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Einrichtung zur Begrenzung der Drehzahlsteigerung bei plötzlicher
Abnahme der Belastung von Strömungsmaschinen, insbesondere von Kaplan-Turbinen Bei
Strömungsmaschinen mit verstellbaren Leituni Laufradschaufeln, insbesondere bei
Kaplan-Turbinen, die mit einem elektrischen Generator gekuppelt sind, ist es im
Falle einer plötzlichen Abnahme der Belastung der Turbine, beispielsweise infolge
Ausfall eines vom Generator gespeisten Netzes, bekanntlich notwendig, das Durchgehen
der nun nicht mehr voll belasteten Turbine zu verhindern. Es wurde daher schon versucht,
durch den Drehzahlregler der Turbine einen Schnellschluß des Leitapparates herbeizuführen.
Allerdings muß hierbei der Nachteil in Kauf genommen werden, daß schädliche Druckstöcke
an der Wasserzuführungsleitung entstehen.
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Bei den Bestrebungen, diesen Nachteil durch Ausdehnung der Schließzeit
des Leitapparates zu beseitigen, ist man dann dazu übergegangen, an der Turbine
zusätzliche Schwungmassen, beispielsweise ein Schwungrad, anzuordnen. Diese Lösung
war aber auch nicht zufriedenstellend. Soll nämlich die Drehzahlsteigerung wie üblich
30 bis -10°1o der Drehzahl bei Vollbelastung der Turbine nicht überschreiten, dann
ist ein erheblicher Aufwand an Schwungmassen erforderlich, der um so größer wird,
je größer die Turbinenleistung und je kleiner die Betriebsdrehzahl der Turbine ist.
Um nun nicht allzu große Schwunginassen einbauen zu müssen, ist man auf den Ausweg
gekommen, auf die üblichen Garantien zur Einhaltung bestimmter Drehzahlen zu verzichten.
Das ist aber nur möglich, wenn nach einer plötzlichen Abnahme der Turbinenbelastung
der Generator keine Stromverbraucher, insbesondere keine elektrisch angetriebenen
Kreiselpumpen, mehr zu versorgen braucht, denen eine mit der Drehzahlsteigerung
verbundene Spannungs- und Frequenzsteigerung schaden würde.
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Wenn aber der Generator einer Kaplan-Turbine mit großer Leistung und
kleiner Normaldrehzahl mehrere Netze, also beispielsweise ein großes Netz und außerdem
noch ein oder mehrere kleinere Netze, mit verhältnismäßig geringer Belastung speisen
muß und wenn das große Netz beispielsweise infolge Kurzschluß ausfällt, dann müßten
zwecks Begrenzung der Drehzahlsteigerung die Schwungmassen außergewöhnlich groß
ausgeführt werden.
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Um hier Abhilfe zu schaffen, wurde bereits versucht, die nachteiligen
Auswirkungen einer plötzlichen Entlastung dadurch zu vermeiden, daß die Leitschaufeln
bei unveränderter oder nahezu unveränderter Stellung der Laufschaufeln mit kurzer
Schließzeit so weit geschlossen werden, bis die Turbinenleistung ganz oder annähernd
der verlangten Leistung angeglichen ist, und daß dann die Laufschaufeln und die
Leitschaufeln gleichzeitig so verstellt werden, daß die Turbinenleistung nicht mehr
wesentlich von der verlangten Leistung abweicht. Bekannt ist es auch, das Durchgehen
der Turbine bei plötzlicher Entlastung dadurch zu verhindern, daß die Turbine stillgesetzt
wird, wobei dafür gesorgt ist, daß sie erst dann wieder angefahren werden kann,
wenn die normalen Betriebsbedingungen wiederhergestellt sind.
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Es wurde auch bereits von der Eigenschaft der Kaplan-Turbine Gebrauch
gemacht, daß bei plötzlicher Abnahme der Turbinenbelastung der jeweiligeWasserdurchlaß
unverändert bleiben kann, wenn unter Beibehaltung der jeweiligen Leitschaufelstellung
die Laufradschaufeln entsprechend geöffnet werden. Der Lastausgleich wird dann lediglich
durch Abfallen des Turbinenwirkungsgradesbewirkt.Ein Schnellschließen der Druckwasserleitung
ist dann nicht mehr notwendig.
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Durch die Erfindung wird eine besonders günstige Lösung für eine Einrichtung
zur Begrenzung der Drehzahlsteigerung bei plötzlicher Abnahme der Belastung von
Strömungsmaschinen mit verstellbaren Leit- und Lauf radschaufeln, insbesondere von
Kaplan-Turbinen, vorgeschlagen, bei der die der Leitschaufelverstellung zugeordnete
Laufradschaufelverstellung mittels einer Kurvenscheibe durchgeführt und die Zuordnung
zwecks Öffnens der Laufradschaufeln vorübergehend aufgehoben wird.
