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Regelvorrichtung für Wasserturbinen
Das Stammpatent bezieht sich auf eine Regelvorrichtung für Wasserturbinen, denen das Betriebswasser durch Druckrohrleitungen zugeführt wird, mit einem durch einen hydraulischen Stellmotor verstellba- ren Turbinenleitrad und einem durch einen weiteren hydraulischen Stellmotor zu betätigenden Entlastungventil in der Rohrleitung (Rohrleitungs-Druckregler). Durch die im Stammpatent vorgeschlagenen Massnahmen soll verhindert werden, dass das Leitrad schnell schliesst, ohne dass der Druckregler öffnet.
Dies wird dadurch erreicht, dass der Leitradstellmotor und der Druckregelstellmotor mit ihren Öffnungsseiten und/oder mit ihren Schliessseiten über eine bzw. je eine Leitung hydraulisch miteinander verbunden werden, wobei in der Leitung bzw. in den Leitungen ein vom Turbinenregler beeinflusstes und in Abhängigkeit von der Leitradstellung zurückgeführtes Steuerventil angeordnet wird, und ferner dadurch, dass zufolge der entsprechenden Wahl der Abmessungen der Stellmotoren bei einem Leitradschliessvorgang entweder die vom Kolben des jeweils steuernden Stellmotors ausgeschobene Ölmenge oder die Differenz zwischen den sich zu Beginn und am Ende des Schliessvorganges im steuernden Stellmotor befindlichen Gesamtölmengen stets der in den gesteuerten Stellmotor eingeschobenen Ölmenge gleich ist.
Diese Vorrichtung hat zudem den Vorteil, dass sie es ermöglicht, sowohl den Leitapparatstellmotor als auch den Druckreglerstellmotor als einfache normale Stellmotoren auszubilden und das Steuerventil klein und billig bauen zu können.
Ausserdem vermeidet sie die Anwendung von Gestängen. In zweckmässiger Ausbildung des Erfindungsgedankens gibt das Stammpatent für eine Reihe von Ausführungsmöglichkeiten einer solchen Regelvorrichtung Lösungen an.
Gemäss vorliegender Erfindung werden nun in zweckmässiger weiterer Ausbildung des Erfindungsgedankens für eine Reihe weiterer Ausführungsmöglichkeiten vorteilhafte Lösungen angegeben.
Nach Anspruch 2 des Stammpatentes verbindet das in der Verbindungsleitung zwischen den Schliessseiten der beiden Stellmotoren angeordnete Steuerventil bei einem vom Turbinenregler ausgelösten Leitradschliessvorgang die Schliessseiten der beiden Stellmotoren miteinander und entlastet die Öffnungsseiten des Leitradstellmotors, während es bei einem Leitradöffnungsvorgang die Öffnungsseite des Leitradstellmotors an die Druckmittelzuleitung anschliesst und die Schliessseite des Leitradstellmotors entlastet. Nach Anspruch 3 des Stammpatentes ist die Offnungsseite des Druckreglerstellmotors ausserdem an eine Druckquelle konstanten Druckes angeschlossen.
Für eine Regelvorrichtung nach einem dieser beiden oder einem der Ansprüche 4 und 5 des Stammpatentes, gemäss denen das Steuerventil bei einem Leitradschliessvorgang die Verbindungsleitung freigibt, und dadurch die Schliessseiten der beiden Stellmotoren miteinander verbindet und die Öffnungsseite des Druckreglermotors über eine weitere Leitung an die Verbindungsleitung anschliesst bzw.
auch noch das Hubvolumen des Leitradstellmotors dem Hubvolumen der Kolbenstange des Druckreglerstellmotors gleichgemacht ist, wird vorgeschlagen, das Steuerventil so auszubilden, dass es in der Mittellage des Steuerventilkolbens, also bei vom Turbinenregler weder im Sinne einer Belastung noch im Sinne einer Entlastung der Turbine verstelltem Steuerventilkolben die Schliessseite des Druckreglerstellmotors mit der Druckmittelzufuhrleitung über einen zwischen dem Steuerventilkolben und dem Steuerventilgehäuse ausgebildeten, in seiner Grösse der gewünschten bzw. geforderten Schliessgeschwindigkeit des Druckreglerstellmotors entsprechend bemessenen Durchflussquerschnitt, beispielsweise über eine oder mehrere im Steuerventilkolben
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angeordnete kleine Nuten, verbindet.
