Einrichtung zum Regeln von Kraftmaschinen. Die Regelung von Kraftmaschinen, deren Steuerung wie z. B. bei Wasserturbinen grosse Verstellkräfte erfordert, kann durch direkt wirkende Fliehkraftregler nicht bewerkstelligt werden. Die durch solche Regler aufgebrachte Arbeit bzw. Verstellkraft ist zu gering, wes halb verschiedene Zusatzeinrichtungen, z. B. Servomotoren, notwendig sind, um die erfor derlichen Verstellkräfte zu erzeugen. Die mit verschiedenen Zusatzeinrichtungen ausgestat teten Regler stellen aber kostenmässig einen. bedeutenden Teil der Anlage dar.
Je kleiner die Anlage wird, desto mehr treten die Kosten für den Regrler in Erscheinung bis schliesslich bei kleinen Anlagen aus diesem Grunde die Anwendung solcher Regler wirtschaftlich nicht mehr vertretbar wird.
Aber auch in funktioneller Hinsicht treten besonders bei Kleinanlagen Umstände auf, die der Verwendung von Reglern mit Hilfsein richtungen entgegenstehen. Es ist bekannt, dass die verbraucherseitig bedingten Be lastungsschwankungen im Verhältnis mit dem Kleinerwerden der installierten Leistung grö sser und besonders unangenehm werden, wenn die mechanische Energie in elektrische Ener gie umgeformt wird, weil der Regler nicht in der Lage ist, diese Belastungsschwankungen durch entsprechende Änderung der Füllung auszugleichen,
ehe diese Schwankungen ihre Auswirkung auf die Kraftmaschine in Form von Drehzahl- bzw. Spannungsänderungen ausgeübt haben. Die bisher bekannten Flieh- kraftre-ler besitzen eine Nachläufigkeit gegen über dem Zeitpunkt des Eintretens verschie dener Einwirkungen, wie Belastungs-, Druck schwankungen und andere, da in jedem Fall. die Kraftmaschine selbst auf solche Einwir kungen in Form von Drehzahländerungen re agieren muss, ehe die veränderte Fliehkraft einen Regelvorgang einleitet. Bis zur tatsäch lichen Regelung bzw. Wiederherstellung des Beharrungszustandes vergeht weiter Zeit, was verhältnismässig hohe Drehzahlspitzen hervor ruft.
Nur zum Teil sind diese durch rotierende Schwungmassen auszugleichen.
Vorliegende Erfindung bezweckt, die ge nannten technischen Mängel zu beseitigen und eine Regeleinriehtung für Kraftmaschinen, insbesondere für Wasserturbinen zu schaffen, die sich durch Einfachheit auszeichnet. und demgemäss insbesondere Kleinwasserkraft anlagen wirtschaftlich zu erstellen ermög licht.
Erreicht wird dies durch eine Regel einrichtung, die gekennzeichnet ist durch ein zwischen dem treibenden Teil der Kraft maschine und dem relativ zu diesem dreh baren getriebenen Teil der Kraftmaschine an geordnetes, die Umfangskraft übertragen des und gegenüber dieser Kraft ständig nachgiebiges Übertragungssystem, ein in diesem System angeordnetes und dessen Nachgiebigkeit ständig entgegenwirkendes Fliehgewicht und eine Steuervorrichtung zur Umsetzung der Relativdrehungen zwischen treibendem und getriebenem Kraftmaschinen- teil in VersteRbewegungen zum Regeln der Kraftmaschine.
Das zwischen treibendem und getriebenem Teil der Kraftmaschine angeord nete Übertragungssystem mit Fliehgewicht stellt einen Fliehkraftregler dar, bei welchem die über diesen Regler geleitete Umfangskraft als Gegenkraft zur Fliehkraft des Fliehgewich tes zur Wirkung kommt.