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Erfindungsgemäß ist für das Öffnen der Laufradschaufeln bei einer
plötzlichen starken Schließbewegung der Leitradschaufeln zwischen der Kurvenscheibe
und der Laufradschaufelsteuerung ein auf Drehzahlsteigerungen ansprechendes Verstellorgan
geschaltet, das die Laufradschaufeln im Öffnungssinn und etwa proportional der Bewegung
der Leitradschaufeln bewegt und das eine Schließung der Laufradschaufeln
mit
Verzögerung so lange bewirkt, bis die Stellungen der Leit- und Laufradschaufeln
einander wieder zugeordnet sind.
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Das Verstellorgan ist ein Servomotor, dessen Zylinder bzw. Kolben
mit der Welle der Kurvenscheibe und dessen anderer Motorteil (Kolben bzw. Zylinder)
mit dem Verstellgestänge für das Laufradsteuerventil verbunden ist und dessen Zylinderräume
beiderseits des Kolbens über ein Rückschlagventil und einen Katarakt miteinander
verbunden sind. Gerade ein Servomotor eignet sich für die genannte Aufgabe besonders
gut, denn er ist sehr einfach in seiner Bauweise und sehr betriebssicher, ohne daß
etwa eine besondere Wartung notwendig wäre.
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Das Verstellorgan kann auch aus zwei Servomotoren gebildet werden.
Die Anordnung derselben wird dann so getroffen, daß der Kolben des einen Servomotors
mit der Welle der Kurvenscheibe und der Kolben des anderen Servomotors mit dem Verstellgestänge
für das Laufradsteuerventil gekuppelt ist. Die Arbeitsräume der beiden Servomotoren
sind durch eine Leitung miteinander verbunden, die über eine Blende an den für die
beiden Servomotoren gemeinsamen ölsammelbehälter angeschlossen ist.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung in zwei Ausführungsbeispielen schematisch
dargestellt. Es zeigt Fig. 1 eine Einrichtung zur Begrenzung der Drehzahlsteigerung,
bestehend aus einem einzigen Servomotor, und Fig. 2 eine aus zwei Servomotoren bestehende
Begrenzungseinrichtung.
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Auf der Bahn der vom Drehzahlregler gesteuerten Kurvenscheibe 1 für
die Laufradschaufelverstellung gleitet eine Rolle 2. Diese Rolle ist an einem Schwenkarm
(Verstellstange) 3 gelagert, der über die bei 5 angelenkte Stange 4 mit dem Steuerventil
6 für den Laufradservomotor 7 verbunden ist. Die am anderen Ende des Schwenkarmes
3 gelagerte Rolle 8 gleitet auf der Kurvenbahn der Kurvenscheibe 9, die zur Rückführung
des Schwenkarmes und damit des Laufradsteuerventils 6 in dieAusgangsstellung (Mittelstellung)
dient. Der Schwenkarm 3 und damit auch die beiden Rollen 2, 8 werden durch eine
im Festpunkt 17 befestigte Druckfeder 10 gegen die Bahnen der Kurvenscheiben 1 und
9 gedrückt.
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Mit der Welle 11 der Kurvenscheibe 1 ist ein Hebel 12 verbunden, der
am Zylinderboden eines Servomotors 13 angelenkt ist, während der Kolben 13a dieses
Servomotors mit seiner Kolbenstange 13 b am Schwenkarm 3 gelagert ist. Der Servomotorzylinder
weist einen Katarakt 14 mit einer einstellbaren Blende 15 auf. Außerdem ist am Kolben
13a ein Rückschlagventi116 angeordnet, das die Aufgabe hat, bei den durch einen
Pfeil angedeuteten Schließbewegungen der Kurvenscheibe 1 den Kolben 13a gegen den
Durchfluß des Öles vorn unteren in den oberen Zylinderraum zu sperren, dagegen bei
den öffnungsbewegungen der Kurvenscheibe den Öldurchfluß freizugeben. Die Blende
15 des Kataraktes ist so eingestellt, daß bei normalen, meist sehr langsamen und
verhältnismäßig kleinen Schließbewegungen der Kurvenscheibe das verdrängte Öl durch
den Katarakt von einem Zylinderraum in den anderen ohne Übertragung der Verstellbewegungen
auf die Kolbenstange 13 b fließen kann. Es findet also kein Abheben der Laufrolle
2 von ihrer Laufbahn statt. Erst bei einem vom . Regler eingeleiteten Schnellschluß,
also bei schnellen und großen Schließbewegungen der Kurvenscheibe 1, genügt der
Durchfluß durch den Katarakt 15 nicht mehr, so daß diese Schließbewegungen auf die
Kolbenstange 13 b unter Abhebung der Rolle 2 von ihrer Kurvenbahn übertragen werden.
