Sicherheitsregeleinrichtung für Dampf- oder Gasturbinen. Wird eine Turbine, welche unter einer bestimmten Last arbeitet, plötzlich entlastet, so beschleunigt der der früheren Last ent sprechende Arbeitsmittelfluss die rotierenden Teile der Turbinengruppe. Erzeugt der frühere Arbeitsmittelfluss eine Leistung von N,. kW bei einer Turbinendrebzahl von n Umdrehun gen pro Minute und bezeichnet J das Massen- trägheitsmoment der rotierenden Teile der.
Turbinengruppe in m.kg.sek2, so entsteht bei einer plötzlichen Lastverminderung auf N, kW eine sekundliche Beschleunigung der Turbinenwelle von
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vorausgesetzt, dass die normale Regulierung der Turbine noch nicht eingegriffen hat. Die Werte von
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liegen bei Entlastung von Vollast auf Leerlauf je nach der Turbine in der Grössenordnung von 10 bis 20 % der Nor maldrehzahl pro sek. Die üblichen Sicherheitsregler von Tur binen stellen bei einer bestimmten Überdreh zahl von. zirka<B>10%</B> über der Normaldreh zahl die Turbine ab, so dass sie, z.
B. bei der Stromerzeugung, vom Netz abgeschaltet wird und zur weiteren Stromlieferung erst wieder auf Drehzahl gebracht und parallel geschal tet werden muss.
Demzufolge kommt es häufig vor, dass bei plötzlicher Entlastung der Turbine der Sicherheitsregler anspricht, ohne dass ein Versagen der Regulierung oder ein Defekt der Turbinengruppe vorliegt, für welche Vorfälle der Sicherheitsregler eigentlich vor gesehen ist.
Vielfach werden, um dem beschriebenen Übelstand zu begegnen, zwei Sicherheits regler angeordnet, wovon der eine auf eine niedrigere Ausklinkdrehzahl eingestellt ist als der andere und eine vorübergehende, plötzliche Verminderung des Arbeitsmittel- flusses erzwingt, falls seine Ausklinkdreh- zahl erreicht wird, ohne aber die Turbine ganz abzuschalten. Dies soll erreicht werden, indem die Wirkung des ersten Sicherheits reglers wieder aufgehoben wird,
sobald die Turbinendrehzahl zufolge der plötzlichen Verringerung des Arbeitsmittelflusses wieder unter die eingestellte Überdrehzahl gesunken ist. Der zweite Sicherheitsregler sollte da gegen nur bei Havarien eingreifen und dann die Turbine vollständig abstellen.
Dieser Lösung haften aber grundsätzlich(-, Mängel an. Im normalen Betrieb der Turbine kann diese, zufolge der notwendigen Un-. gleichförmigkeit der Regulierung, Drehza,hl- sehwankungen bis zirka 6,197o ' der Normal drehzahl ausführen.
Die maximal zulässige Drehzahl der Turbine beträgt zirka 110 der Normaldrehzahl, so dass der erste Sicher heitsregler auf eine Ausklinkdrehzahl von zirka 108 % eingestellt werden muss, um einerseits den normalen Betrieb nicht zu stören und anderseits das unnötige Abstellen der Turbine bei grosser Entlastung zu ge währleisten.
Bei grossen Entlastungen der Turbine ist aber dann meistens die Zeitspanne zu klein, in welcher der erste Sicherheitsregler den Ar beitsmittelfluss verringern sollte, um das Er reichen der Ausklinkdrehzahl des zweiten Sicherheitsreglers zu verhindern, so dass dann die Turbine doch ganz abgestellt wird. Der prinzipielle Fehler dieser Sicherheitsregler liegt darin, dass sie erst ausklinken, wenn die Überdrehzahl schon erreicht ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sicherheitsregeleinrichtung für Dampf- oder Gasturbinen, welche mit Flüssigkeitsdruck betätigte Ventile zur Änderung des Arbeits- mittelflusses durch die Turbine aufweisen, und vermeidet die angeführten Mängel der bekannten Sicherheitsregler dadurch, dass von einer vorgegebenen Beschleunigung der Tur binenwelle an mit Hilfe der Massenträgheit von mit der Turbine umlaufenden Drehkör pern der die Arbeitsmittelventile betätigende Flüssigkeitsdruck verändert wird,
um unab hängig von der normalerweise arbeitenden Turbinenregulierung eine - plötzliche Ver ringerung des Arbeitsmittelflusses durch die Turbine zu bewirken. Der Sicherheitsregler nach der vorliegen den Erfindung wird also schon dann den Ar beitsmittelfluss verringern, wenn die Be schleunigung der Turbinenwelle ein be stimmtes Mass überschreitet. Dieses Verhalten lässt sich dadurch erreichen, dass die mit der Turbine umlaufenden Drehkörper so bemes sen werden, dass sie bei einer Beschleunigung der Turbine zufolge ihrer Massenträgheit nicht. mehr synchron mit der Turbinendreh zahl laufen, sondern eine Verschiebung er fahren, welche benützt wird, um den Arbeits mittelfluss schon vor dem Erreichen einer noch zulässigen Überdrehzahl zu verringern.