Bei der erfindungs- gemässen Regeleinrichtung tritt somit eine Kuppelung von drehzahlabhängiger Fliehkraft und belastungsbedingter Umfangskraft mit dem Ergebnis auf, dass das Produkt der von der Umfangs- und Fliehkraft abhängigen Ver- stellkraft des Reglers mal dem Reglerweg in jedem Falle ein Vielfaches der aufzubringen den Steuerarbeit der Kraftmaschine beträgt. Damit ist aber für alle bekannten Kraft maschinen eine direkte Regelung möglich.
Durch die direkte Einflussnahme der Um fangskraft auf die Regelung wird eine mit der Belastungsänderung zeitlich gleichlaufende Durchführung des Regelvorganges erzielt, so dass noch vor einer spürbaren Zustandsände rung der Kraftmaschine die Fülliung dersel ben auf die neue Belastung eingestellt ist.
Da sich die beiden Komponenten aus Flieh- und Umfangskraft in jedem Falle das Gleich gewicht halten, wird auch bei grössten Be- lastungsschwankungen und entsprechender Ausbildung des Übertragungssystems keine Drehzahländerung zu verzeichnen sein, da die zur Stabilisierung der Regelung notwendige Rückführung im Regelvorgang bereits ent halten ist.
Es wurde zwar schon vorgeschlagen, das Schaufelrad einer Wasserturbine, also den treibenden Teil einer solchen Wasserkraft- maschine axial verschiebbar gegenüber dein angetriebenen Teil zu lagern und beide dieser Teile durch einen Fliehkraftregler zu verbin den, derart, dass bei zunehmender Umfangs geschwindigkeit das Schaufelrad aus dem Strahlbereich der Beaufschlagungsdüse ver schoben wird.
Abgesehen davon, dass das Schaufelrad wegen seiner grossen Masse und grossen Geschwindigkeit das umgünstigste Re gelorgan darstellt, erfordert diese bekannte Regelungsart einen in der Umfangsrichtung vollkommen steifen Fliehkraftregler und macht demzufolge zum Einziehen des Flieh gewichtes mnd damit zum Verschieben des Turbinenrades in die volle Arbeitsstellung eine besondere Kraftquelle, z. B. eine kräftige Feder, notwendig.
Demgegenüber wird beim Erfindungsgegenstand die Rückstelilkraft für das Fliehgewicht durch die Umfangskraft der Kraftmaschine aufgebracht und damit in allen Belastungsstadien der Kraftmaschine ein von der Umfangskraft abhängiger Gleich gewichtszustand geschaffen.
Die Erfindung ist in der folgenden Be schreibung und den beigeschlossenen Zeich nungen in Form von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Fig.1 ist eine schematisch ge haltene Ansicht, welche die Wirkungsweise der Regeleinrichtung zeigt. Fig. 2 ist eine gleichfalls schematisch gehaltene Ansicht einer andern Ausführungsform der Regeleinrich tung, Fig. 3 zeigt eine Turbinenanlage mit der Regelungseinrichtung gemäss der Erfindung im Aufriss und Vertikalschnitt nach Linie III-III der Fig. 4.
In Fig. 4 ist ein Schnitt nach Linie IV-IV der Fig. 3 dargestellt.
In Fig. 1 stellt T den Angriffspunkt des treibenden und G den Angriffspunkt des, ge triebenen Teils der Kraftmaschine dar. Beide Punkte T und G sind durch ein als Fliehkraft regler ausgebildetes Übertragungssystem ver bunden, das in dieser Darstellung durch zwei Laschen<I>L</I> und ein Fliehgewicht h' gebildet wird.
Erfolgt eine Drehbewegung des Punktes T in der Pfeilrichtung a., so wird der Punkt G durch die Verbindung der Laschen L mit genommen, wobei die Lage der beiden An griffspunkte T und G zueinander einerseits von der Umfangskraft und anderseits von der Fliehkraft C bestimmt und durch den Winkel a ausgedrückt wird. Die Aktionskraft A und die Reaktionskraft B sind im Gleichgewichts fall nicht nur zueinander gleich, sondern ha ben in jedem beliebigen Belastungsfall die Grösse der Umfangskraft.
