AT204498B - Einrichtung zur Begrenzung der Drehzahlsteigerung bei plötzlicher Abnahme der Belastung von Strömungsmaschinen, insbesondere von Kaplan-Turbinen - Google Patents

Einrichtung zur Begrenzung der Drehzahlsteigerung bei plötzlicher Abnahme der Belastung von Strömungsmaschinen, insbesondere von Kaplan-Turbinen

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AT204498B
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   Einrichtung zur Begrenzung der Drehzahlsteigerung bei plötzlicher Abnahme der Belastung von   Strömungsmaschinen,   insbesondere von Kaplan-Turbinen 
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 nahme der Belastung der Turbine, beispielsweise infolge Ausfalls eines vom Generator gespeisten Netzes, bekanntlich notwendig, das Durchgehen der nun nicht mehr voll belasteten Turbine zu verhindern. Es wurde daher schon versucht, durch den Drehzahlregler der Turbine einen Schnellschluss des Leitapparates herbeizuführen. Allerdings muss hiebei der Nachteil in Kauf genommen werden, dass schädliche Druckstösse an der Wasserzuführungsleitung entstehen. 



   Bei den Bestrebungen, diesen Nachteil durch Ausdehnung der Schliesszeit des Leitapparates zu beseitigen, ist man dann dazu übergegangen, an der Turbine zusätzliche Schwungmassen, beispielsweise ein Schwungrad, anzuordnen. Diese Lösung war aber auch nicht zufriedenstellend. Soll nämlich die Drehzahlsteigerung wie üblich   30 - 400/0   der Drehzahl bei Vollbelastung der Turbine nicht überschreiten, dann ist ein erheblicher Aufwand an Schwungmassen erforderlich, der umso grösser wird, je grösser die Turbinenleistung und je kleiner die Betriebsdrehzahl der Turbine ist. Um nun nicht allzu grosse Schwungmassen einbauen zu müssen, ist man auf den Ausweg gekommen, auf die üblichen Garantien zur Einhaltung bestimmter Drehzahlen zu verzichten.

   Das ist aber nur möglich, wenn nach einer plötzlichen Abnahme der Turbinenbelastung der Generator keine Stromverbraucher, insbesondere keine elektrisch angetriebenen Kreiselpumpen mehr zu versorgen braucht, denen eine mit der Drehzahlsteigerung verbundene Spannungs- und Frequenzsteigerung schaden würde. 



   Wenn aber   der Generator eine Kaplan-Turbine   mit grosser Leistung und kleiner Normaldrehzahl mehrere Netze, also beispielsweise ein grosses Netz und ausserdem noch ein oder mehrere kleinere Netze mit verhältnismässig geringer Belastung speisen muss und wenn das grosse Netz beispielsweise infolge Kurzschluss ausfällt, dann müssten zwecks Begrenzung der Drehzahlsteigerung die   Schwungmassenaussergewöhn1ich   gross ausgeführt werden. 



   Ausser dem Auftreten von schädlichen Druckstössen an der Wasserzuführungsleitung besteht bei zu schnellem Schliessen des Leitapparates gegenüber dem Laufrad auch die Gefahr, dass ein negatives Turbinenmoment auftritt, wodurch mechanische Beschädigungen der Turbine infolge axialer Bewegungen der Turbinenwelle hervorgerufen werden können.

   Das Auftreten eines solchen negativen Turbinenmomentes bei plötzlicher Entlastung der Turbine zu verhindern, ist Aufgabe einer bekannten Einrichtung, bei welcher der Regler, mit dem voneinander abhängige Lagen für das Laufrad und die Leitschaufeln zur Erzielung der   höchsten Leistung eingestellt werden, ausser   mit normalen für die Drehzahlregelungen erforderlichen Rückführmitteln mit weiteren   Rf1ckführmitteln   versehen ist, die die Schliessbewegung der Leitschaufeln in Abhängigkeit von der Einstellung des Laufschaufelwinkels verzögern, damit gewünschte, von der Einstellung der Drehzahlregelung abweichende Lagen für die Einstellung des Winkels der   Laufschaufe1n   und die Öffnung der Leitschaufeln erhalten werden. 