Ist die erfindungsgemässe Einrichtung so ausgebildet, dass bei einem vom Turbinenregler ausgelösten Leitrad-Schliessvorgang die Öffnungsseite des Druckreglerstellmotors über das Steuerventil an die Verbindungsleitung zwischen den Schliessseiten der beiden Stellmotoren angeschlossen ist, so wird in weiterer Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen, zwischen dem Steuerventilkolben und dem Steuerventilgehäuse einen weiteren Durchflussquerschnitt auszubilden, der in der Mittellage des Steuerventilkolbens den Abfluss des Druckmittels von der Öffnungsseite des Druckreglerstellmotors über eine Blende freigibt, die entsprechend der gewünschten Schliesszeit des Druckreglers ausgebildet ist.
Dadurch ist in der Mittellage des Steuerventilkolbens die Öffnungsseite des Druckreglerstellmötors völlig vom Druck des Druckmittels entlastet, so dass der Druckregler von dem auf der Schliessseite des Druckreglerstellmotors auf den Kolben wirkenden Druck des Druckmittels sicher geschlossen gehalten wird.
Da in der Regel die zur Steuerung des Leitrades und des Druckreglers benötigten Stellölmengen sehr verschieden gross sind, wird weiterhin vorgeschlagen, den das Druckmittel für den Leitradstellmotor und den das Druckmittel für den Druckreglerstellmotor steuernden Teil des Steuerventiles mit ihren Abmessungen den jeweils erforderlichen Stellölmengen anzupassen, wodurch eine erhebliche Materialersparnis für das Steuerventil erzielt werden kann.
Um zu verhindern, dass der Druckregler nicht schliesst, etwa weil der Steuerventilkolben infolge Blockierens des Leitrades nicht in die Mittellage zurückgeführt wird, kann der Steuerventilkolben zweiteilig ausgebildet werden, u. zw. so, dass der den Druckregler steuernde Teil und der das Leitrad steuernde Teil voneinander getrennt werden, wobei der zuerst genannte Teil des Steuerventi1l < olbens mittels Federn an seinen beiden Stirnseiten gegen das Ventilgehäuse abgestützt und auf dem zuletzt genannten Teil des Steuerventilkolbens verschiebbar geführt wird.
Ausserdem werden die beiden Teile des Steuerventilkolbens mittels eines ölkataraktes mit einer Blende miteinander in Wirkverbindung gebracht, wodurch, wenn. beispielsweise ein Entlastungsvorgang an der Turbine erfolgt, nach einem ersten gemeinsamen Verstellen beider Teile des Steuerventilkolbens aus der Mittellage der den Druckregler steuernde Teil unter der Wirkung der durch die Verstellung verschieden gross gewordenen Federkräfte wieder in die Mittellage zurückkehrt, wobei das Öl im Katarakt durch die Blende von der einen zur andern Seite fliesst und der Druckregler somit wieder schliessen kann.
Die Erfindung ist in der Zeichnung in einigen Ausführungsbeispielen schematisch dargestellt und wird im folgenden an Hand dieser noch näher erläutert. Es zeigen : Fig. lb, 2b und 4b Ausführungen der Regelvorrichtung, bei denen das Steuerventil in der Verbindungsleitung zwischen den Schliessseiten der beiden Servomotoren angeordnet ist, und Fig. lc, 2c, 4c und 4d Weiterbildungen zu den Beispielen nach den Fig. Ib, 2b und 4b.
Die Fig. 1b zeigt die Steuerung bei vollkommen gleichen Hubvolumen des Druckreglerstellmotors 1 und des Leitradstellmotors2. Der Steuerventilkolben 30 hat an den Stellen Bunde, an denen er gemäss den Fig. l und la des Stammpatentes Eindrehungen aufweist. Entsprechend dieser veränderten Ausbildung des Steuerventilkolbens 30 ist auch das Steuerventilgehäuse gestaltet. Gegenüber den Fig. l und la des Stammpatentes sind dadurch die Steuerkanten vertauscht. Auch ist die Schliessrichtung s des Leitradstellmotors 2 eine umgekehrte und sind die in den Ablaufleitungen des Druckmittels von den beiden Seiten des Leitradstellmotors angeordneten Blenden 10 und 13 im Steuerventilkolben 30 angeordnet.