An Hand der in den Fig. 1 bis 5 der Zeich nung schematisch dargestellten Ausführungs beispiele der vorliegenden Erfindung soll dies noch näher erläutert werden.
In der im Lager 1 drehenden Turbinen welle 2 (Fig. 1) ist mittels einer vierkantigen Verbindung ein Torsionsstab 3 befestigt, der an seinem andern Ende einen Drehkörper 4 trägt, der seinerseits von einem Lager 5 ge stützt wird. Die Turbinenwelle 2 ist mit einem Lappen 6 versehen, welcher im Ruhe zustand mit einem entsprechenden Fortsatz 7 des Drehkörpers 4 einen kleinen Winkel u einschliesst, der in Fig. 2 eingezeichnet ist.
In die Öffnung 10 des Lagers 5 führt durch die Bohrung 11 eine Ölleitung 12, welche von einer Pumpe 15 gespeist wird. Der Öldruck der Pumpe wird durch ein Ab blaseventil 14 konstant gehalten. Im Dreh körper 4 führt eine Bohrung 8 vom Raume 10 zur Drosselöffnung 33 (Fig. 2). Bei einem konstanten Öldruck vor der einstellbaren Drosselstelle 13 und einem bestimmten Win kel a stellt sich in der Leitung 12 ein be stimmter Öldruck ein.
Angenommen, die Tur bine rotiere in einem dem Pfeil 9 in Fig. 2 entsprechenden Drehsinn, so wird bei einer Beschleunigung der Turbinenwelle der Dreh körper 4 zufolge seiner Massenträgheit den Winkel a in Fig. 2 vergrössern, so dass wegen der Vergrösserung der Ausflussöffnung 33 der Druck in der Leitung 12 plötzlich absinkt. und zwar wird die Druckabsenkung um so grösser sein, je grösser die Beschleunigung der Turbinenwelle ist.
In Fig. 1 ist ferner 32 ein Ventil zur Än derung des Arbeitsmittelflusses der Turbine, welches vom Kraftkolben 26 über die Stange 31 betätigt wird. Das Öffnen des Ventils 32 erfolgt durch Drucköl, welches die Regulie rung durch die Leitung 30 dem Raume 28 zuführt, während das Schliessen mittels der Feder 27 erfolgt. Der Raum 28 steht durch die Leitung 25 in Verbindung mit dem Zy linder 17. In diesem befindet sich ein Kolben 20, der auf der einen Seite durch eine Feder 21, auf der andern Seite durch den Öldruck aus der Leiturig 12, welche durch die Lei tung 16 mit dem Zylinder 17 verbunden ist, belastet wird.
Die beschriebene Sicherheitsregeleinrich- tung arbeitet folgendermassen: Bei einer Be schleunigung der Turbinenwelle verringert sieh der Druck in Leitung 16, so dass der Kolben 20 von der Feder 21 nach oben ge schoben wird und damit den Raum 28 mittels der Leitung 25 und der Öffnungen 24 und 22 mit dem Ablauf 23 verbindet. Unabhän gig vom Eingreifen der normalen Regulie rung der Turbine wird demnach der Arbeits- mittelfluss plötzlich verringert.
Sobald durch diese Massnahme die Beschleunigung der Tur binenwelle wieder aufgehoben ist, folgt der Drehkörper 4 der Turbinenwelle nach, der Winkel a in Ffg. 2 nimmt wieder einen kleineren Wert an, so dass der Druck in den Leitungen 12 und 16 wieder steigt und die Ausflussöffnung 24 schliesst. Die normale Regulierung übernimmt dann wieder die Be tätigung des Kraftkolbens.
