Sicherheitseinrichtung an einer Kaplanturbine Die Erfindung betrifft eine Sicherheits einrichtung an einer Kaplanturbine für den 1'a11 des Durchbrennens.
Bei Kaplanturbinenanlagen, die kein be sonderes Abschlussorgan im Wasserzulauf be sitzen, ist es üblich, beim Durchbrennen der Gruppe die Laufradschaufeln mit, einer soge nannten Notschlussvorriehtung zu schliessen, uni die Dauer des Durchbrennens zu be grenzen.
Beispielsweise lässt man zu diesem Zweck nach Ansprechen eines Sicherheitspen dels bei Erreichen einer bestimmten Über drehzahl erhöhten Öldruck auf die Schliessseite des Laufradservomotors einwirken, um mit tels des normalen Laufradreguliermechanis- mus die Laufschaufeln zu schliessen. Das Drueköl wird hierbei von einer Notpumpe geliefert oder einem Akkumulator entnom- nien.
Dieses Verfahren besitzt jedoeh den Nach teil, dass die Drehzahl infolge des Schliessens der Laufradschaufeln vorerst noch weiter zunimmt, falls das Leitrad im Moment des Anspreehens des Sicherheitspendels stark geöffnet ist und bei einer grossen Öffnung stehenbleibt. Die Drehzahl kann dabei unter Umständen so stark zunehmen dass sie den überhaupt möglichen Höchstwert erreicht, um Bernach erst wieder abzusinken, wenn die Laufradschaufelung bis zu einem Öffnungs betrag von etwa 25<B>%</B> der vollen Öffnung geschlossen ist.
Erst bei Erreichen ganz kleiner Laufradöffnungen erreicht dann die Drehzahl wieder kleinere Werte als im Augen blick des Ansprechens der Sicherheitseinrich tung.
Infolge der erhöhten Durchbrenndrehzahl und der dadurch bedingten Erhöhung der Fliehkräfte der zu bewegenden Teile nehmen nun auch die bei der Schliessbewegung der Laufradschaufeln zu überwindenden Rei bungskräfte bedeutend zu. Für das Schliessen der Laufradschaufelung beim Durchbrennen sind dann Kräfte erforderlich, welche das Mehrfache derjenigen bei normaler Drehzahl betragen.
Da der für die Unterbringung des Verstellmechanismus in der Laufradnabe zur Verfügung stehende Ra-am sehr beschränkt ist, bietet aber die Verstärkung des Verstell mechanismus für die Laufradschaufelung, namentlich bei grösseren Gefällen, beträcht liche Schwierigkeiten.
Bei den bisher bekannten Sicherheits einrichtungen werden demnach die zu Be ginn des Durchbrennens herrschenden Ver hältnisse zuerst noch durch die Einwirkung der Sieherheitseinriehtung selbst verschlech tert, indem vorerst die Drehzahl entgegen der erstrebten Wirkung weiter gesteigert wird und dadurch die zum Schliessen der Laufradschaufelung erforderlichen Kräfte er höht werden. Die starke Drehzahlerhöhung kann auch unerwünschte Vibration im Gang der Gruppe hervorrufen.
Ausserdem bewirkt die infolge der höheren Drehzahl grössere im Rotor aufgespeicherte kinetische Energie auch eine Verlängerung des Auslaufens der Gruppe mit Überdrehzahl nach Schliessen des Laufrades.
Durch die Erfindung wird nun bezweckt, bei einer Sicherheitseinrichtung einer Kaplan turbine, für den Fall des Durchbrennens, welche einen bei Erreichen einer bestimmten Überdrehzahl der Turbine ansprechenden Sicherheitsregler aufweist, die erwähnten Nachteile zu vermeiden. Zu diesem Behufe steht der Sicherheitsregler mit einem Regel organ in Wirkungsverbindung, welches bei Ansprechen des Sicherheitsreglers eine von der normalen Druckmittelversorgung des Reguliersystems der Turbine unabhängige stärkere Kraftquelle in schliessendem Sinne auf den Leitapparat der Turbine einwirken lässt.
