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Doppelregler für Kaplanturbinen Bei den Doppelreglern für Kaplanturbinen
wird die Steuerung .der beiden Kraftkolben, durch welche die Leitschaufeln und die
Laufschaufeln verstellt werden (diese Kraftkolben sollen im folgenden als Leitschaufelkolben
und Laufschaufelkolben bezeichnet werden), in bekannter Weise so. gestaltet, daß
im Beharrungszustand zugeordnete Leitschaufel-und Laufschaufelstellungen vorhanden
sind, d. h. Stellungen, die bei gegebener Turbinenleistung jeweils .den höchsten
Wirkungsgrad ergeben. Der vollen Leitschaufelöffnung ist eine steile, der kleinsten
Leitschaufelöffnung eine flache Stellung der Laufschaufeln zugeordnet; die genaueren
Einzelheiten der Zuordnung werden vorher durch Turbinenversuche bestimmt. Nach plötzlichen
Belastungsänderungen treten während des Regelungsvorganges Abweichungen von dieser
Zuordnung auf. Eine vorübergehende Abweichung nach plötzlichen Entlastungen wird
beim Entwerfen der Regler in bekannter Weise oft sogar beabsichtigt: man macht die
größte Schließgeschwindigkeit des Laufschaufelkolbens, d. h. die größte Geschwindigkeit,
mit der die Laufschaufeln von steileren in flachere Stellungen gebracht werden können,
absichtlich besonders klein, damit der Leistungsausgleich bei einer plötzlichen
Entlastung zuerst vorwiegend durch die Leitschaufeln erfolgt, was wegen des Abfalles
der Wirkungsgrade gewisse Vorteile für den Reglungsvorgang bringt. Für den Reglungsvorgang
nach Belastungsvergrößerungen wird beim Entwerfen der Regler ein Abweichen von der
Zuordnung nicht beabsichtigt, weil in diesem Fall der Wirkungsgrad der Turbine auch
während des Reglungsvorganges möglichst hoch gehalten werdenmuß. DievorliegendeErfindungberuht
auf der Erkenntnis, daß nach Belastungsvergrößerungen ein erhebliches Abweichen
des Leitschaufelkolbens von der der jeweiligen S tellung des Laufschaufelkolbens
zugeordneten Stellung, insbesondere ein Voreilen, sogar außerordentlich nachteilig
ist. Dies ist eine Folge der hydraulischen Eigenschaften der Kaplanturbinen: wenn
man von einem Betriebszustand mit zugeordneterLeit-undLaufschaufelstellung ausgehend
die Leitschaufeln öffnet, ohne die Laüfschaufelstellung zu verändern, dann steigt
dieWassermenge, während der Wirkungsgrad herabgeht. Dabei steigt die Turbinenleistung
zuerst an; aber wenn die Leitschaufelöffnung erheblich größer wird als der der Laufschaufelstellung
zugeordnete Wert, geht die Leistung herab, da das Absinken des Wirkungsgrades dann
mehr ausmacht als die Zunahme der Wassermenge. Bei der Aufnahme von Belastungsvergrößerungen
wirkt sich dieses Verhalten in folgenderWeise aus: wenn während des Reglungsvorganges
die der augenblicklichen Laufradschaufelstellung zugeordnete Leitschaufelstellung
erheblich überschritten wird, nimmt die Drehzahl infolge der Verminderung der Turbinenleistung
beschleunigt
ab, das Fliehkraftpendel verstellt dänri. dästeuer-''v@n'til des Leitschaufelkolbens
noch weiter im Sinne des Öffnens, so daß ein instabiler- Vorgang eintritt und die
_ Leitschaufeln bis zur vollen Öffnung verstellt werden. Dieser Vorgang tritt auch
dann ein, . wenn die Belastung der Turbine nach dem Eintritt der Belastungsvergrößerung
noch kleiner ist als die Vollast. Der-Leistungsausgleich wird erst dann erreicht,
wenn die Laufradschaufeln ebenfalls weit geöffnet worden sind; dann sind aber beide
Reglungsorgane viel weiter geöffnet, als an sich notwendig wäre, und es werden deswegen
in der Folgezeit große Schließbewegungen der beiden Kraftkolben notwendig, um die
viel zu groß gewordene Turbinenleistung der verlangten Leistung anzupassen. Die
während des Reglimgsvorganges entstehende Instabilität führt deswegen in solchen
Fällen auch bei verhältnismäßig kleinen Belastungsvergrößerungen zu einer großen
Störung.
