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Regelvorrichtung für Wasserturbinen mit hydraulisch gekuppeltem Leitapparat-und
Druckreglerstellmotor Das Hauptpatent bezieht sich auf eine Regelvorrichtung für
Wasserturbinen, denen das Betriebswasser durch Druckrohrleitungen zugeführt wird,
mit einem durch einen hydraulischen Stellmotor verstellbaren Turbinenleitrad und
einem durch einen weiteren hydraulischen Stellmotor zu betätigenden Entlastungsventil
in der Rohrleitung (Rohrleitungs-Druckregler). Durch die im Hauptpatent vorgeschlagenen
Maßnahmen soll verhindert werden, daß das Leitrad schnell schließt, ohne daß der
Druckregler öffnet. Dies wird dadurch erreicht, daß der Leitradstellmotor und der
Druckreglerstellmotor mit ihren Öffnungsseiten und% oder mit ihren Schließseiten
über eine bzw. je eine Leitung hydraulisch miteinander verbunden werden, wobei in
der Leitung bzw. in den Leitungen ein. vom Turbinenregler beeinflußtes und in Abhängigkeit
von der Leitradstellung zurückgeführtes Steuerventil angeordnet wird, und ferner
dadurch, daß die Stellmotoren so ausgebildet werden, daß bei einem Leitradschließvorgang
entweder die vom Kolben des jeweils steuernden Stellmotors ausgeschobene Ölmenge
oder die Differenz zwischen den sich zu Beginn und am Ende des Schließvorganges
im steuernden Stellmotor befindlichen Gesamtölmengen stets der in den gesteuerten
Stellmotor eingeschobenen Ölmenge gleich sind. Diese Einrichtung hat den Vorteil,
daß sie ermöglicht, sowohl den Leitapparatstellmotor als auch den Druckreglerstellmotor
als einfache normale Stellmotoren auszubilden und das Steuerventil klein und billig
bauen zu können. Außerdem vermeidet sie die Anwendung von Gestängen. In zweckmäßiger
Ausbildung des Erfindungsgedankens gibt das Hauptpatent für eine Reihe von Ausführungsmöglichkeiten
einer solchen Regelvorrichtung Lösungen an.
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Gemäß der Erfindung werden nun in zweckmäßiger weiterer Ausbildung
des Erfindungsgedankens für eine Reihe weiterer Ausführungsmöglichkeiten vorteilhafte
Lösungen angegeben.
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Nach Anspruch 2 des Hauptpatents verbindet das in der Verbindungsleitung
zwischen den Schließseiten der beiden Stellmotoren angeordnete Steuerventil bei
einem vom Turbinenregler ausgelösten Leitradschließvorgang die Schließseiten der
beiden Stellmotoren miteinander und entlastet die Öffnungsseiten des Leitradstellmotors,
während es bei einem Leitradöffnungsvorgang die Öffnungsseite des Leitradstellmotors
an die Druckmittelzuleitung anschließt und die Schließseite des Leitradstellmotors
entlastet. Nach Anspruch 3 des Hauptpatents ist die Öffnungsseite des Druckreglerstellmotors
außerdem an eine Druckquelle konstanten Druckes angeschlossen.
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Für eine Regelvorrichtung nach einem dieser beiden oder einem der
Ansprüche 4 und 5 des Hauptpatents, gemäß dienen das Steuerventil bei einem Leitradschließvorgang
die Verbindungsleitung freigibt und dadurch die Schließseiten der beiden Stellmotoren
miteinander verbindet und die Öffnungsseite des Druckreglermotors über eine weitere
Leitung an die Verbindungsleitung anschließt bzw. auch noch das Hubvolumen des Leitradstellmotors
dem Hubvolumen der Kolbenstange des Druckreglerstellmotors gleichgemacht ist, wird
vorgeschlagen, das Steuerventil so auszubilden, daß es in der Mittellage des Steuerventilkolbens,
also bei vom Turbinenregler weder im Sinne einer Belastung noch im Sinne einer Entlastung
der Turbine verstelltem Steuerventilkolben die Schließseite des Druckreglerstellmotors
mit der Druckmittelzufuhrleitung über einen zwischen dem Steuerventilkolben und
dem Steuerventilgehäuse ausgebildeten, in seiner Größe der gewünschten bzw. geforderten
Schließgeschwindigkeit des Druckreglerstellmotors entsprechend bemessenen Durchflußquerschnitt,
beispielsweise über eine oder mehrere im Steuerventilkolben angeordnete kleine Nuten,
verbindet.