In der Zeichnung ist ein Ausführungs beispiel des Erfindungsgegenstandes in ver einfachter Darstellung veranschaulicht. Es zeigen hierbei: Fig.1 die ganze Regeleinrichtung einer Kaplanturbine mit der Sicherheitseinrichtung und Fig.2 eine Einzelheit der Sicherheitsein richtung in der Lage nach dem Ansprechen des Sicherheitsreglers.
Fig. 3 zeigt ferner an Hand eines Schau bildes die Wirkung der Sicherheitseinrich tung auf den Drehzahlverlauf nach Anspre chen des Sicherheitsreglers.
Die Kaplanturbine weist einen Leitapparat 1 und ein Laufrad 2 auf. Der Leitapparat beherrscht den Zufluss des Betriebswassers znim Laufrad. Bei der dargestellten Regelein richtung ist der Übersichtlichkeit halber der Leitapparat räumlich getrennt vom Laufrad gezeichnet. Er besitzt drehbare Leitschaufeln 3, welche über Hebel 4 und Lenker 5 mit einem drehbaren Regelring 6 verbunden sind.
Das Laufrad besitzt eine Nabe 7 mit drehbaren Laufschaufeln 8, welche durch einen in der Nabe 7 angeordneten Verstell inechanismus betätigt werden.
Die Verstellung des Leitapparates wie auch der Laufradschaufelung wird normaler- weise von einem Drehzahlregler 9 aus be herrscht. Dieser greift am linken Ende eines Waagebalkens 10 an, an welchem über eine Stange 11 ein Steuerschieber 12 angelenkt ist.
Der Steuerschieber 12 beherrscht den Zit- fluss von Druckmittel von einer Leitung 13 über eine Leitung 14 nach der linken Seite eines Servomotorkolbens 15 bzw. über eine Leitung 16 nach der rechten Seite dieses Servomotorkolbens. Der Kolben 15 ist in einem Zylinder 17 angeordnet. und bildet mit diesem den Leitradservomotor. Er ist über eine Stange 18 mit einem Hebel 19 des Regel ringes 6 verbunden.
Die Rückführung der Steuerung durch die Bewegung des Servo- motorkolbens 15 erfolgt über eine Kolben stange 20, einen Winkelhebel 21 und eine weitere Stange 22, welche am rechten End punkt des Balkens 10 angelenkt ist.
Die Betätigung der Laufschaufeln 8 er folgt in bestimmter Zuordnung zur Verstel lung des Leitapparates. Zu diesem Behufe ist die über den Angriffspunkt des Hebels 19 hinaus verlängerte Stange 18 über einen Hebel 23 mit einer um eine Achse 2-1 schwenk baren Kurvenscheibe 25 verbunden. Eine vertikal in ihrer Achsrichtung verschiebbare Stange 26 mit Rolle 27 wird durch eine Feder 28 ständig gegen die Kurvenscheibe 25 gedrückt, so dass die Rolle 27 bei der Be wegung der Kurvenscheibe auf dieser abläuft. Die Stange 26 greift mit ihrem obern Ende an einem Balken 29 an.
An diesem ist weiter über eine Stange 30 ein Steuerschieber 31 angelenkt, welcher den Zufluss von Druck mittel aus einer Leitung 32 über eine Lei tung 33 nach der obern Seite eines Servo- motorkolbens 34 bzw. über eine Leitung 35 den Zufluss zur Unterseite dieses Kolbens beherrscht. Der Kolben 34 ist in einem Zy linder 36 angeordnet.
Er bildet zusammen ir@it diesem den Laufradservomotor und ist über eine Verstellstange 37 mit dem Ver- stellmechanismus der Laufradscliaufelung verbunden. Die Rückführung der Steuerung erfolgt über eine Stange 38, welebe den Kol ben 34 mit dem linken Ende des Balkens 29 gelenkig verbindet.
