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Doppelregler für Kaplinturbmen.
Um bei Kaplanturbinen, welche durch Verstellen der Leitschaufeln und der Laufschaufeln geregelt werden, bei allen Belastungen den höchsten jeweils möglichen Wirkungsgrad zu erreichen, muss jeder Leitschaufelstellung eine bestimmte Laufschaufelstellung zugeordnet sein. Die Doppelregler der Kaplanturbinen werden deswegen in bekannter Weise so ausgebildet, dass sie im Beharrungszustande die Leitschaufeln und Laufschaufeln in zugeordnete Stellungen bringen.
Es ist ferner bekannt, die Regler so auszubilden, dass nach einer plötzlichen Entlastung der Turbine vorübergehend eine starke Abweichung von dieser Zuordnung eintritt : man macht die grösste Schliessgeschwindigkeit, die der zur Verstellung der Laufschaufeln dienende Kraftkolben (Laufschaufelkolben) annehmen kann, absichtlich erheblich kleiner als die grösste Schliessgeschwindigkeit des die Leitschaufeln verstellenden Kraftkolbens (Leitschaufelkolbens).
Nach einer Belastungsverminderung erfolgt dann der Leistungsausgleich zunächst-in der ersten Phase des Regelungsvorganges-vorwiegend durch Schliessen der Leitschaufeln, während die Laufschaufeln sich nur wenig schliessen ; dabei soll unter "Schliessen" verstanden werden der Übergang von der steilen Stellung, die der vollen Leitschaufelöffnung zugeordnet ist, zu der der kleinsten Leitschaufelöffnung zugeordneten flachen Stellung.
Dieses Abweichen von der Zuordnung während des notwendigerweise schnellen Leistungsausgleiches nach einer Belastungsverminderung ist für die Regelung vorteilhaft, weil durch das Herabgehen des Wirkungsgrades der Betrag, um den die Wassermenge vermindert werden muss, erniedrigt und die schädlichen Trägheitswirkungen in der Wasserzuleitung und im Saugrohr entsprechend gemildert werden. Nachdem die Turbinenleistung ganz oder annähernd der verlangten Leistung angeglichen ist, macht sich in der zweiten Phase des Regelungsvorganges die verhältinsmässig langsame Schliessbewegung der Laufschaufeln gelten. m die Leistung gleichbleibend zu erhalten-nämlich gleich der verlangten Leistung-, müssen dabei auch die Leitschaufeln verstellt werden.
Die Steuerung der Kraftkolben sorgt in bekannter Weise dafür, dass die beiden Kraftkolben sich schliesslich in zugeordnete Stellungen einsteuern.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine besondere Ausbildung der Steuerung und bezweckt, den Regelungsvorgang nach einer plötzlichen Entlastung während der Zeit, in der die beiden Kraftkolben stark von den zugeordneten Stellungen abweichen, möglichst günstig zu gestalten.
Um das Wesen der Erfindung deutlich zu machen, soll zunächst das Arbeiten des in Fig. 1 dargestellten Reglers bekannter Bauart besprochen werden.
Das Fliehkraftpendel A betätigt durch den Rückführhebel B das Steuerventil C des Leitschaufelkolbens D, dessen Kolbenstange E im Punkte e1 an das Leitschaufelgetriebe angeschlossen ist. Die Stellungen, die der Punlkt e1 bei ganz geöffneten und bei ganz geschlossenen Leitschaufeln einnimmt,
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Rolle G abgetastet. Die Rolle G sitzt an dem einen Ende des Hebels H, dessen Punkt hl mit dem Steuerventil J des Laufradkolbens K gelenkig verbunden ist ; an die Kolbenstange kl ist im Punkte k2 das Laufschaufelgetriebe angeschlossen. Die Stellungen, die der Punkt k2 bei kleinster und bei grösster Turbinenleistung im Beharrungszustande einnimmt, sind in Fig. 1 und auch in den andern Figuren durch die Worte"flach"und"steil"bezeichnet.