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Die Einrichtung wirkt folgendermaßen: Bei einer beispielsweise durch
Kurzschluß in einem der vom Turbinengenerator versorgten Netze ausgelösten, in diesem
Fall plötzlichen Schließbewegung des Turbinenreglers wird die Kurvenscheibe 1 in
der durch Pfeil angedeuteten Richtung sehr schnell und weit ausgeschwenkt und damit
der Zylinder des Servomotors 13 vom Hebel 12 hochgehoben. Infolge des einseitig
wirkenden Rückschlagventils 16 des Servomotorkolbens 13a und des in diesem Fall
den Öldurchfluß vom unteren zum oberen Zylinder nahezu sperrenden Kataraktes 14
wird auch der Kolben 13 a mitgenommen und der Schwenkarm 3 entgegen der Druckkraft
der Feder 10 hochgehoben. Dadurch wird das Laufradsteuerventil 6 durch die Stange
4 in die Öffnungsstellung verschoben, also ein Öffnen der Laufradschaufeln etwa
proportional den Schließbewegungen der Kurvenscheibe l bewirkt und damit auch die
Wirkverbindung zwischen dieser Kurvenscheibe und der Laufradsteuerung wenigstens
vorübergehend gelöst. Dadurch ist ein Durchgehen der Turbine nicht mehr möglich.
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Eine unter der Wirkung der Druckfeder 10 eingeleitete Rückführung
der am Schwenkarm gelagerten Gleitrolle 2 auf ihre Kurvenbahn der Scheibe 1 kann
aber nur mit Verzögerung durchgeführt werden, denn bei der gleichzeitigen Abwärtsbewegung
des mit dem Schwenkarm 3 verbundenen Servomotorkolbens 13a kann das von ihm verdrängte
Öl infolge der Sperre des Rückschlagventils 16 nur durch die Blende 15 des Kataraktes
14, also mit Zeitverzögerung fließen. Bis zum Auftreffen der Rolle 2 auf ihre Kurvenbahn
ist aber inzwischen die dem neuen Betriebszustand angepaßte Zuordnung zwischen der
Leitschaufel- und der Laufradschaufelverstellung, und zwar jetzt langsam und damit
ohne schädliche Rückwirkung auf die Druckwasserleitung eingesteuert worden.
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Bei der Ausführung nach Fig. 2 werden zwei Servomotoren 18, 19 verwendet.
Hierbei ist die Kolbenstange 18a des Servomotors 18 mit dem Hebel 12 der Kurvenscheibe
1 und die Kolbenstange 19 a des Servomotors 19 mit dem Schwenkarm 3 gelenkig verbunden.
Die Zylinder der beiden Servomotoren 18 und 19 sind durch eine Leitung 20 miteinander
verbunden. Diese Leitung hat einen Abzweig 20 a, der über eine einstellbare Blende
21 in einen beiden Servomotoren gemeinsamen Ölsammelbehälter 22 einmündet.
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Bei einer vom Turbinenregler ausgelösten Schnellschließbewegung der
Kurvenscheibe 1 in Richtung des ausgezogenen Pfeiles wird der Kolben des Servomotors
18 abwärts bewegt und dadurch das Öl durch die Leitung 20 in den zweiten Servomotor
19 gepumpt, wobei der Ölübertritt über die Zweigleitung 20 a und die Blende 21 in
den Ölsammelbehälter 22 so stark gedrosselt ist, daß er sich auf die Übertragungsbewegungen
nicht auswirken kann. Der Kolben 19 b wird etwa proportional der Schließbewegung
der Kurvenscheibe 1 hochgehoben und damit die Wirkverbindung zwischen der Rolle
2 und der Kurvenbahn der Kurvenscheibe 1 vorläufig aufgehoben. Durch das Hochheben
des Schwenkarmes 3 wird aber auch gleichzeitig über die mit diesem Schwenkarm gekuppelte
Stange 4 das Steuerventil 6 für den Laufradservomotor 7 im Öffnungssinn verstellt.
Die verzögerte Rückführung des Schwenkarmes 3 wird bei dieser Ausführung so durchgeführt,
daß
das Öl unter der Wirkung der über den Schwenkarm 3 auf die Kolbenstange 19 a drückenden
Feder 10 über die Leitung 20 und die Zweigleitung 20 a durch die Blende 21 also
langsam in den Sammelbehälter 22 zurückgepumpt wird, und zwar so lange, bis die
Rolle 2 wieder auf ihrer Kurvenbahn aufliegt. Inzwischen ist aber vom Regler eine
neue Kurvenscheibenstellung eingesteuert worden. Bei Öffnungsvorgängen der Kurvenscheibe
1, also beim Hochsteigen der Kolben der beiden Servomotoren 18 und 19 wird über
das nur einseitig wirkende Ventil 23 aus dem Sammelbehälter 22 Öl angesaugt und
so die Bildung eines Leerraumes in den Zylindern und in der Leitung 20 vermieden.