Die Kurvenscheibe 25 ist in bekannter Weise so ausgebildet, dass jeder Stellung des Leitapparates eine Stellung der Laufrad- sehaufelung zugeordnet wird, bei welcher die Turbine den besten Wirkungsgrad erreicht.
Die beschriebene Einrichtung bildet das normale Reguliersy stein der Turbine.
Es wirkt folgendermassen Bei einer Drehzahlerhöhung wird durch die Wirkung des Drehzahlreglers 9 der Steuer schieber 12 angehoben. Dieser gibt dabei den Zufluss von Druckmittel über die Leitung 14 nach der linken Seite des Leitradserv omotor- kolbens 15 frei. Gleichzeitig gestattet er den Abfluss von Druckflüssigkeit von der rechten Seite des Kolbens 15 über die Leitung 16. Dabei wird der Kolben 15 nach rechts bewegt, was eine Drehung des Regelringes ä im Uhr zeigerdrehsinn und damit ein Schliessen des Leitapparates 1 bewirkt.
Gleichzeitig wird die Kurvenscheibe 25 gegen den Uhrzeigerdrehsinn geschwenkt. Sie gestattet dabei eine Abwärtsbewegung der Stange 26 unter der Wirkung der Feder 28. Der Steuerschieber 31 wird dabei ebenfalls nach unten bewegt. Er gibt so den Zufluss von Druckmittel über die Leitung 35 nach der Unterseite des Kolbens 34 frei, wobei gleichzeitig Flüssigkeit von der Oberseite des Kolbens 34 über die Leitung 33 abfliessen kann. Der Kolben 34 des Laufradserv omotors wird dabei angehoben, was nun auch ein Schliessen des Laufrades bewirkt.
Bei einer Drehzahlsenkung werden Bewe gungen in umgekehrter Richtung eingeleitet. Für den Fall, dass die normale Regelung nicht in der gewünschten Weise einzugreifen in der Lage ist. und die Turbine durchbrennt, ist nun eine besondere Sicherheitseinrichtung vorgesehen. Diese weist erstens einen Sicher heitsregler auf, welcher bei Erreichen einer bestimmten Überdrehzahl anspricht.
Bei der in Fig.1 dargestellten Ausführungsform ist dies ein Exzenterring 39, welcher auf die mit 40 bezeichnete Welle der Turbine aufge setzt ist und normalerweise durch eine Feder 41 in seiner Mittellage gehalten wird.- Als weiteres Regelorgan weist die Sicher heitseinrichtung ein in einem Zylinder 42 angeordnetes Kolbensystem mit Kolben 43, 44, 45, 46 auf, welches in das Flüssigkeits zuleitungssystem des Leitradservomotors 15, 17 eingebaut ist. Diese Kolben sind koaxial zueinander angeordnet und fest miteinander verbünden. Sie lassen zwischen einander Zwi schenräume 47, 48, 49 frei.
Das Kolbensystem ist links in .axialer Richtung-durch eine Feder 50 belastet, welcher auf der rechten Seite des Kolbens 46 in einem Raum 51 ein Flüs sigkeitsdruck entgegenwirkt. Der Zufluss von Druckflüssigkeit zum Raum 51 wird durch ein Vorsteuerventil 5,2 mit Kolben 53 be herrscht, welches über eine Leitung 54 mit einer Druckmittelquelle und über eine Lei tung 55 mit dem Raum 51 in Verbindung steht. Mit 5ö ist eine Abflussöffnung im Ventil 52 bezeichnet.
Durch eine Feder 57 werden die Kolben 53 normalerweise in einer Endlage gehalten, welche durch einen Winkelhebel 58 begrenzt wird. Dabei wird durch das Vorsteuerventil 52 eine Verbindung zwischen den Leitungen 54 und 55 hergestellt, so dass der Raum 51 mit der Druckmittelquelle verbunden ist. Die Abflussöffnung i56 wird dagegen durch den einen der Kolben 53 überdeckt.