Das Steuerventil J ist so ausgebildet, dass der Laufschaufelkolben K sich nach unten bewegt, wenn das Steuerventil aus der Mittellage nach oben verschoben ist. Die nach
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Die Form der Kurvenbahn f1 ist so gewählt, dass der Laufschaufelkolben K sich im Beharrungszustande stets in die der Stellung des Leitschaufelkolbens D zugeordnete Stellung einsteuert.
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Betrag sinkt, so arbeitet dieser Regler in folgender Weise. In der ersten Phase erfolgt ein schneller Leistungsausgleich durch eine schnelle Abwärtsbewegung des Leitschaufelkolbens D. Die nach oben durchgehende Kolbenstange des Kolbens D verstellt dabei den Endpunkt des Hebels B, den..
Rückführpunkt" . Die Bewegung des Leitsehaufelkolbells D wird auf das Steuerventil J übertragen und leitet eine Schliesse-
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der Leitschaufeln bestimmt wird und ähnlich verläuft wie bei einem gewöhnlichen einfachen Turbinenregler.
In der zweiten, länger dauernden Phase des Regelungsvorganges kommt die andauernde Schliessbewegung der Leitschaufeln zur Wirkung. Es wäre erwünscht, dass dabei die am Ende der ersten Phase eingeregelte Drehzahl sich nicht nochmals ändert. Dieser Wunsch bleibt aber unerfüllt ; denn das Schliessen der Laufradsehaufeln bei festgehaltenen Leitschaufeln bewirkt im allgemeinen eine Änderung der Turbinenleistung. so dass das Fliehkraftpendel nochmals eingreifen muss, um die Änderung auszugleichen. Am Ende der zweiten Phase, bei endgültig erreichtem Beharrungszustand ist dann der Rückführpunkt b1 in einer andern Lage als am Ende der ersten Phase, und dementsprechend hat sich auch die Dreii. : ahl nochmals geändert.
Da fast stets die Forderung gestellt wird, dass die Drehzahl verhältnismässig kurz nach der Belastungsänderung wieder gleichbleibend sein soll, wird man durch jene Vorgänge daran gehindert, die Schliessgeschwindigkeit des Laufschaufelkolbens so klein zu machen, wie es nötig sein würde, um während der ersten Phase eine merkliche Wirkung des Schliessens der Laufschaufeln zu unterdrücken und voll in den Genuss der Vorteile des Zurückbleibens der Laufschaufeln zu kommen.
Bei den meisten Ausführungen ist in die Verbindung zwischen dem Rückführpunkt b1 und dem Leitsehaufelkolben D noch ein nachgiebiges Element eingeschaltet. Die Nachteile der oben erörterten Vorgänge werden durch eine solche ,,nachgiebige Rückführung" etwas gemildert, aber nicht grundsätzlich beseitigt.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, während der zweiten Phase des Regelungsvorganges
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seitigen, so dass hinsichtlich der Drehzahl der Beharrungszustand schon am Ende der ersten Phase erreicht werden kann. Die in der zweiten Phase erfolgende Einsteuerung der Kraftkolben in die zugeordneten Stellungen wird dadurch eine innere Angelegenheit der beiden Kraftkolben, die ohne Mitwirkung des Fliehkraftpendels abläuft, und die Schliessgeschwindigkeit des Laufradkolbens kann ohne Nachteil beliebig klein gemacht werden.
Manhatversucht, den geschilderten Mangel # Änderung der Drehzahl während der zweiten Phasedadurch zu beseitigen, dass der Rückführpunkt an beide Kraftkolben angeschlossen wird. Ein Regler dieser bekannten Bauart ist in Fig. 2 dargestellt, in der die Zeichen A bis/ dieselbe Bedeutung haben wie in Fig. 1. Der Rückführpunkt bl ist hier mit einem Punkte l1 des Hebels L verbunden, dessen Endpunkte an den Leitschaufelkolben D und den Laufschaufelkolben K angeschlossen sind. Durch den
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wegung des Laufsehaufelkolbens addiert und die Summe wird auf den Rückführpunkt übertragen. Den gewünschten Erfolg hat man damit nicht erzielt.
