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Drehzahlregeleinrichtung für Kreiselverdichter, Kreiselpumpen, Turbinen
oder dergleichen Maschinen Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehzahlregeleinrichtung
für Kreiselverdichter, Kreiselpumpen,, Turbinen oder dergleichen Maschinen, bei
welchen ein Läufer mit in gleichmäßigen Abständen angeordneten Vorsprüngen, z. B.
Schaufeln, vorgesehen ist.
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Es ist eine Drehzahlregeleinrichtung für Kraftmaschinen mit einem
Flnehkraftpendelregler bekannt, bei, welcher der Pendelregler nicht direkt mechanisch
oder elektrisch von der zu regelnden Kraftmaschine, sondern von einem gesonderten
Motor angetrieben wird; der von einer fremden Energiequelle gespeist wird und dessen
Stromkreis über Wechsel- oder Umrichter von den pulsierenden Spannungsimpulsen einer
Fühlvorrichtung gesteuert wird. Die Steuerimpulse werden entweder durch eine mit
Schaltkontakten zusammenwirkende Nockenscheibe auf der Maschinenwelle oder von einer
auf der Welle angebrachten besonders gestalteten Scheibe aus magnetischem Material
erzeugt, die an einer feststehenden Induktionsspule vorbeiläuft. Die Scheibe aus
magnetischem Material mit der feststehenden Induktionsspule kann dabei als eine
außen auf der Maschine angebrachte und mit dieser mechanisch gekuppelte kleine Dynamomaschine
angesehen werden, deren Wechselspannung zur Steuerung des Antriebsmotors des Pendelreglers
dient.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine einfache verbesserte Drehzahlregeleinrichtung
zu schaffen, die bei vorhandenen Maschinen oder Maschinenkonstruktionen mit Schaufelrädern
od. dgl. ohne deren Änderung Anwendung finden kann, die wenig Raum beansprucht,
keine zusätzlichen Rotorteile zur Erzeugung der mit der Drehzahl sich ändernden
Frequenz einer Steuerspannung erfordert und bei der ein Pendelregler, wie bei der
bekannten Regelanordnung, überflüssig wird.
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Die Drehzahlregeleinrichtung nach der Erfindung besteht darin, daß
die elektromagnetische Fühlvorrichtung von den Schaufeln des Läufers der Maschine
magnetisch beeinflußt wird und die durch die Fühlvorrichtung erzeugten pulsierenden
Spannungsstöße über eine frequenzselektive Schaltung direkt, ohne Umweg über einen
besonderen Drehzahlregler, eine die Drehzahl beeinflussende Einrichtung steuern.
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Diese die Drehzahl beeinflussende Einrichtung steuert dabei in einer
Kraftmaschine od. dgl. zugeführte Energiemenge oder - wenn diese Kraftmaschine beispielsweise
einen elektrischen Generator antreibt - die Belastung des Generators oder anderen
Arbeitsmaschine, um die Drehzahl der Kraftmaschine zu regeln. Treibt beispielsweise
eine Turbine eine Pumpe an, so kann die elektrische Fühlvorrichtung auch an der
Pumpe angeordnet und von der die Drehzahl beeinflussenden Einrichtung zweckmäßigerweise
wiederum die Energiezufuhr der Turbine gesteuert werden. Wird dagegen durch einen
Elektromotor eine Kreiselpumpe oder ein Kreiselverdichter angetrieben, so kann die
elektrische Fühlvorrichtung nur im Gehäuse der Pumpe bzw. des Verdichters angeordnet
werden, von der die Drehzahl beeinflussenden Einrichtung wird jedoch auch hier zweckmäßigerweise
die Stromzufuhr zum Antriebsmotor gesteuert.
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Die Fühlvorrichtung der Drehzehlregeleinrichtung gemäß der Erfindung
kann dabei von einem Magneten mit zwei mit Wicklungen versehenen Polstücken gebildet
werden, deren freie Enden in der 1Tähe der Bewegungsbahn der Läuferschaufeln angeordnet
sind. Die Fühlvorrichtung ist zweckmäßigerweise an der Außenwand des Gehäuses angeordnet,
wobei sich Verlängerungen der Polstücke flüssigkeitsdicht durch die Gehäusewand
bis zu der Bewegungsbahn der Läuferschaufeln erstrecken. Durch diese raumsparende
Anordnung der Fühlvorrichtung an der Gehäusewand läßt sich die Regelvorrichtung
gemäß der Erfindung besonders bei solchen Maschinen anwenden, bei denen das Gewicht
und der Raumbedarf auf ein Mindestmaß beschränkt werden muß, wie beispielsweise
bei Kraftstoffpumpen od. dgl. von Raketentriebwerken.