Das Kolben system 43, 44, 45, 46 wird so in einer Endlage gehalten, bei welcher ein freier Durchfluss durch die Steuerleitungen 14 und 16 des normalen Reguliersystems nach den beiden Kolbenseiten des Leitradserv omötors 15, 17 freigegeben ist. Der Zwischenraum 47 zwi schen den Kolben 43 und 44 steht dabei so wohl >mit der Leitung 14 als auch mit dem Raum links des Kolbens 15 im Zylinder 17 in Verbindung, während der Raum 49 zwi schen den Kolben 45 und 46 sowohl mit der Leitung 16 als auch mit dem Raum rechts des Kolbens 15 im Zylinder 1'7 in Verbin dung steht.
Der Raum 48 zwischen den Kolben 44 und 45 steht dagegen über eine Leitung 59 mit der Förderseite einer Notpumpe <B>66</B> -in Verbindung. Diese wird über ein Getriebe 61 von der @Turbinenwelfe -40 äiis angetrieben. Diese Notpumpe ist in der Lage, Druck- flüssigkeit unter höherem Druck zu liefern, als das durch die Leitung 13 für die Betäti gung des Servomotors 15, 17 zufliessende Druckmittel aufweist.
Bei der in Fig.1 ge zeigten Lage des Kolbensystems 43, 44, 45, 46 kann indessen die von der Pumpe 60 ge lieferte Flüssigkeit aus dem Raum 48 durch eine Öffnung 62 wieder frei abfliessen.
Die Sicherheitseinrichtung wirkt nun fol gendermassen Bei Erreichen einer bestimmten Überdreh zahl vermag die unausgeglichene Fliehkraft des Exzenterringes 39 die Kraft der Feder 41 zu überwinden, so dass der Ring 39 aus schlägt. Der Winkelhebel 58, welcher nahe am Exzenterring 39 angeordnet ist, wird dabei durch Aufschlagen dieses Ringes gedreht. Dabei werden die Kolben 53 des Vorsteuer ventils 52 durch die Feder 57 nach links bewegt. Der Zufiuss von Druckmittel durch die Leitung 54 wird so abgesperrt, während Flüssigkeit aus der Leitung 55 durch die Öffnung 56 abfliessen kann.
Damit sinkt der Druck im Raum 51 und das Kolbensystem 43, 44, 45, 46 wird durch die Wirkung der Feder 50 nach rechts gedrückt.
Die dabei vom Kolbensystem 43, 44, 45, 46 und von den Kolben 53 des Vorsteuer- ventils 51 eingenommenen Lagen sind in Fig.2 dargestellt. Durch die Kolben 43 und 45 werden die Leitungen 14 und 16 des normalen Reguliersystems abgeschlossen. Der Raum 47 zwischen den Kolben 43 und 44 behält dagegen seine Verbindung mit dem Raum links des Kolbens 15 im Zylinder 17 bei.
Gleichzeitig wird er aber nun mit der Leitung 59 in Verbindung gesetzt, so dass von der Notpumpe 60 geliefertes Druckmittel höheren Druckes über die Leitung 5,9 und den Raum 47 nach der linken Seite des Kol bens 15 gelangen kann.
Der Raum 48 zwischen den Kolben 44 und 45 erhält eine Verbindung mit dem rechts des Kolbens 15 liegenden Raum im Zylinder 17, wobei er aber gleichzeitig die Verbindung mit der Abflussöffnung 62 bei behält. Es wird somit ein Abströmen von Plüssigkeit von der rechten Seite des Kolbens 75 über den Raum 48 durch die Öffnung 62 ermöglicht und der Leitapparat mit erhöhter Kraft geschlossen.
Bei der beschriebenen Sicherheitseinrich tung steht somit der aus dem Exzenterring 38 bestehende Sicherheitsregler mit dem die Kolben 43, 44, 45, 46 aufweisenden Regel organ in Wirkungsverbindung, und bei An sprechen des Sicherheitsreglers lässt dieses Regelorgan eine von der normalen Druck mittelversorgung des Reguliersystems der Turbine unabhängige stärkere Kraftquelle, nämlich das von der Notpumpe 60 gelieferte Druckmittel, in schliessendem Sinne auf den Leitapparat 1 der Turbine einwirken. Die beschriebene Sicherheitseinrichtung bewirkt nun zuverlässig ein Abstellen der Maschine, gleichgültig, aus welchem Grunde ein Durch brennen der Gruppe auftritt.