Wird die Feder 21 durch die im Deckel 18 angeordnete Schraube 19 nach oben ver schoben, so tritt der Sicherheitsregler schon bei einer kleineren Beschleunigung der Tur binenwelle in Funktion, als wenn sich der Kolben 20 weiter unten befände. Die Fig. 3 veranschaulicht das prinzi pielle Verhalten von verschiedenen Arten von Sicherheitsreglern. Auf der mit t bezeichne ten Abszissenaxe ist die zeit aufgetragen. Die Ordinatenage zeigt die Differenz (n-rzg ) der effektiven Drehzahl ng zur Zeit<I>t = 0</I> und derjenigen zur Zeit<I>t,</I> welche mit n be zeichnet ist.
Zur Zeit t = 0 erfahre die Tur bine eine bestimmte Entlastung. Ohne das Eingreifen von Sicherheitsreglern würde die normale Drehzahlregulierung beispielsweise einen Drehzahlverlauf gemäss Kurve 34 er zwingen. Nach dem Abklingen der Pendelen gen wäre die Drehzahl der Turbine um a Touren pro Minute höher, wobei a/n, die Un gleichförmigkeit darstellt. Die maximal zu lässige Überdrehzahl sei aber nur um b Um drehungen pro Minute höher als ng, so dass die Drehzahlkurve 34 nicht ausgefahren wer den darf.
Die Neigung der Tangente 35 an die Kurve 34 im Punkte A, welche durch den Winkel ss dargestellt ist, ist nach der in der Einleitung angegebenen Formel bei einer be stimmten Turbine abhängig von der Last verminderung. Bei einem Sieherheitsregler, der nur auf die Höhe der maximal zulässigen Drehzahl reagiert, würde die Turbine un weigerlich ganz abgestellt.
Bei der Anord nung von zwei Sicherheitsreglern, von denen der eine bei einer tieferen Drehzahl anspricht als der zweite und den letzteren bei einer grossen Entlastung verhindern soll, die Tur bine ganz abzustellen, muss zufolge der Un gleichförmigkeit die Ansprechdrehzahl des zuerst eingreifenden Reglers ungefähr um r, Umdrehungen grösser sein als die Normal drehzahl, wobei c grösser als a und kleiner als b sein muss. Der zuerst eingreifende Regler fängt somit erst nach Erreichung des Punktes D an zu wirken.
Die Drehzahlkurve wird dann ungefähr der gestrichelten Linie 36 folgen, und in den meisten Fällen ist die Zeitspanne t, zu klein, 'um das Erreichen der Ausklinkdrehzahl des zweiten Sicherheits reglers in E zu verhindern. Dieser wird ein greifen, und vom Punkt F fällt die Drehzahl nach Null ab; die Turbine wird also ganz abgestellt.
Die Kurve 37 in Fig. 3 zeigt das Ver halten einer Sicherheitsregeleinrichtung nach der vorliegenden Erfindung. Da dieselbe theoretisch schon vom Zeitpunkt der Ent lastung der Turbine an wirken kann, wird die maximal zulässige Drehzahl nie erreicht, und nach der plötzlichen Verringerung des Arbeitsmittelflusses durch die Turbine wird die normale Regulierung die Turbinensteue rung wieder übernehmen können.
Die Fig. 4 und Fig. 5 veranschaulichen eine weitere Ausführungsform des Erfin dungsgegenstandes. Anstatt die Drehkörper direkt mit der Turbinenwelle zu kuppeln, werden sie hier von einem Synchronmotor 38 in Umdrehung versetzt, der elektrisch mit einem von der Turbine angetriebenen Strom erzeuger gekuppelt ist, und zwar so, dass der Synchronmotor in jedem Augenblick eine zur Turbinendrehzahl proportionale Dreh zahl aufweist. Der Drehkörper 40 ist mit dem Flansch 39 an den Synchronmotor ge kuppelt und trägt einen Torsionsstab 42, an dessen unterem Ende der Drehkörper 41 hängt.
Die Drehkörper 40 und 41 sind inein- anderdrehbar gelagert. Der Drehkörper 41 ist in einem Lager 43 geführt, an welches sich die Ölleitung 44 anschliesst.