Bei einem Lastabwurf der Wasserturbine bewegt der Geschwindigkeitsregler 8 den Steuerkolben 30 des Steuerventiles 3 nach unten. Die Steuerkante 3d gibt dem Öl den Abfluss auf der Öffnungsseite 2b des Leitradstellmotors 2 über die Blende 10 frei. Dadurch kann der mit dem vom Wasserdruck aufgedrückten Druckreglerkegel le über die Kolbenstange Id verbundene Kolben Ic das Öl aus der Schliessseite la des Druckreglerstellmotors 1 über die geöffnete Steuerkante 3e durch die Leitung 400 auf die Schliessseite 2a des Leitradstellmotors 2 pumpen. Das Leitrad schliesst, wodurch der Steuerkolben 30 wieder in die gezeichnete Mittellage zurückgeführt wird.
Dadurch ist die Steuerkante 3e und an sich auch die Steuerkante 3g geschlossen, jedoch kann über einige, an der Steuerkante 3g in den Steuerkolben 30 eingearbeitete, der gewünschten Schliessgeschwindigkeit des Druckreglers entsprechend ausgebildete und bemessene kleine Nuten auch jetzt Druckmittel von dem über die Druckmittelzufuhrleitung 5 an eine nicht dargestellte Druckquelle beliebigen, aber konstanten Druckes p angeschlossenen Ringraum 3b über den Ringkanal 3a in die Verbindungsleitung 4 und damit auf die Schliessseite la des Druckreglerstellmotors einströmen, so dass der Druckregler wieder schliesst.
Folgt dem Entlastungsvorgang eine Belastung, bevor der Druckregler ganz geschlossen hat, dann öffnet die Steuerkante 3g bei der Aufwärtsbewegung des Steuerkolbens 30 einen grösseren Ölzufuhrquerschnitt zum Druckreglerstellmotor 1, so dass dieser schnell schliessen kann, solange der Leitradstellmotor 2 eine
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Öffnungsbewegung macht. Die Öffnungsseite 2b des Leitradstellmotors 2 erhält ihr Öl über die Steuerkante 3f, während die Schliessseite 2a über den Ringkanal 3i und die Blende 13 Abfluss erhält. Die Blende 13 bestimmt die Öffnungszeit des Leitradstellmotors 2, während seine Schliesszeit durch die Blende 10 bestimmt wird.
Um zu vermeiden, dass der Druckregler offen bleibt, wenn aus irgendeinem Grunde, z. B. infolge Blockierens des Leitrades, der Steuerkolben 30 nicht in seine Mittellage zurückgeführt werden kann, wird die Einrichtung nach Fig. Ic ausgeführt, nach der die Druckmittelzufuhrleitung 5 über die Leitung 40 mit Blende 6 mit der Verbindungsleitung 4 verbunden ist. Auch wenn der durch die Nuten im Steuerkolben 30 gebildete Durchflussquerschnitt geschlossen ist, strömt jetzt über die Leitung 40 und die Blende 6 Öl auf die Schliessseite la des Druckreglerstellmotors 1. Dabei ist die Blende 6 so bemessen, dass der Druckregler in der vorgesehenen Zeit schliesst.
Die gleiche Anordnung wie in den Fig. lb und Ic wird nach den Fig. 2b und 2c auch bei einer Auslegung der Regelvorrichtung entsprechend der Fig. 2 des Stammpatentes, also bei einer solchen, bei der die Öffnungsseite Ib des Druckreglerstellmotors 1 über eine Leitung 14 an eine Druckquelle beliebigen aber konstanten Druckes angeschlossen ist, verwendet.
Ist das Hubvolumen des Druckreglerstellmotors 1 ein Vielfaches des Hubvolumens des Leitradstellmotors 2, dann wird nach Fig. 4 des Stammpatentes das Hubvolumen der Druckreglerkolbenstange 1d dem Hubvolumen des Druckreglerstellmotors 1 dadurch gleichgemacht, dass bei einem Leitradschliessvorgang die Schliessseiten des Druckreglerstellmotors 1 und des Leitradstellmotors 2 miteinander verbunden werden und ausserdem die Öffnungsseite Ib des Druckreglerstellmotors 1 an dessen Schliessseite la angeschlossen wird.
Weitere Ausführungsmöglichkeiten einer so ausgebildeten Regelvorrichtung nach Fig. 4 des Stammpatentes zeigen die Fig. 4b, 4c und 4d, gemäss denen die Abmessungen sowohl des den Druckreglerstellmotor 1 als auch des den Leitradstellmotor2 steuernden Teiles des Steuerventiles 3 den zu steuernden Ölmengen angepasst sind.