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Ist die erfindungsgemäße Einrichtung so ausgebildet, da.ß bei einem
vom Turbinenregler ausgelösten Leitrad-Schließvorgang die Öffnungsseite des Druckreglerstellmotors
über das Steuerventil an die Verbindungsleitung zwischen den Schließseiten der beiden
Stellmotoren angeschlossen ist, so wird in weiterer Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen,
zwischen. dem Steuerventilkolben und: dem Steuerventilgehäuse einen weiteren Durchflußquerschnitt
auszubilden, der in der Mittellage des Steuerventilkolbens den Abfluß des Druckmittels
von der Öffnungsseite des Druckreglerstellmotors über eine Blende freigibt, die
entsprechend
der gewünschten Schließzeit des Druckreglers ausgebildet
ist. Dadurch ist in der Mittellage des Steuerventilkolbens die Öffnungsseite des
Druckreglerstellmotors völlig vom Druck des Druckmittels entlastet, so daß der Druckregler
von dem auf der Schließseite des Druckregferstellmotors auf den Kolben wirkenden
Druck des Druckmittels sicher geschlossen gehalten wird.
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Da in der Regel die zur Steuerung des Leitrades und des Druckreglers
benötigten Stellölmengen sehr verschieden groß sind, wird weiterhin vorgeschlagen,
den das Druckmittel für den Leitradstellmotor und den das Druckmittel für den Druckreglerstellmotor
steuernden Teil des Steuerventils mit ihren Abmessungen den jeweils erforderlichen
Stellölmengen anzupassen, wodurch eine erhebliche Materialersparnis für das Steuerventil
erzielt werden kann.
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Um zu verhindern, daß der Druckregler nicht schließt, etwa weil der
Steuerventilkolben infolge Blockierens des Leitrades nicht in die Mittellage zurückgeführt
wird, kann der Steuerventilkolben zweiteilig ausgebildet werden, und zwar so, daß
der den Druckregler steuernde Teil und der das Leitrad steuernde Teil voneinander
getrennt werden, wobei der zuerst genannte Teil des Steuerventilkolbens mittels
Federn an seinen beiden Stirnseiten gegen das Ventilgehäuse abgestützt und auf dem
zuletzt genannten Teil des Steuerventilkolbens verschiebbar geführt wird. Außerdem
werden die beiden Teile des Steuerventilkolbens mittels eines Ölkatarakts mit Blende
miteinander in Wirkverbindung gebracht, wodurch, wenn beispielsweise ein Entlastungsvorgang
an der Turbine erfolgt, nach einem ersten gemeinsamen Verstellen beider Teile des
Steuerventilkolbens aus der Mittellage der den Druckregler steuernde Teil unter
der Wirkung der durch die Verstellung -verschieden groß gewordenen Federkräfte wieder
in die Mittellage zurückkehren - wobei das Öl im Katarakt durch die Blende von der
einen zur anderen Seite fließt - und der Druckregler somit wieder schließen kann.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind im folgenden an Hand einiger
Ausführungsbeispiele erläutert. Fig. 1 b zeigt die Steuerung bei vollkommen gleichen
Hubvolumen des Druckreglerstellmotors 1 und des Leitradstellmotors 2. Der Steuerventilkolben
30 hat an den Stellen Bunde, an denen er gemäß den Fig. 1 und 1 a des Hauptpatents
Eindrehungen aufweist. Entsprechend dieser veränderten Ausbildung des Steuerventilkolbens
30 ist auch das Steuerventilgehäuse ausgebildet. Gegenüber den Fig. 1 und 1 a des
Hauptpatents sind dadurch die Steuerkanten vertauscht. Auch ist die Schließrichtung
des Leitradstellmotors eine umgekehrte und sind die in den Ablaufleitungen des Druckmittels
von den beiden Seiten des Leitradstellmotors angeordneten Blenden 10 und 13 im Steuerventilkolben
30 angeordnet.