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Um Wirbelströme in dem Gehäuse zu verringern, ist die Gehäusewand
zweckmäßigerweise in einer die
beiden Polstücke enthaltenden Ebene
geschlitzt und dieser Schlitz mit Isoliermaterial ausgefüllt.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
näher erläutert.
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F ig. 1 ist eine schematische Darstellung der Schaltung des Steuersystems;
Fig. 2 ist eine Seitenansicht des Turbopumpenaggregats; Fig. 3 zeigt einen Schnitt
längs der Linie III-III in Fig. 2.
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Bei dem hier gewählten Ausführungsbeispiel wird die erfindungsgemäße
Steuereinrichtung bei einer durch eine Tu2-bine angetriebenen und als Kraftstoffpumpe
dienenden Schleuderpumpe 1, die einen Bestandteil eines Raketenflugzeugtriebwerks
bildet, angewendet. Bei dem zu pumpenden Kraftstoff handelt es sich hier um Paraffin,
und die Turbine 2 wird durch ein Gemisch aus Dampf und Sauerstoff angetrieben, das
einen hohen Druck und eine hohe Temperatur aufweist, die auf der Zersetzung von
Wasserstoffsuperoxyd in einer einen Katalysator enthaltenden Zersetzungskammer zurückzuführen
sind. Das Wasserstoffsuperoxyd wird dem Hauptwasserstoffsuperoxydverrat entnommen,
der das Oxydationsmittel für das Raketentriebwerk bildet.
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Wenn die Belastung einer solchen Turbopumpe erheblich absinkt oder
vollständig weggenommen wird, kann das Läuferaggregat schnell auf Drehzahlen von
gefährlicher Höhe beschleunigt werden. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
ist daher eine bei Überdrehzahlen zur Wirkung kommende Abschalteinrichtung vorgesehen,
durch die die Zufuhr d,@s Antriebsströmungsmittels zu der Turbine unterbrochen oder
verringert wird, wenn die Drehzahl einen vorbestimmten Wert überschreitet.
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Die als Schleuderpumpe ausgebildete Pumpe 1 umfaßt ein mit fünf Schaufeln
besetztes Schaufelrad 3 der Ausführung mit freiem Eintritt, d. h., die Schaufeln
sind jeweils nur an ihrer Wurzel miteinander verbunden und besitzen keine Seitenwände.
An der Seitenfläche des Pumpengehäuses 4 ist ein elektromagnetischer Geber 5 befestigt,
der einen geraden Stab-Dauermagneten 6 mit zwei magnetisch durchässigen Polstücken
7 und 8 umfaßt, wobei auf diese olstü ke in Reihe geschaltete Wicklungen 9 und 10
ufgeiben sind. In dem Pumpengehäuse 4 sind zwei parallele Bohrungen 11 und 12 vorgesehen,
die sich nach innen in das Innere des Gehäuses hinein erstrecken und mit den Polstücken
7 und 8 des Gebers fluchten, wenn das Aggregat zusammengebaut ist. Das Gehäuse selbst
besteht aus Aluminium, und die beiden Bohrungen sind von zwei Sonden 13 und 14 ausgefüllt,
die aus einem magnetisch durchlässigen Material bestehen; die äußeren Enden der
Sonden stehen in enger Berührung mit den zugehörigen Polstücken. Ferner besitzt
das Gehäuse in einer die beiden Bohrungen enthaltenden Ebene einen Schlitz oder
eine Nut, die mit einem festen, elektrisch isolierenden Material 15 gefällt ist,
um zu verhindern, daß Wirbelströme in dem Gehäuse um die Sonden herum zirkulieren.
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Die Schaufeln des Schaufelrades bestehen ebenfalls aus einem magnetisch
durchlässigen Material, und die inneren. Enden der Sonden 13 und 14 liegen in einem
gegenseitigen Abstand, der gleich dem Abstand zwischen den äußeren Enden von zwei
aufeinanderfolgenden Schaufeln ist. Wenn zwei einander benachbarte Schaufeln mit
den Enden der Sonden fluchten, wird der magnetische Widerstand des sich durch die
Geberwicklungen 9 und 10 erstreckenden magnetischen Kreises vermindert, und der
Geber erzeugt daher einen pulsierenden Wechselstrom mit einer Frequenz von 5 Hz
für jede Umdrehung des Schaufelrades. Bei einer Drehzahl des Schaufelrades von 25
