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PJ-Regler für Kraftmaschinen, insbesondere Wasserturbinen Die Erfindung
bezieht sich auf einen PJ-Regler für Kraftmaschinen, insbesondere Wassexturbinen,
bei welchem ein auf das Regelgestänge, der Kraftmaschine wirkender Servokolben mit
einem einen Katarakt steuerden Kolben in Verbindung steht, wobei die Nachstellzeit
des Reglers in eine Durchlaufzeit, und eine Einlaufzeit geteilt ist.
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Die bei bekannten PJ-Reglem verwendeten Stabilisierungseinrichtungen,
die entweder hydraulisch wirken und z. B. aus einem ölkatarakt mit Rückführfedern
bestehen und mit Muffenrückdrängung arbeiten oder mechanisch arbeiten und z. B.
von einem Reibrollengetriebe mit Rückführkonus od. dgl. gebildet sind, haben den
Nachteil, daß sie bei gewissen Regelvorgängen, -wie z. B. für Leerlauf und kleine
Belastungsschwankungen, keine genügende Stabilität der geforderten Drehzahl, z.
B. zum Halten einer Frequenz, gewährleisten.
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Aber auch die neueren Ausführungen, bei denen bereits am Anfang des
Regelvorganges die Stetigkeit des Zeitwegablaufes des Kataraktkolbens durch öffnen
eines überströmquerschnittes auf eine kurze Zeit abgesenkt wird, um für den eigentlichen
Re el gelvorgang eine längere Nachstellzeit bei verkleinerten Wegen zur Verfügung
zu haben, können keinen eindeutigen Ablauf des Regelvorganges bis zur Mittelstelluno,
gewährleisten. Einerseits bleibt bei diesen Ausführungen die überströrnöffnung des
ölkataraktes in der Nlittellage offen, andererseits sind die zur Erreichung unterschiedlicher
Nachstellzeiten notwendigen Überströmquerschnitte nicht für sämtliche Laständerungsgrößen
abstimmbar, und es erfordert jede andere Laständerungsgröße einen arbeitstechnischen
Umbau der gesamten Rückführeinrichtung.
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Es sind bereits ölbremsen bekannt, die zur Dämpfung des Regelvorganges
dienen sollen. Bei diesen bekannten Einrichtungen wird jedoch durchweg das Hauptaugenmerk
auf die Anordnung und Auslegung der Rückführfedem gelegt, und der Druckausgleich
im Katarakt erfolgt über unveränderliche Durchströmquerschnitte. Naturgemäß läßt
sich hierbei kein individuelles Zeitgesetz hineinlegen, und auch das Erreichen der
exakten Mittelstellung bleibt durch die gewählte Federcharakteristik unerfüllt.
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Bei einer anderen bekannten Einrichtung wird schon erkannt, daß eine
ausreichend große Federkraft - direkt von der Beharrungslage aus beginnend
- verfügbar sein muß. Für das präzise Einsteuern in die Mittellage kann außer
anderen Nebenerscheinungen im Verlauf eines Regelvorganges auch dieser Vorschlag
nicht genügen, da der öldurchtritt Über ungesteuerte unveränderliche Querschnitte
(Kolbenbunde) erfolgt und keine Feinsteuerung zuläßt.
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Der Vorgang einer PJ-Regelung# an der Zeitwegkurve des Kataraktkolbens,
betrachtet, bestand bisher darin, daß sich die Wege, des Kataraktkolbens während
der Nachstellzeit eines Regelvorganges in mehr oder weniger stetig abfallender Kurve
ohne präzisierten Wendepunkt bzw. Umschaltzeitpunkt asymptotisch der Beharrungslage
nähern. Diese asymptotische Annäherung - vornehmlich eine Folge der offenen
Blenden - verursacht, da die genaue Beharrungsg lage nie erreicht wird, unangenehme
Schwingungen des Reglers. Diese Schwingungen aber müssen durch Eigendämpfung, die
aber selbst wieder in Abhängigkeit von der jeweiligen ölviskosität stehen, unterdrückt
werden. Eine einwandfreie PJ-Regelung muß aber jede, auch die kleinste Drehzahländerung
dem Einfluß des Reglers unterstellen, und die Eigendämpfung darf keine bestimmende
Rolle spielen.
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Mit der Erfindung wird die Aufgabe gelöst, die vorstehend geschilderten
Nachteile der bekannten PJ-Regler zu vermeiden, insbesondere Schwingungen zu unterdrücken,
ohne die Eigendämpfung des Reglers vergrößern zu müssen.