Mittels der Bohrung 45 wird das Öl aus der Leitung 44 dem Raum 46 zugeführt. Die Drehkörper 40 und 41 weisen Öffnungen 48 bezw. 47 auf, die gemäss Fig. 5, welche eine Ansicht nach der Richtung I des in Fig. .4 gezeichneten Pfeils zeigt, bei verschiedan@@n Verdrehungen des Torsionsstabes 42 ver schieden grosse Ausflussöffnimgen der Lei tung 44 bilden.
Der Druck in Leitung 44 ist abhängig von der durch 48 und 47 frei gegebenen Öffnung 78, da zufolge des Über- strömventils 76. und der Drosselstelle 75 eine bestimmte Ölmenge von der Pumpe 77 durch die Leitung 44 strömt. Bei grosser Ausfluss- öffnung 78 ist der Druck in Leitung 44 klei ner und bei kleiner Ausflussöffnung höher. 72 stellt ein Ventil zur Änderung des Ar beitsmittelflusses durch die nicht gezeichnete Turbine dar, welchQs mit Hilfe von Drueklil aus den Leitungen 73 und 74 durch den Kraftkolben 71 gesteuert wird.
Durch Leitun gen 69 und 70 ist .der Zylinder 79 des Kraft kolbens 71 mit dem Gehäuse 55 verbunden, in welchem ein Steuerschieber 57 mit den die Öffnungen 58 und 59 steuernden Kanten 67 und 68 angeordnet ist, der auf seiner obern Seite durch den im Raum 56 wirkenden Öl druck und auf seiner untern Seite durch die Feder 64 belastet wird. Die Feder 64 kann durch die im Deckel 65 angeordnete Schraube 66 verschoben werden. Durch die Öffnung 60 und die Leitung 61 erhält das Gehäuse 55 Drucköl von der Pumpe 77, während durch die Leitung 63 ein Ablauf gebildet wird.
Tritt eine bestimmte Beschleunigung der Turbinenwelle auf, so eilt der Drehkörper 40 dem Drehkörper 41 voraus, weil der letztere zufolge seiner Massenträgheit und zufolge des Torsionsstabes 42 die Beschleunigung nicht sofort mitmacht. Der Druck in der Lei tung 44 sinkt, weil die Öffnung 78 ver grössert wird, und das mit einer Klappe 51 versehene Rückschlagventil 50 lä,sst einen Teil des Rauminhaltes 56 durch 54 in die Leitung 49 abfliessen, so dass die Feder 64 den Steuerschieber 57 nach oben verschiebt, dabei Drucköl über den Kraftkolben 71 führt und den unter dem Kraftkolben liegenden Raum durch die Leitung 70 mit dem Aus fluss 63 verbindet, und das Ventil 72 plötz lich geschlossen wird.
Das aus den Drehkörpern 40 und 41 so wie dem Torsionsstab 42 bestehende System muss eine möglichst tiefe Eigenschwingungs zahl haben, die zweckmässig kleiner als die Antriebsdrehzahl des Systems ist, da sonst die Zeitdauer, während welcher die Öffnung 78 während der Verdrehung des Torsions- stabes geöffnet bleibt, zu klein wird, um ein Ausfliessen des Öls aus Leitung 44 zu ge währleisten.
Um die Zeitdauer vom Auf hören der Beschleunigung der Turbinenwelle bis zum Wiedereinklinken des Sicherheits reglers variieren zu können, wurde die By- passleitung 52 mit der Drossel 53 sowie das Rückschlagventil 50 angeordnet. Durch die Klappe 51 ist das sofortige Schliessen des Ventils 72 möglich, aber die zum Verschlie ssen der Öffnungen 58 und 59 nötige Ölmenge, welche den Steuerschieber 5 7 gegen die Feder 64 verschieben muss, hat durch die einstell- bare Drossel 53 zu fliessen, so dass die Zeit dauer bis zum Wiederöffnen des Ventils nach Wahl eingestellt werden kann.
Die einwandfreiste Sicherung einer Tur bine wird aus einer auf die Beschleunigung der Turbinenwelle reagierenden Sicherheits- regeleinrichtung nach der vorliegenden Er findung und einem auf eine bestimmte T')ber- drehzahl eingestellten Fliehkraftsicherheits- regler bestehen. Dann ist die Gewähr gege ben, dass bei grossen Lastschwankungen die Turbine die zulässige Drehzahl nicht über schreitet und im Falle von Havarien ausser dem vollständig abgestellt wird.