Wird bei einer Ausführung nach Fig. 4b bei einem Entlastungsvorgang der Steuerkolben 30 vom Geschwindigkeitsregler 8 nach unten verstellt, dann werden über die Steuerkante 3k die Schliessseite la und die Öffnungsseite Ib des Druckreglerstellmotors 1 miteinander verbunden und die Leitung 400 zum Leitradstellmotor 2 geöffnet. Von der Schliessseite la des Druckreglerstellmotors 1 wird das Öl über die Leitung 400, den Ringraum 3a und die offene Steuerkante 3n auf die Schliessseite 2a des Leitradstellmotors 2 und gleichzeitig auf die Öffnungsseite 1b des Druckreglerstellmotors 1 ausgeschoben. Gleichzeitig erhält auch die Öffnungsseite 2b des Leitradstellmotors 2 Abfluss über die Blende 10.
Durch die Bewegung des Leitrades in Schliessrichwngwird der Steuerkolben 30 wieder in die gezeichnete Mitellage zurückgeführt, wobei die Steuerkanten 3k und 3n schliessen und die Steuerkanten 3m und 3g den an ihnen etwa durch eingearbeitete Nuten ausgebildeten Durchflussquerschnitt freigeben. Über den Durchflussquerschnitt an der
Steuerkante 3g strömt Drucköl über die Leitung 400 auf die Schliessseite la des Druckreglerstellmotors, während über den Durchflussquerschnitt an der Steuerkante 3m das Drucköl von der Öffnungsseite Ib des Druckreglerstellmotors 1 über die Blende 20, welche die Schliesszeit bestimmt, abfliessen kann.
Bei dieser Ausbildung der Regelvorrichtung könnte der Fall eintreten, dass durch den auf den Druck- kegel le wirkenden Wasserdruck im System ein unzulässig hoher, eventuell sogar die Anlage gefährdender Druck erzeugt wird. Dies beispielsweise dann, wenn bei im Sinne einer Entlastung der Turbine aus der
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des Druckreglerstellmotors 1, der Leitapparat etwa infolge Blockierens durch Fremdkörper zwischen den Leitschaufeln am Schliessenverhindert ist und der Steuerventilkolben 30 dadurch nicht in seine Mittellage zurückgeführt wird, oder auch, wenn bei Schnellschluss der Steuerventilkolben 30 nach unten übersteuert ist und dabei der Kolben 2c des Leitradstellmotors 2 bereits zum Anschlag in der Schliessstellung gekommen ist, ohne dass der Steuerventilkolben 30 in seine Mittellage zurückgeführt ist.
Um dies zu vermeiden, wird in der Verbindungsleitung 14 zur Öffnungsseite Ib des Druckreglerstellmotors 1 das Sicherheitsventil 22 angeordnet und vorzugsweise auf den höchsten Druck eingestellt, den normalerweise die Druckquelle ergibt.
Nach der Fig. 4c ist der Steuerventilkolben zweiteilig ausgebildet, wobei der den Druckreglerstellmotor l steuernde Teil 30a durch Federn301 und 302 an seinen beiden Stirnseiten gegen das Steuerventilgehäuse 3 abgestützt und auf dem den Leitradstellmotor 2 steuernden Teil 30 des Ventilkolbens sowie im Ventilgehäuse axial verschiebbar geführt ist. Dabei stehen die beiden Teile 30 und 30a über einen Ölkatarakt 24 miteinander in Wirkverbindung.
Die zwischen dem Steuerventilgehäuse 3 und dem den Druck- reglerstellmotor 1 steuernden Teil 30a des Steuerventilkolbens ausgebildeten Steuerkanten 3m und 3g sind
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wiederum so ausgebildet, dass in der Mittellage des Kolbenteils 30a die Schliessseite la des Druckreglerstellmotors 1 über die Steuerkante 3g an die Druckmittelzufuhrleitung 5 angeschlossen ist und das Drucköl von der Öffnungsseite 1b des Druckreglerstellmotors 1 über die Steuerkante 3m und die Blende 20 abfliessen kann. Ausserdem ist in der Leitung 14 wiederum ein Sicherheitsventil 22 angeordnet.