000 U/min erzeugt der Geber somit eine Ausgangsgröße von 2083 Hz.
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Die elektrischen Verbindungen 16 und 17 führen von den Wicklungen
auf den Polstücken in Form eines koaxialen Kabels zu einem in einem getrennten Steuerungsgehäuse
untergebrachten elektronischen frequenzempfindlichen Kreis. Dieser Kreis bzw. diese
Schaltung ist in Fig. 1 dargestellt, und sie umfaßt eine induktiv kapazitive Brückenschaltung,
die insgesamt bei 20 angedeutet ist; diese Brückenschaltung wird von dem Gebergerät
gespeist; die Ausgangsgröße der Brücke wird zwei Transistorverstärkern 21 und 22
zugeführt. Gemäß Fig. 1 umfassen die beiden Seiten der Brückenschaltung die Induktivi.täten
L1 und L2 und die Kapazitäten Cl und C2, die jeweils entgegengesetzt geschaltet
sind. Der Mittelpunkt 23 der Brücke ist über die Widerstände R1 und R2 und die Diodengleichrichter
Dl und D2 an die Seiten der Brücke zwischen den Induktivitäten und den Kapazitäten
angeschlossen. Die an dem Kondensator Cl erscheinende Wechselspannung wird durch
die Diode Dl gleichgerichtet, um ein einseitig gerichtetes Potential an dem Widerstand
R1 zu erzeugen, während die an der Induktivität L2 erscheinende Wechselspannung
durch die Diode D2 gleichgerichtet wird, um eine entgegengesetzte einseitig gerichtete
Spannung an dem Widerstand R2 zu erzeugen. Da der Blindwiderstand des Kondensators
Cl der Frequenz umgekehrt proportional ist, während der Blindwiderstand der Induktivität
L2 der Frequenz unmittelbar proportional ist, erkennt man, daß die Spannung an dem
Widerstand R1 für sämtliche angelegten Frequenzen, die unterhalb eines vorbestimmten
Wertes liegen, größer sein wird als die an dem Widerstand R2 erscheinende Spannung;
bei einer bestimmten Frequenz werden die beiden Spannungen gleich groß und entgegengesetzt
gerichtet sein, und für sämtliche Frequenzen oberhalb dieses vorbestimmten Wertes
wird die an R1 liegende Spannung niedriger sein als die Spannung an R2.
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Wie man aus dem Schaltbild erkennt, wird die Resultierende der an
den Widerständen R1 und R2 in der Brücke, d. h. zwischen den Punkten 24 und 25,
erscheinenden Spannungen zwischen dem Emitter 26 und der Basis 27 des Transistors
21 angelegt. Der von diesem ersten Transistor ausgehende Kollektorkreis 28 steht
mit dein zweiten Transistor 22 in Verbindung, und die Ausgangsgröße dieses Transistors
dient zum Speisen einer Relaiswicklung 29. Man erkennt, daß die Transistoren nur
dann eingeschaltet werden, wenn der Emitter des Transistors 21 gegenüber seiner
Basis positiv gemacht wird, d. h. wenn die Frequenz der Ausgangsgröße des Gebers
den vorbestimmten Wert überschreitet. Das Relais 29 betätigt zwei Schalter S1 und
S2. Der Schalter S1 umfaßt die Hauptkontakte eines Solenoidkreises 31, der ein Ventil
30 betätigt, mittels dessen die Zufuhr des Antriebsströmungsmittels zu der Turbine
2 gesteuert wird. Wenn der Schulter S1 geschlossen ist, ist das Brennstoffzufuhrventil
30 geöffnet. Wenn der Schalter S2 geschlossen ist, verbindet er die Basis- und Kollektorkreise
des Transistors 22 miteinander und gewährleistet so, daß der durch die Relaiswicklung
29 fließende Strom aufrechterhalten wird, sobald die Relaiswicklung eingeschaltet
worden ist, bis der gesamte Stromkreis abgeschaltet wird. Dieser Schalter S2 verhindert
somit, daß sich der Hauptschalter S 1 erneut schließt, um der Turbine
das
Strömungsmittel erneut zuzuführen, nachdem der Schalter bereits einmal geöffnet
worden ist. Ein dritter Schalter S3, der mit der Hand betätigt werden kann, ist
so angeordnet, daß er, solange er nicht geöffnet ist, um das Anlassen der Turbine
zu ermöglichen, ständig die Basis 26 des ersten Transistors 21 über die Brückenschaltung
20 mit der negativen Seite einer Batterie B3 verbindet, die in der Praxis eine Spannung
von etwa 1,5 Volt liefert. Wenn die Turbine mit einer zulässigen Drehzahl arbeitet,
ist somit eine kleine negative Vorspannung in Reihe mit der größeren positiven Vorspannung
von der Brücke, welch letzter-- den Transistor 21 im nichtleitenden Zustand hält,
vorhanden. Wenn dagegen die Wechselstromversorgung der Brücke während des Betriebes
versagt, beispielsweise wegen einer Störung in dem Geber oder den zugehörigen Leitungen,
werden die Transistoren 21 und 22 automatisch aktiviert, und der Hauptschalter St
wird geöffnet, um die Strömungsmiütelzufuhr zu der Turbine zu unterbrechen.