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Bei einem Lastabwurf der Wasserturbine bewegt der Geschwindigkeitsregler
8 den Steuerkolben 30 des Steuerventils 3 in Richtung S. Die Steuerkante 3 d gibt
dem Öl den Abfluß aus der Öffnungsseite 2 b des Leitradstellmotors 2 über die Blende
10 frei. Dadurch kann der vom Wasserdruck aufgedrückte Druckregler das Öl aus der
Schließseite 1 a des Druckreglerstellmotors 1 über die geöffnete Steuerkante 3 e
durch die Leitung 400 auf die Schließseite2a des Leitrad'stellmotors 2 pumpen. Das
Leitrad schließt, wodurch der Steuerkolben 30 wieder in die gezeichnete Mittellage
zurückgeführt wird. Dadurch ist die Steuerkante 3 e und an sich auch die Steuerkante
3 g geschlossen, je-
doch kann über einige, an der Steuerkante 3g in den Steuerkolben
30 eingearbeitete, der gewünschten Schließgesch-,vindigkeit des Druckreglers entsprechend
ausgebildete und bemessene, kleine Nuten auch jetzt Druckmittel von dem an die Druckmittelzufuhrleitung
5 angeschlossenen Ringraum 3 b in die Verbindungsleitung 4 und damit auf die Schließseite
1 a des Druckreglerstellmotors einströmen, so daß der Druckregler wieder schließt.
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Folgt dem Entlastungsvorgang eine Belastung, bevor der Druckregler
ganz geschlossen hat, dann öffnet die Steuerkante 3g bei der Aufwärtsbewegung des
Steuerkolbens 30 einen größeren Ölzufuhrquerschnitt zum Druckreglerstellmotor 1,
so daß dieser schnell schließen kann, solange der Leitradstellrnotor 2 eine Öffnungsbewegung
macht. Die Öffnungsseite 2 b des Leitradstellmators 2 erhält ihr Öl über die Steuerkante
3 f, während die Schließseite 2 a, über die Blende 13 Abfluß erhält. Die Blende
13 bestimmt die öffnungszeit des Leitradstellmotors 2, während -seine Schließzeit
durch die Blende 10 bestimmt wird.
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Um zu vermeiden, daß der Druckregler offen bleibt, wenn aus irgendeinem
Grund, z. B. infolge Blockierens des Leitrades, der Steuerkolben 30 nicht in seine
Mittellage zurückgeführt werden kann, wird die Einrichtung nach Fig. 1 c ausgeführt,
nach der die Druckmittelzufuhrleitung 5 über die Leitung 40 mit Blende 6 mit der
Verbindungsleitung 4 verbunden ist. Auch wenn der durch die Nuten im Steuerkolben
30 gebildete Durchflußquerschnitt geschlossen ist, strömt jetzt über die Leitung
40 und die Blende 6 Öl auf die Schließseite 1 a des Druckreglerstellmotors 1. Dabei
ist die Blende 6 so bemessen, daß der Druckregler in der vorgesehenen Zeit schließt.
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Die gleiche Anordnung wie in den Fig. 1 b und 1 c wird nach den Fig.
2b und 2c auch bei einer Auslegung der Regelvorrichtung entsprechend der Fig. 2
des Hauptpatents, also bei einer solchen, bei der die Öffnungsseite 1 b des Druckreglerstellmotors
1 an eine Druckquelle beliebigen, aber konstanten Drucks angeschlossen ist, verwendet.
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Ist das Hubvolumen des Druckreglerstellmotors 1 ein Vielfaches des
Hubvolumens des Leitradstellmotors 2, dann wird nach Fig. 4 des Hauptpatents das
Hubvolumen der Druckreglerkolbenstange 1 d dem Hubvolumen des Druckreglerstellmotors
1 dadurch gleichgemacht, daß bei einem Leitradschließvorgang die Schließseiten des
Druckreglerstellmotors 1 und des Leitradstellmotors 2 miteinander verbunden werden
und außerdem d:ie Öffnungsseite 1 b des Druckreglerstellmotors 1 an dessen Schließseite
1 ca angeschlossen wird. Weitere Ausführungsmöglichkeiten einer so ausgebildeten.=Reb°elvorrichtung
nach Fig. 4 des Hauptpatents zeigen die Fig. 4b, 4c und 4d, gemäß denen die Abmessungen
sowohl des den Druckreglerstellmotor 1 als auch des den Leitradstellmotor 2 steuernden
Teiles des Steuerventils 3 den zu steuernden Ölmengen angepaßt sind.