Bis zum Erreichen der konstant zu haltenden Winkelgeschwindig- keit des Piu & tes T wird sich Grösse und An griffspunkt der Fliehkraft C in Richtung des Radius r so Mange verändern, bis ein. Gleich- gewichtszustand mit der Aktionskraft A und der Reaktionskraft B hergestellt ist. Verän dert sich der Radius r, so ändern sich gleich zeitig die Winkel a und ss, welche ihrerseits bei entsprechender Zerlegung der Fliehkraft C eine veränderliche Tangentialkraft A' bzw. <I>B'</I> an den Punkten<I>T</I> bzw.
G bewirken. Ändert sich bei konstanter Drehzahl die Umfangskraft A und B durch eine Belastungsänderung der Kraftmaschine, so wird das System aus dem Gleichgewicht gebracht und die Lage der Punkte T und G zueinander und somit der Winkel a geändert. Mit dem Winkel a ändern sich gleichzeitig die Winkel ss und y, wodurch die Fliehkraft C in andere Tangentialkräfte A' bzw. B' zerlegt wird, die der neuen Grösse der Umfangskraft<I>A</I> bzw.<I>B</I> entspricht.
Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass durch Hin tereinanderschalten von zwei Übertragungs systemen der Reglerweg bei gleichbleibender Reglerkraft und damit die Reglerarbeit um ein Zweifaches erhöht werden kann, wodurch eine bessere Anpassung des Reglers an die Regeleinrichtung der Kraftmaschine erfolgt. Im Prinzip arbeitet diese Ausführung gleich wie die in Fig.1 dargestellte.
Die gezeigten zwei Übertragungssysteme, die analog der Ausführung gemäss Fig.l aus je zwei Len kern L und einem Fliehgewicht F bestehen, sind jedoch im Punkt Z des um den Punkt 0 frei drehbaren Hebels H miteinander verbun den. Dadurch addieren sich die bei jedem System durch a ausgedrückten Reglerwege, so dass in diesem Falle 2 a, also der doppelte Reglerweg, erzielt wird.
Da die Kräfteverhält nisse durch ihre Abhängigkeit von der Um fangskraft<I>A</I> und<I>B</I> gleich bleiben, erhöht sich die Reglerarbeit im Sinne der Vergrösserung des Reglerweges.
Selbstredend können auch mehr als zwei Übertragungssysteme im Kraftübertragungs- weg zwischen dem treibenden Teil der Kraft maschine und dem getriebenen Teil derselben im Sinne der in Fig. 2 dargestellten Art hin tereinander angeordnet sein, wodurch sich der Reglerweg um das bezügliche Mehrfache ver grössert.
Besteht in diesem Falle jedes Über- tragungssystem analog der Fig.1 aus zwei Lenkern und einem Fliehgewicht, so ist der im Kraftübertragungsweg zuerst liegende Len ker des ersten Übertragungssystems am trei benden Teil und der im Kraftübertragungs- weg an zweiter Stelle liegende Lenker des letzten Übertragungssystems am getriebenen Teil der Kraftmaschine mittels je einer paral lel zur Drehachse der besagten Teile liegen den Gelenkachse angelenkt,
während von den zwischenliegenden Lenkern der jeweilig zweite Lenker eines Übertragungssystems und der erste Lenker des jeweilig im Kraftübertra- gungsweg folgenden Übertragungssystems durch ein lose um die Drehachse des treiben den und getriebenen Teils des Kraftmaschine drehbares Kupplungsglied H miteinander verbunden sind.
Bei grösserer Leistung der Kraftmaschine können zwei oder mehrere übertragungs- systeme angeordnet sein, die im Kraftüber- tragungsweg vom treibenden Teil zum getrie benen Teil der Kraftmaschine parallel zu einander liegen. Eine diesbezügliche, mit drei Übertragungssystemen ausgestattete Regelein richtung ist in den Fig. 3 und 4 dargestellt. In diesen Figuren ist 1 das Schaufelrad einer Pelton-Turbine und 2 das Gehäuse der Tur bine mit den Lagern 3 für die das Schaufelrad 1 tragende Hohlwelle 4.