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Verhältnisse gleicher Art, wenn auch nicht mit so starker Auswirkung,
würden sich ergeben, wenn der Laüfschaufelkolben voreilt; da aber bei diesem aus
konstruktiven Gründen eine große Verstellgeschwindigkeit meist schwerer erreichbar
ist als beim Leitschaufelkolben und da zudem bei manchen Reglerbauarten (z. B. der
in Abb. i dargestellten) ein Voreilen des Laufschaufelkolbens durch die Art der
Steuerung ausgeschlossen ist, ist es meistens das Voreilen des Leitschaufelkolbens,
welches - unter gewissen Bedingungen -,die ungünstige Reglerwirkung verschuldet.
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Das Eintreten einer Abweichung von der gegenseitigen Zuordnung bei
den schnellen Regulierbewegungen nach Belastungsvergrößerungen hat man bisher durch
gegenseitige Abstimmung der größten öffnungsgeschwindigkeiten, deren die beiden
Kraftkolben fähig sind, zu verleiden gesucht. In der Regel unterliegt die größte
Verstellgeschwindigkeit des Laufradschaufelkolbens konstruktiv gewissen Beschränkungen,
während es bei dem Leitschaufelkolben gelingt, großeVerstellgeschwindigkeiten zu
erreichen. Die genannte Abstimmung bestand also meistens darin, daß die größtmögliche
Öffnungsgeschwindigkeit des Leitschaufelkolbens durch eine Drosselvorrichtung für
die Ölströmung künstlich herabgesetzt wurde.
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Eine ganz befriedigende Lösung der Aufgabe ist auf diesem Wege jedoch
nicht möglich. Die Abhängigkeit der Verstellgeschwindigkeiten von den wechselnden
Widerständen der Leit- und Laufradschaufeln und von der temperaturbedingten Zähigkeit
des Öles bewirkt Änderungen der größten Verstellgeschwindigkeiten. Es kommt hinzu,
daß zur Aufrechterhaltung der Zuordnung auf dem ganzen Regelbereich das Geschwindigkeitsverhältnis
der beiden Kraftkolben nicht unver-=`ändert sein darf; im Bereiche kleiner Turbinenleistungen
müßte das Verhältnis
| .Geschwindigkeit des Leitschaufelkolbens |
| Geschwindigkeit des Laufschaufelkolbens |
größer sein als im Bereiche großer Turbinenleistungen.
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Nach der vorliegenden Erfindung wird die Steuerung des Leitschaufelkolbens
mit einer Sperrung versehen, welche die Öffnungsbewegung des Leitschaufelkolbens
verlangsamt oder ganz unterbindet, sobald die Leitschaufeln erheblich weiter geöffnet
sind, als der Zuordnung zu der augenblicklichen Laufschaufelstellung entspricht.
Bei den schnellen, nach einer plötzlichen Belastungsvergrößerung auftretenden Regelbewegungen
wird dadurch gewissermaßen der Leitschaufelkolben gezwungen zu warten, bis der Laufschaufelkolben
nachgekommen ist.
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In Abb. i ist .das Schema eines Doppelreglers bekannter Bauart für
Kaplanturbinen gezeichnet, und zwar ist diejenige Bauart dargestellt, bei der der
Leitschaufelkolben vom Fliehkraftpendel und der Laufschaufelkolben vom Leitschaufelkolben
gesteuert wird. Das Fliehkraftpendel i verstellt durch den Rückführhebel2 das Steuerventil
3 des Leitschaufelkolbens q., dessen Kolbenstange 5 im Punkte 6 an das Leitschaufelgetriebe
angeschlossen ist. Die Stellungen, die der Punkt 6 bei ganz geschlossenen und bei
ganz geöffneten Leitschaufeln einnehmen würde, sind in der Abbildung mit . »geschlossen«
und »offen« bezeichnet. Auf der Kolbenstange 5 ist die Kurvenbahn 7. befestigt.
Diese wird von .der Rolle 8 abgetastet; die Rolle 8 sitzt auf dem einen Arm des
um den festen Punkt g drehbaren Winkelhebels io, sie wird durch die Feder ii an
die Kurvenbahn angedrückt. Der andere Arm des Winkelhebels verstellt durch den Lenker
12 und den Rückführhebel 13 das Steuerventil 1q. des Laufschaufelkolbens 15, an
dessen Kolbenstange im Punkte i(i .das Laufscbaufelgetriebe angeschlossen ist. Die
Stellungen, -die der Punkt 16 bei kleinster und bei größter Turbinenleistung einnehmen
würde, sind in derAbbildung durch dieWorte »flach« und »steil« bezeichnet.