Man hatte geglaubt, mit einer weiteren in Fig. 3 dargestellten Bauart Erfolg haben zu können, die eine Verallgemeinerung der in Fig. 2 dargestellten Bauart ist und deswegen eine weitergehende Anpassung an die Leistungseigenschaften der Turbine ermöglicht. In Fig. 3 haben die Zeichen l bis 1-2
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schlossen. Der eine Endpunkt dieses Hebels trägt die Rolle m2, welche von der mit dem Leitschaufelkolben D zwangläufig verbundenen Kurvenbahn geführt wird. Der andere Endpunkt des Hebels M
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bahn k3 geführt wird. Beide Rollen werden durch die Feder m4 an ihre Kurvenbahnen angepresst.
Bei dieser Bauart wird eine (durch die Kurvenbahnf2) beliebig wählbare Funktion der Leitsehauf el- öffnung zu einer (durch die Form der Kurvenbahn k3) beliebig wählbaren Funktion der Laufschaufelstellung addiert und die Summe wird auf den Rückführpunkt b1 übertragen. Dass gleichwohl mit dieser Anordnung die gewünschte Wirkung grundsätzlich nicht erreicht werden kann. geht aus folgender Überlegung hervor.
Während der zweiten Phase des Regelungsvorganges ist die Turbinenleistung unveränderlich.
Damit sie ohne Mitwirkung des Fliehkraftpendels, also bei gleichbleibender Drehzahl, unverändert bleibt,
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also nur von der Turbinenleistung abhängen, muss aber unabhängig davon sein, in welcher Weise, d. h. durch welche Leitschaufelöffnungen und Laufschaufelstellungen diese Leistung erzielt wird.
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Um dies nachzuweisen, ist in Fig. 4 das Leistungsfeld einer Kaplauturbine gezeichnet (es ist aus der Abb. 356 im Buch von Thomann, Wasserturbinen, zweiter Teil, 2. Auflage, Stuttgart 1931, Seite 259, abgeleitet). Nach rechts sind die Leitsehaufelöffnungen in Bruchteilen der Vollöffnung, nach oben die Drehwinkel der Laufschaufeln (von der flachsten Stellung an gerechnet) in Bruchteilen des grössten Drehwinkels aufgetragen. Jeder Punkt des Feldes entspricht einem bestimmten Betriebszustand. Die aus-
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Wenn der Rückführpunkt mit den beiden Kraftkolben so verbunden ist, dass seine Lage nur von der Turbinenleistung abhängt, muss jede Bewegung der Kolben, die eine Vergrösserung der Turbinen-
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genügen, ohne die Bewegungsübertragung für den Betriebspunkt N verkehrt zu machen ; denn in beiden
Fällen ist dieselbe Stelle der Kurvenbahn k3 wirksam.
Die Forderung, dass die Stellung des Rückführpunktes bei gegebener Fallhöhe und gegebener
Drehzahl nur von der Turbinenleistung abhängt, kann grundsätzlich nicht durch ein Getriebe erfüllt werden, dessen Wirkung den Charakter einer Addition zweier Einzelbewegungen hat, von denen die eine nur von der Leitschaufelbewegung, die andere nur von der Laufschaufelbewegung abhängt. Zur Erfüllung der Forderung muss vielmehr-darin beruht die vorliegende Erfindung-die kinematische
Verbindung von den beiden Kraftkolben zum Rückführpunkt so gestaltet sein, dass das Übersetzungs- verhältnis der Bewegungsübertragung vom Laufschaufelkolben zum Rüekführpunkt bei festgehaltenem
Leitsehaufelkolben von der Stellung des Leitschaufelkolbens abhängt.