   Eine weitere bekannte Einrichtung   zur Verhinderung des Durchgehens der Turbine   bei plötzlicher Ent-   leistung   weist eine Sicherheitsvorrichtung auf, durch die die Turbine bei einer bestimmten, über die normale   Drehzahl hinausgehenden   Drehzahl   stillgesetztwird, u.   zw. so, dass die Turbine erst wieder ange- 

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 fahren werden kann, wenn die Einrichtung von Hand wieder in ihre Ausgangslage zurückgebracht worden ist. 



   Es wurde auch bereits von   der Eigenschaft der Kaplan-Turbine   Gebrauch gemacht, dass bei plötzlicher
Abnahme der Turbinenbelastung der jeweilige Wasserdurchlass unverändert bleiben kann, wenn unter Beibehaltung der jeweiligen Leitschaufelstellung die Laufradschaufeln entsprechend geöffnet werden. Der
Lastausgleich wird dann lediglich durch Abfallen des Turbinenwirkungsgrades bewirkt. Ein Schnell- schliessen der Druckwasserleitung ist dann nicht mehr notwendig. 



   Durch die Erfindung wird eine besonders günstige Lösung für eine Einrichtung zur Begrenzung der
Drehzahlsteigerung bei plötzlicher Abnahme der Belastung von Strömungsmaschinen mit verstellbaren   Leit-und Laufradschaufeln,   insbesondere von Kaplan-Turbinen vorgeschlagen, bei der die der Leit- schaufelverstellung zugeordnete Laufradschaufelverstellung mittels einer Kurvenscheibe durchgeführt und die Zuordnung zwecks Öffnens der Laufradschaufeln vorübergehend aufgehoben wird. 



   Erfindungsgemäss ist für das Öffnen der Laufradschaufeln bei einer plötzlichen starken Schliessbewegung der Leitschaufeln zwischen der Kurvenscheibe und der Laufradschaufelsteuerung ein auf die bei plötzlicher Abnahme der Belastung auftretenden Drehzahlsteigerungen ansprechendes Verstellorgan eingeschaltet, das die Laufradschaufeln entgegen dem Bewegungssinn der Leitschaufeln, nämlich im Öff- nungssinn und etwa proportional der Bewegung derselben bewegt und das ferner eine Schliessung der Lauf- radschaufeln mit Verzögerung so lange bewirkt, bis die Leit- und Laufradschaufeln einander wieder zu- geordnet sind. 



   Das Verstellorgan wird etwa durch einen Servomotor gebildet, von dem der Zylinder bzw. der Kol- ben mit der Kurvenscheibe und der   andere Servomotorteil (Kolben bzw. Zylinder)   mit dem Verstellgestän- ge für das Laufradsteuerventil verbunden ist, und dessen Zylinderräume beiderseits des Kolbens über ein   . Rückschlagventil   und einen Katarakt miteinander in Verbindung gebracht sind. Gerade ein Servomotor eignet sich für die genannte Aufgabe besonders gut, denn dieser ist sehr einfach in seiner Bauweise und sehr betriebssicher, ohne dass etwa eine besondere Wartung notwendig wäre. 



   Das Verstellorgan kann aber auch aus zwei Servomotoren gebildet werden. Die Anordnung derselben wird dann so getroffen, dass der Kolben des einen Servomotors mit der Kurvenscheibe und der Kolben des andern Servomotors mit dem Verstellgestänge für das Laufradsteuerventil gekuppelt sind. Die Arbeits- räume der beiden Servomotoren sind durch eine Leitung miteinander zu verbinden, die über eine Blende an den für die beiden Servomotoren gemeinsamen Ölsammelbehälter angeschlossen ist. 



   Die Erfindung ist in der Zeichnung in zwei Ausführungsbeispielen schematisch dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 eine Einrichtung zur Begrenzung der Drehzahlsteigerung, bestehend aus einem einzigen Servomo- tor, und Fig. 2 eine aus. zwei Servomotoren bestehende   Begrenzungsein richtung.   