Dieses kann beispielsweise die Ursache haben in einem Versagen der Zufuhr der normalen Regel flüssigkeit zur Leitung 13, in einem Ver klemmen des Steuerkolbens 12 in seinem Ge häuse oder im Einklemmen eines Fremdkör pers zwischen zwei Leitschaufeln. Auch im letzteren Falle wird ein Schliessen des Leit- apparates bewirkt, da von der Notpumpe 60 aus bei Ansprechen der Sicherheitseinrich tung dem Leitradserv omotor 15, 17 Druck flüssigkeit mit erhöhtem Druck zugeführt wird.
Es kann so beim Einklemmen eines Fremdkörpers zwischen zwei Leitschaufeln höchstens zum Bruch einer oder mehrerer Leitschaufelsiclierungen kommen. Die übri gen Leitschaufeln werden aber ganz geschlos sen und bewirken so den Stillstand der Gruppe oder zumindest eine starke Herab setzung der Drehzahl auf einen ungefähr lichen Betrag.
Die vorteilhafte Wirkeng der beschrie benen Sicherheitseinrichtung ergibt sieh deut lich an Hand des Schaubildes der Fig. 3. Darin ist der Drehzahlverlauf bei einem Schliessvorgang dargestellt. Die Linie a stellt die normale Drehzahl dar, welche mit 100 % bezeichnet ist. Die Kurve b zeigt den Dreh- zahlverlauf, wie er sich bei Anwendung der bisher bekannten Sicherheitseinrichtungen ergeben kann. Es ist hierbei angenommen, dass der Leitapparat infolge Versagens der normalen Reguliereinrichtung nicht geschlos sen werden könne und bei Auftreten des Durchbrennens in seiner vollen Öffnungs stellung sei.
Bei den bisher bekannten Sicher heitseinrichtungen wird dann auf die Ver stellung der Laufradschaufelung eingewirkt und diese geschlossen. Die Kurve b gibt nun den Drehzahlverlauf bei einem solchen Vor gang, wobei die Abszisse des Schaubildes sich auf die Öffnung der Laufradschaufelung be zieht, welche hierbei durch die Sicherheits einrichtung beeinflusst wird. Mit Punkt A ist die Durehbrenndrehzahl bei voller Leit apparat- und Laufradöffnung dargestellt, welche etwas weniger als das Doppelte der normalen Drehzahl angenommen ist.
Auf diese Drehzahl steigt die Läuferdrehzahl a an in der Zeit, welche verstreicht zwischen der plötzlichen Entlastung der Turbine und dem Beginn der Schliessbewegung der Laufrad schaufeln, die durch die bekannte Sicherheits vorrichtung bewirkt wird.
Die Schliessbewegung des Laufrades bei festgehaltener voller Öffnung des Leitappa- rates bewirkt nun, dass die Drehzahl von dem Punkte A aus vorerst noch weiter ansteigt, bis sie in einem Punkte B bei etwa 25 % Laufradöffnung einen Höchstwert iil er reicht. Erst bei ganz kleinen Laufradöff- nungen fällt sie auf kleinere Werte als zu Beginn des Notschlusses. Bleibt das Leitrad bei einer etwas kleineren als der vollen Öff nung stehen, so kann sieh sogar eine noch etwas höhere Maximaldrehzahl ergeben als nach Punkt B.
Die Kurve e stellt dagegen den Drehzahl verlauf dar, welcher bei Betätigung der be schriebenen Sicherheitseinrichtung erhalten wird, wenn also, vom gleichen Punkt A aus. gehend, statt des Laufrades das Leitrad ge schlossen wird. Für die Kurve e ist somit als Abszisse die Leitapparatöffnung aufgetra gen, während dabei angenommen wird, da.ss die Laufradschaufelung ihre volle Öffnung beibehält. Bei diesem Schliessvorgang sinkt die Drehzahl sofort ab und geht schon auf die normale Drehzahl zurück, bevor die Leit- appa.ratöffnung auf einen Viertel ihres vollen Betrages vermindert ist.