Bei der Regelung einer Turbine mit einem Leistungsfeld gemäss Fig. 4 muss das Übersetzungsverhältnis vom Laufschaufelkolben zum
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Turbine ; die Leistungseigenschaften anderer Kaplanturbinen sind aber auch derart, dass das Übersetzungsverhältnis Laufschaufelkolben-Rückführpunkt von der Leitschaufelstellung abhängig sein muss, wenn die Stellung des Rückführpunktes nur von der Turbinenleistung abhängig sein soll.
Fig. 5 ist die schematische Darstellung eines nach der vorliegenden Erfindung ausgeführten Reglers, bei dem die Forderung, dass die Stellung des Rüekführpunktes nur von der Turbinenleistung abhängt, unter Verwendung eines Formkörpers streng erfüllt wird. Die Zeichen 1 bis kas haben dieselbe Bedeutung wie in Fig. 1. Die nach oben durchgeführte Kolbenstange des Kolbens K trägt die Zahnstange k4, die in das Zahnrad p1 eingreift. Der Durchmesser des letzteren ist so gewählt, dass es weniger als eine volle Umdrehung macht. wenn der Kolben J {seinen vollen Hub zurücklegt. Das Zahnrad sitzt fest auf der Welle p2, die in den Lagern q längsverschieblich geführt wird. Die Längsversehiebung der Welle wird
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Leitschaufelkolben D bewirkt.
Mit der Welle fest verbunden ist der Formkörper P. Dieser wird durch den Stift R abgetastet, der den Rückführungspunkt bl führt. Die Feder)'1 presst den Stift R gegen den Formkörper P.
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Jede senkrecht zur Achse der Welle p2 stehende Linie, die einen Punkt der Oberfläche des Formkörpers mit der Wellenaehse verbindet, soll als Radius bezeichnet werden. Da dem Formkörper seine Winkelstellung vom Laufschaufelkolben und seine Längsstellung vom Leitschaufelkolben vorgeschrieben wird, ist für jede Kombination von Laufsehaufelstellung und Leitschaufelstellung ein bestimmter Radius für die Höhenlage des Rückführpunktes massgebend. Der Formkörper ist nun so gestaltet, dass die Längen der Radien nur von der Turbinenleistung abhängen und mit ihr stetig wachsen, im einfachsten Falle also derart, dass die Länge der Radien proportional mit der Turbinenleistung zunimmt. Das Arbeiten des in Fig. 5 dargestellten Reglers ergibt sich aus dem früher Dargelegten von selbst.
Statt des den Formkörper enthaltenden Getriebes können auch Getriebe verwendet werden, welche nur aus Kurbeln, Lenkern und Geradführungen bestehen. Man muss sich dann damit begnügen, dass die genannte Forderung nur annähernd erfüllt wird. Getriebe, welche für ein gegebenes Leistungsfeld die Forderung hinreichend genau erfüllen, können durch Ausprobieren auf dem Reissbrett gefunden werden.
Als Beispiel soll hier ein Getriebe beschrieben werden, welches für die Regelung einer Turbine mit einem Leistungsfeld gemäss Fig. 6 verwendet werden kann. Das Getriebe ist in Fig. 7 gezeichnet ; es ist ein ebenes Getriebe, welches, abgesehen von den für die beiden Bewegungseingänge und den Be- wegungsausgang verwendeten Geradführungen, nur aus drei Lenkern besteht ; die Fig. 7 ist hinsichtlich der baulichen Durchbildung nur schematisch, hinsichtlich der kinematischen Verhältnisse jedoch massstäblich richtig.