Im Innern der Hohl welle 4 ist eine Welle 5 gelagert, auf deren einem Ende eine die Kraft abgebende Riemen scheibe 6 samt Schwungrad 6' sitzt. Die Wel len. 4, 5 sind auf der der Riemenscheibe 6 entgegengesetzten Seite aus dem Gehäuse 2 herausgeführt. Auf dem herausragenden Ende der Hohlwelle 4 ist ein trommelförmiges Ge häuse 7 befestigt, dessen Stirnwand 7' gleich mässig verteilt drei Gelenkbolzen T in glei chem radialen Abstand zur Längsmittelachse 0-0 der Wellen 4, 5 trägt. Die Bolzen T lie gen parallel zur besagten Längsmittelachse 0-0.
Auf dem im Gehäuse 7 befindlichen Ende der Welle 5 ist ein sternartiger Trag körper 8 aufgekeilt, der Bolzen G trägt, die im gleichen radialen Abstand wie die Bolzen T mit Bezug zur Längsmittelachse 0-0 an geordnet sind. Die Bolzen G liegen gleichfalls parallel zu der besagten Längsmittelachse 0-0. Auf den Bolzen<I>T</I> und G sind Lenker<I>L</I> mit ihrem einen Ende schwenkbar gelagert; diese Lenker verlaufen nach aussen und sind an ihrem äussern Ende durch ein Fliehgewicht Ir' gelenkig miteinander verbunden.
Der Trag körper 8 weist eine Hülse 10 auf, in welcher diametral gegenüberliegend Kurvennuten 11 eingearbeitet sind. In die Kurvennuten greifen Zapfen 12 eines Joches 13 ein. In den Enden der Zapfen 12 sind Blattfedern 14 befestigt, die radial nach aussen verlaufen -und mit ihrem äussern Ende zwischen dem Rand des trommelförmigen Gehäuses 7 und einem auf diesen befestigten Deckel 15 eingelegt sind. Durch die Federn 14 ist das Joch 13 samt Zapfen 12 mit dem Gehäuse 7 drehfest ver bunden.
In der Mitte dieses Deckels ist eine Bohrung 16 zum Führen eines in der Längs- mittelachse 0-0 liegenden Stiftes 17 vorgese hen, dessen Kopf 18 drehbar, jedoch gegen Verschiebung gesichert mit dem Joch 13 ver bunden ist. Das äussere Ende des Stüftes 17 steht durch Laschen 19 mit dem einen Arm eines Winkelhebels 20 gelenkig in Verbindung.
Dieser Winkelhebel wird von einem auf der Grundplatte 21 der Maschine angeordneten zapfenartigen Anguss 22 getragen und ist durch einen Bolzen 23 drehbar auf diesem An- guss befestigt. An den zweiten Arm des Win- kelhebels 20 greift ein Gestänge 25 an, dessen Länge durch ein mit Handrad 26 ausgestatte tes Spannsehloss 27 eingestellt werden kann.
Das Gestänge 25 führt zu dem einen Arm eines Winkelhebels 28, der bei 29 an einem zapfenartigen Anguss 30 der Grundplatte 21 drehbar befestigt ist. Dieser Arm weist einen Schlitz 31 auf, in dem der Gelenkbolzen 32 für das Gestänge 25 ein- und festgestellt wer den kann. Der zweite Arm des Winkelhebels 28 ist durch ein Laschenpaar 3-3 mit der Stange 34 der Düsennadel 35 verbunden. Die Stange 34 ist im Rohrkrümmer 36 geführt, der die Druckwasserleitung 37 mit der Düse 38 verbindet.
Nimmt die Belastung an der Riemen scheibe 6 zu, so bleiben die getriebenen Teile 6, 5, 8 der Kraftmaschine gegenüber den trei benden Teilen. 7, 4, 1 der Kraftmaschine re- lativ zurück und die Bolzen G und T entfer nen sich voneinander. Die durch die Lenker mit diesen Bolzen verbundenen Fliehgewichte werden radial nach einwärts gezogen bis die durch die Fliehkraft der Fliehgewichte er zeugten Tangentialkräfte in den Punkten G -und X der geänderten Umfangskraft entspre chen.
