen Hilfsmotors durch den Dreiweghahn
13 mit der Atmosphäre in Verbindung. Die obere Düse i ist dann also dauernd geschlossen.
Daher kann der obere Punkt 14 des die beiden Kolbenstangen 3 und q. verbindenden
Wagescheites 15 für .diesen Regelbereich als. fester Punkt betrachtet werden. Die
Stange 16 hat man sich als frei durch die in Abb.3 herausgezeichnete Büchse 17 hindurchgehend
zu denken. Demnach ist also Punkt 18 ein sogenannter Zurückführungspunkt einer festen
Zurückführung, d. h. der Punkt des Vorsteuerhebels 2o, der zwangsläufig mit der
Regelnadel 2 (oder genauer gesprochen den Regelnadeln i und 2) in Verbindung steht.
Punkt i9 stellt die Muffe des eigentlichen Reglers (Tachometers) dar, die in bekannter
Weise mit einem zwischen den Punkten 12 und 18 liegenden Steuerpunkt 21 des Vorsteuerhebels
2o verbunden ist. Der Punkt 14 steht, wie gesagt, zunächst still, der Punkt 22 und
damit die Nadel 2 verschiebt sich hingegen, wie für die mittelbare Regelung an sich
bekannt, so, als ob er mit der Muffe i9 (mit oder ohne Übersetzung) unmittelbar
verbunden wäre. Je weiter sich also die Nadel: öffnet, um so mehr verschiebt sich
der Punkt z2 und damit auch der Punkt 23 und mit ihm die Stange 16 nach links, bis
der einstellbare Anschlag 24 (Abb. 3) gegen den Winkelhebel 25 anschlägt. Hierdurch
wird die Raste 26 aus ihrer Verbindung mit der Büchse 17 gelöst, und die Muffe 17
verschiebt sich unter dem Einfluß der Feder 28 nach links, bis die Raste 26' in
das Loch 29 in der Büchse 17 einschnappt. Aus Abb. 3 geht hervor, daß die Stange
16 sich gegen die Büchse 17 verschieben kann, dabei aber die Feder 28 nach der einen
oder anderen Seite zusammendrückt. Die Büchse 17 ist nun, wie in Abb. 2 schematisch
angedeutet, derart mit dem Dreiweghahn 13 verbunden, daß jeder der beiden Grenzstellungen
der Büchse 17 eine Stellung des Dreiweghahnes 13 entspricht. Die Anschläge 24 und
2q.' in Abb. 3 werden so eingestellt, daß der Dreiweghahn in dem Augenblick umgeschaltet
wird, der der Belastung a in Abb. i, also dem Schnittpunkt der Kurven I und II,
entspricht. In der Praxis wird man übrigens die Anschläge so einstellen, daß die
zweite Düse i nicht genau in demselben Punkte a, sondern an zwei verschiedenen,
etwas voneinander entfernten Punkten ein- und ausgeschaltet wird. Auf diese Weise
bewirken kleine Leistungsänderungen um den Punkt a herum nicht ein dauerndes Umschalten
der Düsen.