Es ergibt sich somit eine wesentliche Verbesserung gegenüber dem Verlauf nach der Kurve b.
Tritt das Durchbrennen bei Teillast auf, so ergeben sich unter Umständen etwa höhere Durchbrennzahlen als gemäss dem Punkt A. Mit der Kurve c sind die Durchbrenndreh- zahlen in Funktion der Leitapparatöffnung aufgetragen, wenn jeder Leitapparatöffninmg jene Laufradöffnung zugeordnet ist welche im normalen Betrieb den besten Wirkungs grad ergibt, das heisst, wenn es sich um eine Zuordnung zwischen Laufradöffnung und Leitapparatöffnung handelt,
wie sie durch die Kurvenscheibe<B>2</B>5 der normalen Regulier einrichtung gemäss Fig.1 festgelegt ist.
Hier ergibt sich eine grösste Durchbrenn- drehzahl n2 bei einer Leitapparatöffnung ge mäss dem Punkte C. Wird aber von irgend einem Punkte der Kurve c ausgehend beim Durchbrennen die erfindungsgemässe Sicher heitseinrichtung angewendet, so kann die Drehzahl nie die dem Punkte C entspre- ehende Durchbrenndrehzahl überschreiten, welche selbst wesentlich kleiner ist als die bei bisher üblichen Sicherheitseinrichtungen durchlaufene grösste Drehzahl.
Tritt bei spielsweise bei einer dem Punkte D der Kurve c entsprechenden Leitapparatöffnung und entsprechend zugeordneter Laufradstel- lung ein Durchbrennen auf, so steigt die Drehzahl bis auf einen durch den Punkt D dargestellten Wert an. Wird nun wieder durch die erfindungsgemässe Sicherheitsein richtung auf den Leitapparat eingewirkt und dieser bei gleichzeitigem Festhalten der Lauf radschaufelstellung geschlossen, so ergibt sich ein Drehzahlverlauf gemäss der Kurve d. Auch hier fällt also die Drehzahl sofort ab.
Allgemein ist also zu sagen, dass bei An wendung der erfindungsgemässen Sicherheits einrichtung Drehzahlen, welche oberhalb der Kurve c liegen, zuverlässig vermieden wer den, während bei den bisher üblichen Ein- richtungen mit wesentlich höheren überdreh zahlen gerechnet werden musste.
Anstatt, wie dargestellt, bei der Sicher heitseinrichtung als unabhängige stärkere Kraftquelle von einer Notpumpe geförderte Flüssigkeit zu verwenden, kann auch irgend eine andere unabhängige stärkere Kraftquelle verwendet werden. Es kann hierbei beispiels weise auch für die Betätigung des Leit.rad- servomotors Druckflüssigkeit verwendet wer den, welche von einem Notwindkessel oder einem Gewichtsakkumulator bezogen wird.
Dabei wäre etwa bei der in Fig. 1 darge stellten Einrichtung die Leitung 59, statt mit der Notpumpe 60, mit diesem Windkessel oder Gewichtsakkumulator zu verbinden, wäh rend die öffnung 62 bei der normalen Stel lung der Kolben 43, 44, 45, 46 nicht mit dem Raum 48 in Verbindung stehen dürfte, son dern an eine Stelle zu legen wäre, an welcher sie durch den Kolben 45 abgeschlossen würde.
Statt einer Druckflüssigkeit als unabhän gige stärkere Kraftquelle können auch rein mechanische Mittel, beispielsweise in schlie ssendem Sinne auf den Leitapparat einwir kende Gewichte oder Federn verwendet wer den, oder es können beispielsweise auch elek trische Mittel zur Einwirkung auf den Leit- apparat gebracht werden.