   Nach Fig. 1 werden die Bewegungen des Drehzahlreglers 32 über die Stangen 41 und den Hebel 33 sowie die an dem Hebel 33 in der   Mi' : te angelenkte   Kolbenstange 34 auf das Leitradsteuerventil 35 und von hier weiter über den Leitradservomotor 36 und die Kolbenstange 39 auf den Führungskranz 37 der
Leitschaufeln 38 der Turbine 31 übertragen. Der Hebel 33 ist mit seinem andern Ende über die Stange 45 mit einem auf der Welle 11 der Kurvenscheibe 1 fest angeordneten Hebel 46 in Wirkverbindung. Entspre- chend der Bewegung der Kolbenstange 39 des Servomotors 36 wird auch über den Hebel 40 die auf der
Welle 11 befestigte Kurvenscheibe 1 für die Leitschaufelverstellung bewegt. Auf der Kurvenscheibe 1 glei- tet dabei die Rolle 2, die an einem Schwenkarm (Verstellstange) 3 gelagert ist.

   Der Schwenkarm 3 ist über die bei 5 angelenkte Stange 4 mit dem Steuerventil 6 für den   Laufradservomotor   7 verbunden. Am andern Ende des Schwenkarmes 3 ist die Rolle 8 gelagert, die auf der Kurvenbahn der zur Rückführung des
Schwenkarmes 3 und damit des Laufradsteuerventiles 6 in die Ausgangsstellung (Mittelstellung) dienenden
Kurvenscheibe 9 gleitet. Der Schwenkarm 3 und damit auch die beiden Rollen 2 und 8 werden durch eine im Festpunkt 17 befestigte Druckfeder 10 gegen die Bahnen der Kurvenscheiben 1 und 9 gedrückt. 



   Mit der Welle 11 der Kurvenscheibe 1 ist ein Hebel 12 verbunden, der am Zylinderboden eines Servo- motors 13 angelenkt ist, während der Kolben 130 dieses Servomotors mit seiner Kolbenstange 131 am   Schwenkarm   3 gelagert ist. Der Servomotorzylinder weist einen Katarakt 14 mit einer einstellbaren Blen- de 15 auf. Ausserdem ist am Kolben 130 ein Rückschlagventil 16 angeordnet, das die Aufgabe hat, bei den durch einen Pfeil a angedeuteten Schliessbewegungen der Kurvenscheibe 1 den Kolben 130 gegen den
Durchfluss des Öles vom unteren in den oberen Zylinderraum zu sperren, dagegen bei den Öffnungsbewe- gungen der Kurvenscheibe (Pfeil b) den Öldurchfluss freizugeben.

   Die Blende   15   des Kataraktes ist so ein- gestellt, dass bei normalen, meist sehr langsamen und verhältnismässig kleinen Schliessbewegungen der
Kurvenscheibe das verdrängte Öl durch den Katarakt von einem Zylinderraum in den   andem   fliessen kann, ohne die Verstellbewegungen auf die Kolbenstange 131 zu übertragen. Es findet also kein Abheben der 

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 Laufrolle 2 von ihrer Laufbahn statt. Erst bei einem vom Regler eingeleiteten Schnellschluss, also bei schnellen und grossen Schliessbewegungen der Kurvenscheibe genügt der Durchfluss durch den Katarakt 15 nicht mehr, so dass es zu einer Übertragung dieser Schliessbewegungen auf die Kolbenstange 131 unter Abhebung der Rolle 2 von ihrer Kurvenbahn kommt. 



   Über einen im Drehpunkt 43 gelagerten Hebel 42 ist die Stange 41 des Drehzahlreglers 32 mit dem Schnellschlussorgan 44 verbunden. Das Schnellschlussorgan 44 weist eine Magnetspule auf, die bei Ansprechen einer der verschiedenen (nicht gezeigten) in der Turbinenanlage eingebauten Sicherheitseinrichtungen in Tätigkeit tritt und den Hebel 42 und damit. auch die Stange 41 des Drehzahlreglers 32 nach unten bewegt und so einen Schnellschluss der Leitradschaufeln und gleichzeitig eine Öffnung der Laufradschaufeln bewirkt. 