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Wird bei einer Ausführung nach Fig. 4b bei einem Entlastungsvorgang
der Steuerkolben 30 vom Gesch-,vindigkeitsregler 8 nach unten verstellt, dann werden
über die Steuerkante 3 k die Schließseite 1 a und die Öffnungsseite 1 b des Druckreglerstellmotors
1 miteinander verbunden und die Leitung 400 zum Leitradstellmotar 2 geöffnet. Von
der Schließseite 1 a des Druckreglerstellmotors 1 wird das Öl über dieLeitung 400
den Ringraum 3 a und die offene Steuerkante 3 n auf die Schließseite 2a des
Leitradstellmotors 2 und gleichzeitig auf die Öffnungsseite 1 b des Druckreglerstellmotors
1 ausgeschoben. Gleichzeitig erhält auch die Öffnungsseite 2 b des Leitradstellmotors
2 Abfluß
über die Blende 10. Durch die Bewegung des Leitrades in
Schließrichtung wird der Steuerkolben 30 wieder in die gezeichnete Mittellage zurückgeführt,
wobei die Steuerkanten 3 k und 3 n schließen und die Steuerkanten 3 m und 3 g den
an ihnen etwa durch eingearbeitete Nuten ausgebildeten Durchflußquerschnitt freigeben.
Über den Durchflußquerschnitt an der Steuerkante 3g strömt Drucköl über die Leitung
400 auf die Schließseite l a. des Druckreglerstellmotors, während über den Durchflußquerschnitt
an der Steuerkante 3 m das Drucköl von der Offnungsseite 1 b des Druckreglerstellmotors
1 über die Blende 20, welche die Schließzeit bestimmt, abfließen kann.
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Bei dieser Ausbildung der Regelvorrichtung könnte der Fall eintreten,
daß durch den auf den Druckkegel 1 e wirkenden Wasserdruck in der Regelvorrichtung
ein unzulässig hoher, eventuell sogar die Vorrichtung gefährdender Druck erzeugt
wird. Dies beispielsweise dann, wenn bei im Sinne einer Entlastung der Turbine aus
der Mittellage verstelltem Steuerventilkolben 30, - also bei geöffneter Verbindungsleitung
4, 400 zwischen den Schließseiten 1 a und 2 a der beiden Stellmotoren und zwischen
der Schließseite 1 ca und der Öffnungsseite 1 b des Druckreglerstellmotors 1, der
Leitapparat etwa infolge Blockierens durch Fremdköper zwischen den Leitschaufeln
am Schließen verhindert ist und der Steuerventilkolben 30 dadurch nicht in seine
Mittellage zurückgeführt wird oder auch, wenn bei Schnellschluß der Steuerventilkolben
30 nach unten übersteuert wird und dabei der Kolben 2c des Leitradstellmotors 2
bereits zum Anschlag in der Schließstellung gekommen ist, ohne daß der Steuerventilkolben
30 in seine :Mittellage zurückgeführt ist. Um dies zu vermeiden, wird in der Verbindungsleitung
14 zur Öffnungsseite 1 b des Druckreglerstellmotors 1 das Sicherheitsventil 22 angeordnet
und vorzugsweise auf den höchsten Druck eingestellt, den normalerweise die Druckquelle
hergibt.
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Nach der Fig. 4c ist der Steuerventilkolben zweiteilig ausgebildet,
wobei der den Druckreglerstellmotor 1 steuernde Teil 30a durch Federn 301 und 302
an seinen beiden Stirnseiten gegen das Stenerventilgehäuse 3 abgestützt und auf
dem den Leitradstellmotor 2 steuernden Teil 30 des Ventilkolbens sowie im Ventilgehäuse
3 axial verschiebbar geführt ist. Dabei stehen die beiden Teile 30 und 30a
über einen Ölkatarakt mit einer Blende 24 miteinander in Wirkverbindung. Die zwischen
dem Steuerventilgehäuse 3 und dem den Druckreglerstellmotor 1 steuernden Teil 30a
des Steuerventilkolbens ausgebildeten Steuerkanten 3 m und 3 g sind wiederum so
ausgebildet, daß in der Mittellage des Kolbenteiles 30a die Schließseite 1 a des
Druckreglerstellmotors 1 über die Steuerkante 3g an die Druckmittelzufuhrleitung
5 angeschlossen ist und das Drucköl von der Öffnungsseite 1 b des Druckreglerstellmotors
1 über die Steuerkante 3 m und die Blende 20 abfließen kann. Außerdem ist in der
Leitung 14 wiederum ein Sicherheitsventil 22 zugeordnet.