Die Relativverdrehung der Teile 6, 5, 8 gegenüber den Teilen 7, 4, 1 hat eine Ver drehung der Hülse 10 mit Bezug zum Joch 13 und dessen Zapfen 12 zur Folge, weil die Hülse mit dem getriebenen Teil und das Joch 13 samt Zapfen 12 durch die Feder 14 mit dem treibenden Teil der Kraftmaschine dreh fest verbunden ist.
Bei dieser Relativverdre hung gleiten die Zapfen 10 in den Kurven- nuten 11 und die hiedurch bewirkte axiale Verstellung des Joches 13 wird über den Stift 17, die Laschen 19, den Winkelhebel 20, das Gestänge 25, den Winkelhebel 28, die Laschen 33 und die Stange 34 auf die Düsennadel 35 übertragen, derart., dass letztere von der Düsenöffnung zurückgezogen wird und dem gemäss einen grösseren Durchgangsquerschnitt für das Druckwasser freigibt.
Das Schaufel rad wird entsprechend der zunehmenden Be lastung an der Riemenscheibe stärker beauf- schla.gt. Dieser Regelungsvorgang erfolgt mit einer der Grösse des Schwungmomentes des Schwungrades 6' abhängigen Verzögerung; demnach bleibt die Drehzahl der Kraft maschine praktisch gleich. Sin1Lt die Belastung an der Riemenscheibe 6 ab, so arbeitet die Regeleinrichtung in umgekehrter Weise und bewirkt eine Drosselung der Beaiüschlagung.
Der geschilderte Regelvorgang entspricht vollkommen dem in Fig.1 erläuterten Schema; ändert sich zufolge einer Belastungsänderung bei konstanter Drehzahl die in den Punkten G und T wirkende Umfangskraft, so wird das Übertragungssystem aus dem Gleichgewicht. gebracht und die Lage der Punkte G und '1' zueinander geändert.
Mit dieser Änderung ändert sich aber auch die Lage des Flieh gewichtes und damit die Grösse der vom Fliehgewicht erzeugten Tangentia.lkräfte der art, dass die neuen Tangentialkräfte der Um fangskraft in den Punkten G und T entspre- eben. Die Relativbewegung der Punkte G und T zu- bzw. voneinander ergibt den jeweilig benötigten Regelweg (vgl.
Winkel a im Schema gemäss Fig.1). Durch entsprechende Wahl des Steigungswinkels der Kurvennuten 11, dem radialen Abstand der Punkte G und T sowie der Länge der Lenker L kann das Ver hältnis von Umfangskraft zum Regelweg ver ändert werden.
An der geschilderten Arbeitsweise ändert nichts, dass beim Schema gemäss Fig.1 die Lenker im Bereiche des Fliehgewichtes unmit telbar miteinander verbunden, bei der Aus führung gemäss den Fig.3 und 4 hingegen unter Zwischenschaltung des Fliehgewichtes miteinander gelenkig verbunden sind.
Die erstgenannte Lenkerverbindung wurde nur wegen der besseren Ersichtlichmachung des Kräftespiels gewählt, während die letzt genannte Lenkerverbindung insbesondere der praktischen Ausführung entspricht, da hier durch die Lenker in einer einzigen Querebene zu liegen kommen und unerwünschte Biege momente in den Gelenken vermieden werden.
Die Empfindlichkeit der Regeleinrichtung wird nicht allein durch die in dieser und dem Reglergestänge auftretende Reibung beein- flusst, sondern kann durch entsprechende Schwungmassen sowohl der treibenden als auch der getriebenen Teile der Kraftmaschine in die gewünschten Grenzen gebracht werden.
Durch Verdrehung des Handrades 26 kann die Länge des Gestänges 25 geändert werden; auch kann durch Ein- und Feststellung des Bolzens 32 in dem Schlitz 31 die wirksame Länge des Hebelarmes des Winkelhebels 28 geändert werden. Diese Änderungen dienen zur Anpassung der Regeleinrichtung an ver schiedene Betriebsverhältnisse.