Die Bewegung des Leitschaufelkolbens wird dem Getriebe durch die Stange U zugeleitet, die sich in der Führung u1 parallel verschiebt. An das obere Ende der Stange U ist im Punkte der Lenker X drehbar angeschlossen. Die Stellungen, die der Punkt xI auf seiner (strichpunktierten) Führungslinie
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parallel verschieben kann und dadurch den Punkt bl auf der strichpunktierten Linie führt. bl ist gleichzeitig der Rückführpunkt, an ihn ist der Rückführhebel B angeschlossen (vgl. auch Fig. 5). Die Höhenlage z des Punktes bl soll nach der eingezeichneten, gleichmässig geteilten Skala gemessen werden : die Skala ist so gelegt, dass für den Leerlauf der Turbine im Beharrungszustand-wobei gemäss Fig. 6
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gezeichneten Stellung ist z = 0'61.
Die Wirkungsweise des Getriebes ist folgende. Der der gezeichneten Stellung (a = 0#8, A == 0'5) entsprechende Betriebspunkt ist im Leistungsfeld Fig. 6 angegeben ; er liegt auf der gestrichelt einge-
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die Turbine von diesem Zustande aus plötzlich vollständig entlastet wird, arbeitet sie am Ende der ersten Phase (sofern man von der geringen, schon während der ersten Phase eintretenden Schliessbewegung der Laufschaufeln absieht) in dem in Fig. 6 ebenfalls angegebenen Betriebspunkte a. (, = 0'24, À = 0'5). Die entsprechende Stellung des Getriebes ist in Fig. 7 gestrichelt gezeichnet : der Punkt, in dem die drei Lenker zusammenlaufen, hat dabei die Lage n', die Höhenlage des Rückführpunktes ist z = 0.
Am Ende der zweiten Phase arbeitet die Turbine in dem Betriebspunkte (t = 0#06, À = 0 ; die entsprechende Stellung des Getriebes ist in Fig. 7 ebenfalls gestrichelt gezeichnet : der Punkt, in dem die drei Lenker zusammen-
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haltung des unteren Endpunktes des linken Lenkers eine Vergrösserung von z zu bewirken.
Um eine genauere Beurteilung der Bewegungsverhältnisse des Getriebes zu ermöglichen, ist die Art, in der bei dem in Fig. 7 gezeichneten Getriebe z von a und À abhängt, in Fig. 8 dadurch angegeben, dass in das Feld a-), Linien für gleichbleibende Werte von z eingetragen sind. Ein Vergleich der Fig. 6 und 8 ergibt, dass die Linien z = const, in Fig. 8 sogar besser, als es an sich nötig sein würde, mit den Linien N = const. in Fig. 6 übereinstimmen.
Durch das in Fig. 7 gezeichnete Getriebe wird also nicht nur die-für die Verwirklichungen der vorliegenden Erfindung an sich ausreichende-Forderung erfüllt, dass die Stellung des Rückführpunktes nur von der Turbinenleistung abhängt und unabhängig davon ist,
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in welcher Weise diese Leistung erzielt wird, sondern es wird darüber hinaus auch erreicht, dass der Weg des Rückführpunktes proportional der Leistung ist.
PATENT-ANSPRÜCHE :
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je einen besonderen Kraftkolben hat und bei dem vom Leitschaufelkolben und vom Laufschaufelkolben durch ein Getriebe eine Rückführungsbewegung auf die Steuerung übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass'dieses Getriebe - beispielsweise ein Getriebe mit drei Lenkern, von denen der eine (X) vom Leitschaufelkolben (D), der andere (Y) vom Laufschaufelkolben (K) angetrieben wird und der
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des Laufschaufelkolbens (K) auf die Rückführung (bu) übertragen wird, von der Stellung des Leitschaufelkolbens abhängt, u. zw.
derart, dass mindestens in einem Teil des Hubbereiche des Laufschaufelkolbens das Übersetzungsverhältnis bei kleinen Leitschaufelöffnungen kleiner ist als bei grossen Leitschaufel- öffnungen (Fig. 7, 5).