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Bei einem Entlastungsvorgang gehen zunächst beide Teile 30 und 30a.
des Steuerkolbens miteinander nach unten. Wird der Leitradsteuerventilkolben 30
nicht zurückgeführt, dann wird unter dem Einfluß der Feder 301 der Steuerkolben30a
für den Druckregler wieder in die Ausgangslage zurückgeführt, wobei das Öl im Katarakt
durch die Blende 24 von unten nach oben fließt. Der Druckregler kann wieder schließen.
Um zu vermeiden, daß bei einem Entlastungsvorgang Drucköl über die Leitung 400 in
zu großer Menge auf die Schließseite 2a des Leitradstellmotors 2 einströmt, ist
die Steuerkante 3 p angeordnet. Die Blende.6 sorgt für den nötigen Haltedruck, damit
bei Schnellschluß der Leitapparat geschlossen bleibt. Außerdem liefert sie das Drucköl
für kleine Regulierbewegungen, bei denen der Druckregler nicht ansprechen soll (die
positiven Überdeckungen an den Steuerkanten des Steuerteils 30a für den Druckregler
sind größer als an dem, 30, für das Leitrad). Auch bekommt der Leitradstellmotor
2 sein Öl über die Blende 6, wenn der Druckregler nicht öffnet. Dabei ist die Blende
6 nur so groß bemessen, daß das Leitrad nur mit einer solchen Geschwindigkeit schließen
kann, bei welcher kein schädlicher Druckstoß in der Druckrohrleitung zu den Turbinen
entsteht.
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Gemäß Fig. 4 d sind der den Druckreglerstellmotor 1 und der den Leitradstellmotor
2 steuernde Teil des Steuerventils voneinander getrennt. Wie bei den vorhergehenden
Ausführungsbeispielen wird der das Leitrad steuernde Teil 30 des Steuerventils bei
einer Entlastung der Turbine nach unten verstellt, der den Druckregler steuernde
Teil 30a jedoch nach oben. Letzterer weist wiederum Steuerkanten 3 »n und
3 g auf, die beispielsweise mittels Nuten od. dgl. im Steuerkolbenteil 30z für den
Druckreglerstellmotor 1 so ausgebildet sind, daß in der Mittellage desselben die
Schließseite 1 a des Druckreglerstellmotors 1 über die Steuerkante 3 g an die Druckrnittelzufuhrleitung
5 angeschlossen ist und über die Steuerkante 3 m das Drucköl von der Öffnungsseite
1 b über die Blende 20, welche die Schließzeit des Druckreglerstellmotors bestimmt,
abfließen kann. Dabei wird der Druckregler-Steuerventiltei130a vom Druckregler,
der Leitrad-Steuerventiltei130 vom Leitrad zurückgeführt. Wie üblich ist in der
Druckreglerzurückführung eine Ölbremse angeordnet. Das Druckregler-Steuerventil
30a liefert das dem Hubvolumen der Druckreglerkolbenstange 1 d entsprechende Ölvolumen
für die Schließseite 2 a des Leitradstellmotors 2. Alle Vorgänge spielen sich wie
bei der Ausführung gemäß Fig.4c ab. Auch hier ist in der Leitung 14 zum Druckreglerstellmotor
1 das Sicherheitsventil 22 angeordnet. Über dieses fließt Drucköl ab, wenn der Leitrad-Steuerventilteil
30 früher zurückgeführt wird als der Druckregler-Steuerventiltei130a.. Wird umgekehrt
zuerst der Druckregler-Steuerventiltei130a zurückgeführt, dann strömt Öl über die
Blende 6 zum Leitrad-Steuerventilteil 30, so daß der Leitradstellmotor 2, wenn auch
wesentlich langsamer, weiter schließen kann.