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Die Form der Kurvenbahn 7 ist so gewählt, daß bei Mittelstellung beider
Steuerventile, d. h. im Beharrungszustände immer, die beiden Kraftkolben zugeordnete
Stellungen einnehmen. In Äbb. J (und auch in den anderen Abbildungen) sind die Teile
so gezeichnet, wie sie im Beharrungszustande bei Mittelstellung des Leitschaufelkolbens
stehen; da im Bereiche kleinerer Leistungen einem kleinen Weg des Leitschaufelkolbens
ein
kleiner Weg des Laufschaufelkolbens zugeordnet ist als im Bereiche
größerer Leistungen, steht dabei der Laufschaufelkolben nicht in Hubmitte, sondern
näher an der Endstellung »flach«.
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Im Beharrungszustande steuert sich der Laufschaufelkolben, wie man
aus der Ab1i-. i leicht ersieht, stets wieder in die der Stellung des Leitschaufelkolbens
zugeordnete Stellung ein, falls eine kleine Abweichung eingetreten sein sollte.
Inwieweit die Zuordnung während des Reglungsvorganges nach einer plötzlichen Belastungsvergrößerung
erhalten bleibt, hängt von dem Betrage der Belastungsvergrößerung ab. Bei kleinen
Belastungsvergrößerungen werden dem Laufschaufelkolben nur kleine Verstellgeschwindigkeiten
orgeschrieben, das Steuerventil 14, wird des-,:-egen nur wenig aus der Mittellage
verschoben und bleibt im Bereich seines Nutzhubes, innerhalb dessen die sekundlich
durchfließende Ölmenge im wesentlichen nur durch die Strömungswiderstände an den
steuernden Kanten der Steuerventile bestimmt wird; eine kleine Veränderung der Steuerventilstellung
hat dabei eine erhebliche Veränderung der Verstellgeschwindigkeit des Kraftkolbens
zur Folge. Da der Nutzhub des Steuerventils 14 nur verhältnismäßig klein ist, stimmt
dabei die Stellung, in die der Laufschaufelkolben während der Verstellbewegung jeweils
eingesteuert wird, genügend genau mit der der jeweiligen Stellung des Leitschaufelkolbens
zugeordneten Stellung überein. Bei großen Belastungsänderungen treten dagegen starke
Abweichungen auf: der Leitschaufelkolben q. bewegt sich schnell nach oben, und die
Verstellgeschwindigkeit, die der Laufschaufelkolben 15 annehmen müßte, um jeweils
in der zugeordneten Stellung zu bleiben, ist höher als die höchste Geschwindigkeit,
welche dessen Steuerung zu erzeugen vermag; begrenzend wirken besonders die Strömungswiderstände
in den das Steuerventil 15 mit dem Kraftzvlinder verbindenden Leitungen; diese Leitungen
liegen bei vielen Ausführungen teilweise im Inneren der Turbinenwelle und können
nicht beliebig weit gemacht werden. Bei großen Belastungsvergrößerungen wird deswegen
das Steuerventil 14 über den Bereich des Nutzhubes hinaus nach unten verschoben,
ohne daß dadurch eine erhebliche Zunahme der Verstellgeschwindigkeit .des Laufschaufelkolbens
erreicht wird, und der Laufschaufelkolben bleibt weit hinter den dem Leitschaufelkolben
zugeordneten Stellungen zurück. Es treten dann die oben erörterten Störungen des
Reglungsvorganges ein.