-
Beim Umschalten auf die Fahrt nach Kurve II wird der Stutzen 3o, der
bisher mit der ins Freie führenden Leitung 31 verbunden war, so daß die Vorsteuerung
9 leer mitlief, mit der zur Steuerung 9 führenden Leitung 32 verbunden. Der Steuerpunkt
33 am Steuerhebel dieser Steuerung g ist mit der Stange q. der Nadel 2 durch ein
aus der Welle 34 und den beiden Kurbeln 36 und 37 bestehendes Ausgleichgetriebe
verbunden. Andererseits ist 35 ein in bekannter Weise mit der Stange 3 und der Nadel
i verbundener, am Steuerhebel der Vorsteuerung g sitzender Rückführungspunkt. Die
Nadel i bewegt sich .- hiernach so, als ob sie mit dem Steuerpunkt 33.verbunden
wäre, d. h. sie bewegt sich in gleicher Weise wie die Nadel 2. Geht die Belastung
nun umgekehrt zurück, so werden die beiden Nadeln i und 2 zunächst gleichmäßig schließen,
bis bei der Last a der Anschlag 2q.' gegen den Hebel 25' stößt und die Umschaltung
der Büchse 17 und des Dreiweghahnes 13 in die andere Grenzstellung bewirkt. Die
rechte Zylinderseite des Hilfsmotors 5 wird dadurch mit der Atmosphäre verbunden,
und die Nadel i schließt ihre Düse. Hierbei öffnet die Nadel :2 ihre Düse um einen
entsprechenden Betrag. Bei dem gezeichneten Ausführungsbeispiel führen beide Nadeln
jenseits der Last a (bei der Fahrt nach der Kurve II) gleiche Bewegungen aus. Bei
gleichem Durchmesser usw. der Düsen verteilt sich also die Gesamtlast zwischen den
Punkten a und b der Abb. i zu gleichen Teilen auf beide Düsen. Zur Erzielung einer
ungleichmäßigen, den höchsten Gesamtwirkungsgrad ergebenden Verteilung kann man
zwischen den Punkten 36 und 37 eine Übersetzung anordnen, also beispielsweise die
Länge der beiden Kurbeln verschieden wählen. Eine Änderung der Zylinderdurchmesser
der beidenHilfsmotore 5 und 6 oder der Hebelarme des Hebels 15 würde keine ungleichmäßige
Bewegung der beiden Nadeln hervorrufen, die Bewegung der Nadel i hängt vielmehr
nur von der Bewegung des Steuerpunktes 37 ab. Die Lage des zum ersten Hilfsmotor
gehörenden Rückführungspunktes 23 hängt, und das ist von
großer
Wichtigkeit, lediglich von der Summe der Düsenöffnungen, d. h. von der Gesamtleistung
der Turbine (gleichgültig, ob sie mit einer oder mit beiden Düsen läuft) ab, wie
dies auch bei einer bekannten Regeleinrichtung der Fall ist.
-
In Abb.4 ist eine abgeänderte Ausführungsform der Steuerurig nach
Abb.2 dargestellt. Die Regelmuffe ig wirkt hier auf ein Wagescheit 38, dessen Enden
an die Steuerpunkte 33 und 2i der zu den beiden Vorsteuerungen gehörenden Steuerhebel
angeschlossen sind, und das zum Belastungsausgleich im Verhältnis i : i dient, 35
und 18 sind Zurückführungspunkte. Das Wagescheit 38 verschiebt sich bei Änderung
der Drehzahl von einem Beharrungszustand zu einem anderen stets parallel zu sich
selbst, daß also die Punkte 2i und 33 bei einer bestimmten Drehzahl (bzw. Last)
stets die gleiche Stellung einnehmen. In die Bewegung dieser beiden Punkte könnte
natürlich ebenfalls wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb.2 zwecks ungleicher
Lastverteilung oder Düsenöffnung zur Erzielung eines höchsten Gesamtwirkungsgrades
auch noch eine Übersetzung eingeschaltet werden. Auch bei der zweiten Ausführungsform
ist es wichtig, daß der Zurückführungspunkt 18 mit dem Punkt 23 am Wagescheit
15 verbunden ist, dessen Lage lediglich durch die Gesamtleistung der Maschine
bestimmt wird.
-
Die Vorsteuerung 9 muß natürlich sowohl in diesem Beispiele wie in
dem der Abb. 2 so angeordnet sein, daß der Steuerpunkt 33 bei geschlossener Düse
i (während der Fahrt nach Kurve I) eine genügende Beweglichkeit besitzt, d. h. der
Hub des Steuerkolbens bis zu einem Anschlag darf nicht zu gering bemessen sein.
-
An die Stelle des Öles kann auch Druckwasser, Preßluft, elektrischer
Strom oder ein anderes Arbeitsmittel treten.