   Die Einrichtung wirkt   folgendermassen :   Bei einer, beispielsweise durch Kurzschluss in einem der vom Turbinengenerator versorgten Netze ausgelösten, in diesem Fall plötzlichen Schliessbewegung des Turbinenreglers 32 werden über die Stangen 41 und den Hebel 33, die Kolbenstange 34, das Steuerventil 35, den Servomotor   36,. die   Kolbenstange 39 und den Führungskranz 37 die Leitschaufeln inSchliessrichtung verstellt. Gleichzeitig werden durch die dabei stattfindende Verstellbewegung der Kolbenstange 39 übel den an ihr angelenkten Hebel 40 und die Welle    ll   die auf ihr befestigte Kurvenscheibe 1 und der Hebel 12 in der durch den Pfeil a angedeuteten Richtung sehr schnell und weit ausgeschwenkt und damit der Zylinder des Servomotors 13 vom Hebel 12 hochgehoben.

   Infolge der einseitig wirkenden Sperre 16 des Servomotorkolbens 130 und des in diesem Fall den Öldurchfluss vom unteren zum oberen Zylinder nahezu sperrenden Kataraktes wird auch der Kolben 130 mitgenommen und der Schwenkarm 3 entgegen der Druckkraft der Feder 10 hochgehoben. Dadurch wird das Laufradsteuerventil 6 durch die Stange 4 in die Öffnungsstellung verschoben, also ein Öffnen der Laufradschaufeln etwa proportional den Schliessbewegungen der Kurvenscheibe 1 bewirkt und damit auch die Wirkverbindung zwischen dieser Kurvenscheibe und der Laufradsteuerung wenigstens vorübergehend gelöst. Damit ist ein Durchgehen der Turbine nicht mehr möglich. 



   Eine unter der Wirkung der Druckfeder 10 eingeleitete Rückführung der am Schwenkarm gelagerten 
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 zeitigen Abwärtsbewegung des mit dem Schwenkarm 3 verbundenen Servomotorkolbens 130 kann das von ihm   verdrängte Öl   infolge   der Sperre des Rückschlagventiles   16 nur durch die Blende 15 des Kataraktes 14, also mit Zeitverzögerung fliessen. Bis zum Auftreffen der Rolle   2 ruf ihre   Kurvenbahn ist aber inzwischen die dem neuenBetriebszustand angepasste Zuordnung zwischen der Leitschaufel- und der Laufradschaufelverstellung, u. zw. jetzt langsam und damit ohne schädliche Rückwirkung auf die Druckwasserleitung eingesteuert worden. 



   Der vorstehend beschriebene Vorgang läuft in der gleichen Weise ab, wenn das Schnellschlussorgan 44 in Tätigkeit tritt. 



   Bei der Ausführung nach Fig. 2 werden zwei Servomotoren 18, 19 verwendet. Hiebei sind die Kolbenstange 181 des Servomotorkolbens 180 mit dem Hebel 120 der Kurvenscheibe 1 und die Kolbenstange 191 des Servomotors 19 mit dem Schwenkarm 3 gelenkig verbunden. Die Zylinder der beiden Servomotoren 18, 19 sind durch eine Leitung 20 miteinander verbunden. Diese Leitung hat eine Abzweigung 200, die über eine einstellbare Blende 21 in einen beiden Servomotoren gemeinsamen Ölsammelbehälter 22 einmündet. 



