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Selbststeuernde Blende
Bei den Leitapparaten von Wasserturbinen, bei Druckreglern und hydraulischen Abschlussorganen ver- schiedener Art darf das Schliessen und Öffnen nur mit einer solchen Geschwindigkeit erfolgen, dass die hiebei infolge derTrägheitswirkung der in Bewegung befindlichen Wassermassen auftretenden Druckände- rungen die zulässige Höhe nicht überschreiten.
Zu diesem Zweck wird der Abfluss der Steuerflüssigkeit aus dem Servozylinder nach Bedarf gedrosselt.
Dies erfolgt durch Blenden, deren Durchlassöffnungen so gewählt werden, dass die gewünschten Schliess- bzw. Öffnungsgeschwindigkeiten erreicht werden. Die Blenden können fest oder nach Bedarf von Hand aus einstellbar sein.
Der günstigste Verlauf des Steuervorganges ist jener, bei dem der angestrebte Zweck am besten er- reicht wird, d. h. bei dem die Schliess- bzw. Öffnungszeit einen Kleinstwert erreichen und die Druck- änderung dabei den zulässigen Wert nicht überschreitet. Wenn es sich z. B. um den Leitapparat einer
Wasserturbine handelt, so wird in diesem günstigsten Fall der Drehzahlanstieg während des Schliessens bzw. der Drehzahlabfall während des Öffnens ein Minimum werden, bei einem Druckregler wird sich für die kleinste Schliesszeit der kleinste Wasserverlust ergeben.
In grober Annäherung sucht man diesen optimalen Steuerungsverlauf durch die Anordnung mehrerer
Blenden zu erreichen, die der Reihe nach vom Servokolben überlaufen werden, so dass der jeweils verbleibende Querschnitt und damit die Kolbengeschwindigkeit immer kleiner wird. Abgesehen von der nur sehr angenäherten Anpassung an die günstigsten Verhältnisse, erfordert diese Methode bei der Inbetriebsetzung einer Kraftanlage langwierige Versuche und Einstellungsänderungen. Das Überlaufen der Ausflussbohrungen bringt überdies zuweilen bauliche Schwierigkeiten für die Dichtung des Servokolbens mit sich.
Die vorliegende Erfindung beseitigt alle diese Schwierigkeiten und ermöglicht in einfacher und betriebsicherer Weise die Erreichung der günstigsten Verhältnisse beim Steuerungsvorgang dadurch, dass eine selbststeuernde Blende, bestehend aus einem Drosselschieber, dessen Steuerkolben einerseits vom Druck des Wassers vor dem Absperrorgan und anderseits von einer einstellbaren Federkraft belastet ist, in die Abflussleitung des Servozylinders geschaltet ist und den Abflussquerschnitt für die Steuerflüssigkeit aus dem Servozylinder drosselt, so dass der Reguliervorgang stets mit einer Geschwindigkeit erfolgt, bei welcher der Anstieg bzw. das Absinken des Wasserdruckes unter einem beliebig festzusetzenden Wert bleibt.
Es sind bereits Einrichtungen bekannt, bei denen in die Zulaufleitung für das Druckmedium zum Servomotor ein Drosselorgan eingebaut ist, das mit einem Kolben in Verbindung steht, der einerseits von einer Federkraft und anderseits vom Flüssigkeitsdruck vor dem Absperrorgan belastet ist. Eine solche Einrichtung ist aber nicht geeignet, unter allen Umständen unzulässig grosse Druckänderungen zu verhindern, da die Drosselung und selbst der vollständige Abschluss der Zuflussleitung für das Steuermedium keine Gewähr dafür gibt, dass die Weiterbewegung des Servokolbens eine genügende Verzögerung erfährt.
Viele Turbinenregulierungen, besonders von Propeller- und Kaplanturbinen, aber auch von Francisturbinen höherer Schnelläufigkeit zeigen von der Nullöffnung bis zu einem gewissen Beaufschlagungsgrad eine starke Öffnungstendenz, an die sich dann ein Bereich mit stark ausgeprägter Schliesstendenz anschliesst, der schliesslich bei noch weiterer Öffnung in einen Bereich mehr oder weniger starker Öffnungstendenz übergeht. Diesen starken Schliess- oder Öffnungstendenzen hat ein auf der Zuflussseite gedrosselter Servomotor nur den sich ergebenden Unterdruck auf einer Kolbenseite entgegen zu setzen, was in der Regel nicht ausreicht, um die Bewegung des Servokolbens zu beherrschen.
Nur die Anordnung selbststeuernder Blenden in den Abflussquerschnitten des Servozylinders gewährleistet unter allen Umständen die Beherrschung der Verstellgeschwindigkeit des Steuerorganes.
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Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der Erfindung liegt in ihrer Verwendung als Sicherheitsorgan für Turbinensteuerungen, die einen Druckregler besitzen. Bei solchen Anlagen ist eine sehr kurze Schliess- zeit zulässig. Sollte jedoch der Druckregler versagen, so würde bei dem raschen Schliessen des Leitappa- rates ein sehr hoher Druckanstieg auftreten, der die Maschine und die Rohrleitung sehr gefährden würde.
Bei Verwendung selbststeuernder Blenden dagegen würde der Schliessvorgang so verlangsamt werden, dass eine festgelegte Drucksteigerung nicht überschritten würde.