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Abb. 2 zeigt an einem Regler dieser Bauart als Beispiel eine Ausführungsform
der Erfindung, durch welche diese Störungen vermieden werden. Die Zeichen 1, 2 und
4 bis 16 haben dieselbe Bedeutung wie bei Abb. i. Das Steuerventil - -i7 für den
Leitschaufelkolben ,4 hat außer den- beiden gewöhnlichen Verteilungskolben noch
einen Dichtungskolben 18, der die Räume i9 und 2o trennt. Die Druckölzuleitung 21
gabelt sich in zwei Äste; der Ast 22 führt in den Raum i9 und dient zur Zuführung
des Drucköls beim Schließen der Leitschaufel, das durch eine Verschiebung des Steuerventils
17 aus der Mittelstellung nach oben eingeleitet wird. Beim Öffnen der Leitschaufeln
wird Drucköl aus dem Raum 2o entnommen; die Zuführung in diesen Raum erfolgt durch
den Ast 23, in den das Sperrventil 24 eingeschaltet ist. Das Sperrventil 24. besteht
aus dem Steuerkolben 25, dem Dichtungskolben 2f> und dem zugehörigen Gehäuse. Die
Kolben 25 und 26 sind unter sich mit dem Steuerventil 14 durch .die Stange 27 fest
verbunden. Bei Mittelstellung des Steuerventils 14. und auch noch bei kleinen Verschiebungen
desselben aus der - Mittelstellung ist zwischen der steuernden (unteren) Kante des
Steuerkolbens 25 und der steuernden Kante 28 am Gehäuse ein für die Ölströmung in
der Leitung 23 genügender Ouerschnitt vorhanden. Bei einer größeren Verstellung
des Steuerkolbens 14 nach unten aus der Mittellage, .die nach den obigen Darlegungen
eintritt, sobald der Laufschaufelkolben 15 der Öffnungsbewegung des Leitschaufelkolbens
nicht genügend folgt, wird die Ölströmung in der Leitung 23 durch die steuernden
Kanten gedrosselt oder ganz verhindert; die Öffnungsbewegung des Leitschaufelkolbens
wird verlangsamt oder ganz verhindert so lange, bis der Laufschaufelkolben nachgefolgt
ist und durch den Rückführhebel 13 das Steuerventil 1.4 wieder der Mittelstellung
genähert hat.
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Die nach der vorliegenden Erfindung an der Steuerung des Leitschaufelkolbens
vorzusehende Sperrung kann. statt durch die Beeinflussung des Ölzustromes auch durch
eine Kraftwirkung auf das Steuerventil des Leitschaufelkolbens erfolgen. Ein Beispiel
für eine solche Ausführung bei einem Regler nach der Bauart von Abb. i ist in Abb.
3 dargestellt. Die Zeichen i bis 16 haben dieselbe Bedeutung wie bei Abb. i. Der
Steuerkolben des Steuerventils 3 ist nach oben verlängert und trägt den Anschlagteller
29. Der Rückführhebel 2 ist im Punkte 3o drehbar mit dem Steuerkolben 3 verbunden.
Das rechte Ende des Rückführhebels 2 ist mit der Kolbenstange 5 nur kraftschlüssig
verbunden: es liegt auf dem Anschlagstück 31 auf, das am Ende der Kolbenstange 5
angebracht ist, und wird an dieses durch ,die Feder 32 so stark angedrückt, daß
die Bewegungswiderstände
des Steuerventils 3 sicher überwunden
werden können. Die Ventilstange des Steuerventils 14 ist durch .den Lenker 33 mit
dem rechten Ende des um den festen Punkt 34 .drehbaren Hebels 35 verbunden. Das
linke Ende des Hebels 35 trägt den unter den Anschlagteller z9 greifenden Anschlagnocken
36. Bei Mittelstellung der beiden Steuerventile steht der Anschlagnocken 36 vom
Anschlagteller 29 so weit ab, daß ein Auftreffen erst dann erfolgt, wenn beide Steuerventile
nach unten bis an die Grenze des Nutzhubbereiches verschoben sind. Bei kleinen Belastungsänderungen
kommt der Anschlag nicht zur Wirkung. Wenn jedoch nach einer großen Belastungsvergrößerung
der Laufradkolben 15 erheblich hinter der jeweils zugeordneten Stellung zurückbleibt
und das Steuerventil 14 deswegen über den Bereich des Nutzhubes hinaus nach unten
verschoben wird, trifft der Anschlagnocken 36 auf den Anschlagteller 29 auf, dabei
wird das rechte Ende des Hebels 2 entgegen der Kraft der Feder 32 vom Anschlag 3
i abgehoben und das Steuerventil 3 von unten her der Mittelstellung genähert. Dadurch
wird .die Öffnungsbewegung des Leitschaufelkodbens 4. verlangsamt oder ganz verhindert:
Eine Bedingung für das richtige Arbeiten der Sperrvorrichtung ist natürlich die,
daß die Feder i i unter Berücksichtigung der Hebelverhältnisse erheblich stärker
ist als die Feder 32, damit beim Auftreffen ,der Anschläge nicht etwa die Rolle
8 von der Kurvenbahn 7 abgehoben wird.