   Bei einer vom Turbinenregler ausgelösten Schnellschliessbewegung der Kurvenscheibe 1 in Richtung des Pfeiles a wird der Kolben 180 des Servomotors 18 abwärts bewegt und dadurch das Öl durch die Lei- 
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 Blende 21 in   den Ölsammelbehälter 22 so stark gedrosselt ist, dass er sich auf die Übertragungsbewegungen   nicht auswirken kann. Der Kolben 190 wird etwa proportional der   Schliessbewegung   der Kurvenscheibe nnchgehoben und damit die Wirkverbindung zwischen der Rolle 2 und der Kurvenbahn der Kurvenscheibe 1 vorläufig aufgehoben. Durch das Hochheben des Schwenkarmes 3 wird aber auch gleichzeitig über die mit diesem Schwenkarm gekuppelte Stange 4 das Steuerventil 6 für den Laufradservomotor 7 im Öffnungssinn verstellt.

   Die verzögerte   Rückführung   des Schwenl armes 3 wird bei dieser Ausführung so durchgeführt, dass das Öl unter der Wirkung der über den Schwenkarm 3 auf die Kolbenstange 191 drückenden Feder 10 über die Leitung 20 und die Zweigleitung 200 durch   die Blende 21, also   langsam   in den Sammelbehälter   22 zurückgepumpt wird, u. zw. so lange, bis die Rolle 2 wieder auf ihrer Kurvenbahn aufliegt. Inzwischen ist aber vom Regler eine neue Kurvenscheibenstellung eingesteuert   worden. BeiÖffnungsvorgängen (Pfeilb)   der Kurvenscheibe   1,   also beim Hochsteigen der Kolben der beiden Servomotoren 18 und 19 wird über das nur einseitig wirkende Ventil 23 aus dem Sammelbehälter 22 Öl angesaugt und so die Bildung eines Leerraumes in den Zylindern und in der Leitung 20 vermieden.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE : 1. Einrichtung zur Begrenzung der Drehzahlsteigerung bei plötzlicher Abnahme der Belastung von Strömungsmaschinen mit verstellbaren Leit- und Laufradschaufeln, insbesondere von Kaplan-Turbinen, bei denen die der Leitschaufelverstellung zugeordnete Laufradschaufelverstellung beispielsweise mittels einer Kurvenscheibe durchgeführt und die Zuordnung zwecks Öffnen der Laufradschaufeln vorübergehend aufgehoben wird, dadurch gekennzeichnet, dass für das Öffnen der Laufradschaufeln bei einer plötzlichen varken Schliessbewegung der Leitschaufeln zwischen der Kurvenscheibe und der Laufradschaufelsteuerung ein auf die bei plötzlicher Abnahme der Belastung auftretenden Drehzahlsteigerungen ansprechendes Verstellorgan eingeschaltet ist,
    das die Laufradschaufeln entgegen dem Bewegungssinn der Leitschaufeln, nämlich im Öffnungssinn und etwa proportional der Bewegung derselben bewegt und das ferner eine Schliessung der Laufradschaufeln mit Verzögerung solange bewirkt, bis die Leit- und Laufradschaufeln einander wieder zugeordnet sind.
    2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellorgan durch einen Servomotor gebildet ist, von dem der Zylinder bzw. Kolben mit der Welle der Kurvenscheibe und der andere Servomotorteil (Kolben bzw. Zylinder) mit dem Verstellgestänge für das Laufradsteuerventil (6) verbunden ist und dessen Zylinderräume beiderseits des Kolbens über ein Rückschlagventil (16) und einen Katarakt (14,15) miteinander in Verbindung stehen (Fig. 1).
    3. Einrichtung nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellorgan aus zwei Servomotoren (18, 19) gebildet ist, von denen der Kolben des einen Servomotors (18) mit der Welle (11) der Kurvenscheibe und der Kolben des andern Servomotors (19) mit dem Verstellgestänge (3) für das Laufradsteuerventil (6) gekuppelt sind und dass die Arbeitsräume der beiden Servomotoren durch eine Leitung (20) miteinander verbunden sind, die über eine Blende (21) an den für die beiden Servomotoren gemeinsamen Sammelbehälter (22) angeschlossen ist (Fig. 2).
AT148858A 1957-03-21 1958-03-01 Einrichtung zur Begrenzung der Drehzahlsteigerung bei plötzlicher Abnahme der Belastung von Strömungsmaschinen, insbesondere von Kaplan-Turbinen AT204498B (de)

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