Bei einem Entlastungsvorgang gehen zunächst beide Teile 30 und 30a des Steuerkolbens miteinander nach unten. Wird der Leitradsteuerventilkolben 30 nicht zurückgeführt, dann wird unter dem Einfluss der Feder 301 der Steuerkolbenteil 30a für den Druckregler wieder in die Ausgangslage zurückgeführt, wobei das Öl im Katarakt durch die Blende 24 von unten nach oben fliesst. Der Druckregler kann wieder schlie- ssen. Um zu vermeiden, dass bei einem Entlastungsvorgang Drucköl über die Leitung 400 in zu grosser Menge auf die Schliessseite 2a des Leitradstellmotors 2 einströmt, ist die Steuerkante 3p angeordnet. Die Blende 6 sorgt für den nötigen Haltedruck, damit bei Schnellschluss der Leitapparat geschlossen bleibt.
Ausserdem liefert sie das Drucköl für kleine Regulierbewegungen, bei denen der Druckregler nicht ansprechen soll (die positiven Überdeckungen an den Steuerkanten des Steuerteiles 30a für den Druckregler sind grösser als andem für das Leitrad). Auch bekommt der Leitradstellmotor 2 sein Öl über die Blende 6, wenn der Druckregler nicht öffnet. Dabei ist die Blende 6 nur so gross bemessen, dass das Leitrad nur mit einer solchen Geschwindigkeit schliessen kann, bei welcher kein schädlicher Druckstoss in der Druckrohrleitung zu den Turbinen entsteht.
Gemäss Fig. 4d sind der den Druckreglerstellmotor und der den Leitradstellmotor 2 steuernde Teil des Steuerventiles voneinander getrennt. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen wird der das Leitrad steuernde Teil 30 des Steuerventiles bei einer Entlastung der Turbine nach unten verstellt, der den Druckregler steuernde Teil 30a jedoch nach oben. Letzterer weist wiederum Steuerkanten 3m und 3g auf, die beispielsweise mittels Nuten od. dgl. im Steuerkolbenteil 30a für den Druckreglerstellmotor 1 so ausgebildet sind, dass in der Mittellage desselben die Schliessseite la des Druckreglerstellmotors l über die Steuerkante 3g an die Druckmittelzufuhrleitung 5 angeschlossen ist und über die Steuerkante 3m das
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bestimmt, abfliessen kann.
Dabei wird der Druckregler-Steuerventilteil 30a vom Druckregler, der Leitrad-Steuerventilteil 30 vom Leitrad zurückgeführt. Wie üblich ist in der Druckreglerrückführung eine Ölbremse angeordnet. Das Druckregler-Steuerventil 30a liefert das dem Hubvolumen der Druckreglerkolbenstange 1 d entsprechende Ölvolumen für die Schliessseite 2a des Leitradstellmotors 2. Alle Vorgänge spielen sich wie bei der Ausführung gemäss Fig. 4c ab.
Auch hier ist in der Leitung 14 zum Druckreglerstellmotor 1 das Sicherheitsventil 22 angeordnet. Über dieses fliesst Drucköl ab, wenn der Leitrad-Steuerventilteil 30 früher zurückgeführt wird als der Drucktegler-Steuerventiltell 3 Oa. Wird umgekehrt zuerst der DruckreglerSteuerventilteil 30a zurückgeführt, dann strömt Öl über die Blende 6 zum Leitrad-Steuerventilteil 30, so dass der Leitraostellmotor 2, wenn auch wesentlich langsamer, weiterschliessen kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Regelvorrichtung für Wasserturbinen, denen das Betriebswasser durch Druckrohrleitungen zugeführt wird, mit einem durch einen hydraulischen Stellmotor verstellbaren Turbinenleitrad und einem durch einen weiteren hydraulischen Stellmotor zu betätigenden Entlastungsventil in der Rohrleitung (Rohrleitungs-Druckregler) nach Patentschrift Nr.
208791, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Verbindungsleitung (4, 400) zwischen den Schliessseiten (la und 2a) des Druckreglerstellmotors (l) und des Leitradstellmotors (2) angeordnete Steuerventil (3) in der Mittellage des Steuerventilkolbens (30), also bei vom Turbinenregler (8) weder im Sinne einer Belastung noch im Sinne einer Entlastung der Turbine verstelltem Steuerventilkolben, die Schliessseite (la) des Druckreglerstellmotors (1) mit der Druckmittelzufuhrleitung (5) über einen zwischen dem Steuerventilkolben (30) und dem Steuerventilgehäuse ausgebildeten, in seiner Grösse der gewünschten bzw.
geforderten Schliessgeschwindigkeit des Druckreglerstellmotors (l) entsprechend bemessenen Durchflussquerschnitt, beispielsweise über eine oder mehrere im Steuerventilkolben (30) angeordnete Nuten, verbindet (Fig. lb, lc, 2b, 2c, 4b, 4c, 4d).