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Die Erfindung kann auch bei der praktisch ungünstigeren, aber grundsätzlich
möglichen Anordnung der Steuerung -verwendet werden, bei der der Laufschaufelkolben
vom Fliehkraftpendel und, der Leitschaufelkolben vom Laufschaufelkolben .gesteuert
wird. Die Abb. i, 2 und 3 stellen Regler dieser Bauart dar, wenn man sich, umgekehrt
als bisher angenommen, die Punkte 6 mit dem Laufschaufelgetriebe und die Punkte
i6 mit dem Leitschaufelgetriebe verbunden denkt, wobei dann sinngemäß die Kraftkolben
4 zu Laufschaufelkolben und die Kraftkolben. 15 zu Leitschaufelkolben werden.
Die Sperrung verhindert dann ein Voreilen des Laufschaufelkolbens gegen die der
jeweiligen Stellung des Leitschaufelkolbens zugeordnete Stellung.
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Die Sperrung nach der vorliegenden Erfindung kann auch bei Doppelreglern"
deren allgemeine Anordnung von der in Abb. i dargestellten abweicht, verwendet werden.
Als Beispiel ist in Abb, 4 die Anordnung einer Sperrung durch Beeinflussung des
Ölzuflusses bei einem Doppelregler angegeben, bei dem beide Arbeitskolben unmittelbar
vom Fliehkraftpendel gesteuert werden. Die Zeichen i, a, 4, 5, 6 und 14 bis 28 haben
in Abb. 4 dieselbe Bedeutung wie in Abb. s; der Leitschaufelkolben 4 wird hier wie
dort vom Fliehkraftpendel durch den Rückführhebel2 und .das Steuerventil
17 gesteuert. Dagegen wird abweichend von Abb. 2 das Steuerventil i4 'des
Laufradkolbens 15 vom Fliehkraftpendel durch den Rückführhebel 37 verstellt;
die Rückübertragung der Laufschaufelkolbenbewegung auf den Rückführhebel37 erfolgt
durch den im festen Punkt 38 gelagerten Winkelhebel 39, der die Kurvenbahn 4o für
die Rolle 41 trägt; ,diese Rolle sitzt am rechten Ende des Hebels 37 und wird durch
die Feder 42 an die Kurvenbahn angedrückt; die Form .der Kurvenbahn ist in bekannter
Weise so gewählt, daß sich im Beharrungszustand und bei langsamer Regelbewegung
die gewünschte Zuordnung ergibt. Wenn bei den schnellen Öffnungsbewegungen nach
großen Belastungsvergrößerungen der Laufschaufelkolben 15 hinter der der Stellung
des Leitschaufelkolbens 4 zugeordneten Stellung zu-, rückbleibt, erleidet das Steuerventil
14 eine große Verschiebung aus der Mittellage nach unten, so daß das Sperrventil
z4 in gleicher Weise wie bei dem in Abb.2 .dargestellten Regler die Öffnungsbewegung
des Leitschaufelkolbens. hemmt.
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Für das richtige Arbeiten eines nach Abb. 4 ausgeführten Reglers besteht
die Bedingung, daß das Steuerventil des Leitschaufelkolbens und die zugehörigen
Ölleitungen so reichlich bemessen sind, daß # von den beiden Kraftkolben niemals
der Leitschaufelkolben der zurückbleibende Kolben sein kann. Eine solche Bemessung
ist meistens leicht möglich. Andernfalls würde man auch in die Steuerung des Laufschaufelkolbens
eine Sperrung ein= zubauen haben, welche .dessen Öffnungsbewegung verlangsamt, wenn
der Leitschaufelkolbenzurückzubleiben beginnt. Es wärealso beispielsweise bei dem
in Abb.4 dargestellten Regler auch die Druckölzuleitung zum Steuerventil i4 in zwei
Äste zu zerlegen und in den beim Öffnen ,durchströmten Ast ein Sperrventil einzubauen,
das in Wirkung tritt, wenn das .Steuerventil i7 des Leitschaufelkolbens über die
Grenze des Nutzhubes hinaus nach unten verschoben wird. Dadurch wird jeder der beiden
Kraftkolben daran gehindert, gegen den anderen Kraftkolben vorzueilen.