Zur Verkleinerung des Hubes des Drosselorganes zwecks Vermeidung von Massenwirkungen und Er- zielung einer möglichst feinfühligenRegelung kann der Drosselschieber als Kolbenschieber mit mehrfacher
Eröffnung ausgeführt werden.
Weiters kann in bekannter Weise an Stelle eines Steuerkolbens mit Gleitdichtung ein Membranekol- ben verwendet werden, bei dem Undichtheit und Reibung vermieden sind. Das Verhältnis von Membrane- abmessungen, Druck und Federweg kann so gewählt werden, dass die Lebensdauer der Membrane unbe- grenzt ist. Um aber jede Möglichkeit eines Versagens durch einen Materialfehler oder sonstige nicht vor- auszusehende Ursachen auszuschliessen, kann der Federteller mit einem zylindrischen Fortsatz versehen werden, der auf seiner Innenseite gegen den Deckel des Membranezylinders abgedichtet ist.
Bei einem
Bruch der Membrane würde sich dann der Raum zwischen dem Federteller und der Membrane mit Druck- wasser füllen und der Drosselschieber dadurch in seine Schlussstellung gebracht werden, so dass nur ein ganz langsames Abfliessen der Steuerflüssigkeit durch die dafür vorgesehenen stets offen bleibenden Boh- rungen möglich wäre und ein entsprechend langsames Schliessen des betreffenden Leitapparates od. dgl. bewirkt würde.
In den Fig. 1 - 5 sind beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Fig. 1 zeigt einen
Schnitt durch die selbststeuernde Blende und es geht daraus hervor, wie die starre oder nur von Hand ver- änderliche Blende durch einen Drosselschieber 1 ersetzt ist, der durch einen Kolben 2 betätigt wird, wel- cher einerseits durch den vor dem Leitapparat bzw. Absperrorgan herrschenden Druck p, anderseits durch eine einstellbare Feder 3 gegensinnig belastet wird.
Solange der Druckanstieg vor dem Leitapparat bzw. dem Absperrorgan den zulässigen Wert nicht überschreitet, bleibt der Drosselschieber 1 unter der Wirkung der Feder 3 in seiner Offenstellung und gibt den Durchflussquerschnitt für die abströmende Steuerflüssigkeit frei. Nähert sich jedoch der Wasserdruck diesem zulässigen Wert, so bringt der vom Flüssigkeitsdruck belastete Kolben 2 gegen die Wirkung der Feder 3 den Schieber 1 mehr oder weniger in Drosselstellung, wodurch der Ablauf der Steuerflüssigkeit verringert und die Schliessbewegung des Absperrorganes entsprechend verlangsamt wird.
Der Ablauf und der Höhe des Druckanstieges können durch geeignete Wahl der Federcharakteristik, der Federspannung und der geometrischen Form der Schliesskanten des Drosselschiebers einerseits und der Querschnittsform der Durchflusskanäle anderseits nach Bedarf eingestellt bzw. gewählt werden.
Die Schnittzeichnung der Fig. 2 zeigt, wie an Stelle eines Kolbens 2 mit Gleitdichtung mit Vorteil ein Membranekolben 2'verwendet werden kann, bei dem Undichtheit und Reibung vermieden sind.
In beiden Fällen der Fig. 1 und 2 kann nach der Schnittdarstellung der Fig. 3 der Kolbenschieber 1 in bekannter Weise mit mehrfacher Eröffnung ausgeführt werden, um seinen Hub zur Vermeidung von Massenwirkungen und Erzielung einer möglichst feinfühligen Regelung tunlichst klein zu halten. Ausserdem können die Schliesskanten des Drosselschiebers und die Querschnitte der Durchflusskanäle derart geformt sein, dass ein allmähliches Öffnen der Durchflussfläche erreicht wird.
In Fig. 4 ist eine Ausführung der selbststeuernden Blende mit zusätzlicher Sicherung gegen Bruch der Membrane dargestellt. 4 ist ein zylindrischer Fortsatz des Federtellers, 5 der Dichtungsring, 6 sind die für den langsamen Durchfluss der Steuerflüssigkeit im Falle eines Membranebruches verbleibenden Öffnungen, 7 ist der feststehende Deckel des Membranezylinders, der den Dichtungsring trägt. Im Falle eines Membranebruches tritt durch die Bruchstelle Druckwasser aus dem Innern der Membrane 2 in den Raum zwischen Kolbenmembrane und Federteller und bringt den Drosselschieber 1 in seine Schlussstellung. Für den Abfluss des Steuermediums aus dem Servozylinder bleiben nur die kleinen Öffnungen 6 offen, so dass nur eine langsame Bewegung des Servokolbens möglich ist.
Die selbststeuernde Blende ergibt somit einen wesentlichen technischen Fortschritt, da sie während eines grossen Teiles des Servokolbenhubes eine wesentlich grössere Verstellgeschwindigkeit einzuhalten gestattet als bei Verwendung von starren Blenden, so dass die Schliesszeit verkürzt wird. Dies ergibt im Fall der Verwendung für eine Turbinenregelung eine geringere Drehzahlsteigerung während des Schliessvorganges bzw. ein geringeres Absinken der Drehzahl während des Öffnungsvorganges, also eine bessere Regulierung bzw. eine Verkleinerung der notwendigen Schwungmassen. Im Fall der Verwendung bei einem Druckregler wird der Wasserverlust herabgesetzt und die Anlage gegen die Folgen eines Versagens des Druckreglers abgesichert.