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Erfindungsgemäß weist der Katarakt einen beini-RegelvorgangunveränderlichenDurchströmquerschnitt
und einen mit diesem in Serie geschalteten, in Ab-
hängigkeit von der Stellung
des den Katarakt steuernden Kolbens veränderlichen Durchströmquerschnitt
auf,
wobei der unveränderliche Durchströmquerschnitt, welcher während der Durchlaufzeit
wirkt, so groß bemessen ist, daß dir, Durchlaufzeit höchstens 20-1/o der Nachstellzeit
beträgt, und der veränderliche Durchströniquerschnitt, welcher während der Einlaufzeit
von mindestens, 8011/o der Nachstellzeit wirksam ist, sich gegen die Ruhestellung
des den Katarakt steuernden Kolbens hin bis zum völligen Abschluß verkleinert.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung steht der Kataraktkolben mit
dem Servokolben in hydraulischer Verbindung und ist in ihm koaxial geführt, wobei
der veränderliche Durchströmquerschnitt durch Steuerkanten im Kataraktkolben und
einen relativ zum Kataraktkolben bewegter Bund gebildet wird. Dabei befindet sich
dieser Bund an einem Steuerschieber, in dem auch die den unveränderlichen Durchströmquerschnitt
bildende Blende liegt.
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Zweckmäßigerweise sind sowohl der unveränderliche Durchströmquerschnitt
als auch der veränderliche einstellbar, was dadurch geschehen kann, daß die den
unveränderlichen Durchströmquerschnitt bildende Blende durch eine durch den Steuerschieber
hindurchgehende axiale Bohrung ausgewechselt werden kann und für den veränderlichen
Querschnitt beiderseits der durch den Bund am Steuerschieber gebildeten Steuerkanten
Ansätze mit zylindrischer, kegeliger, parabolischer Form usw. angeordnet sind. Diese
Maßnahmen dienen dem Zweck, die Nachstellzeit als Ganzes und in ihren einzelnen
Phasen jederzeit weitgehendst beeinflussen zu können, um auch rasch aufeinanderfolgende
Regelimpulse zu beherrschen.
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Zur Erreichung unterschiedlicher Nachstellzeiten ist ferner der Steuerschieber
im Kataxaktkolben koaxial geführt und einstellbar nachgiebig gelagert. Die Anordnung
ist zweckmäßig so getroffen, daß die nachgiebige Lagerung des Steuerschiebers
9 von einem oder mehreren druckspeichernden Organen, wie einer oder mehrerer
Federn beliebiger Art, z. B. von Blattfedern, gebildet ist, gegebenenfalls auch
aus mehreren hintereinandergeschalteten solchen Organen besteht. Hierzu ist noch
eine weitgehende Veränderhchkeit der nachgiebigen Lagerung vorteilhaft, derart,
daß die Spannung und/oder die Charakteristik der nachgiebigen Lagerung, z. B. einer
Feder, vor und/oder während des Betriebes änderbar bzw. beeinflußbar, wahlweise
auch ausschaltbar oder feststellbar ist.
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Diese einmal festgelegte Ausbildung ergibt für einen Steuerschieber
eine- ganz bestimmte Drosselwirkung nach einem ganz bestimmten Durchflußänderungsgesetz
und auch einen bestimmten Weg beim Regelvorgang, der durch den zunehmenden Druck
des nachgiebigen Organs begrenzt ist. Die dadurch gegebene Nachstellzeit soll aber
erfindungsgemäß durch Organe nach Belieben fixierbar bzw. auch veränderbar sein,
weshalb vorgesehen ist, daß der Huh des Steuerschiebers auf unterschiedliche Maße,
begrenzbar ist, z. B. mittels, einstellbarer Anschläge, durch Einstellbarkeit der
Steifheit des nachgiebigen Organs oder Nachschaltung eines, solchen od. dgl., daß
die Dauer der Phasen der Nachstellzeit bis zur Beharrungslage des PJ-Reglers während
einer Regelperiode von außen her beeinflußbar ist.
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Eine zusätzliche zeitliche Beeinflussung des Regelvorganges ist aber
auch noch durch die Änderbarkeit der Durchgangsquerschnitte für das zu- und abströmende
öl vom Pufferraum bis zu den Steuerkanten des Steuerschiebers möglich, die
gegebenenfalls herangezogen werden kann. Ein konstruktiver Vorschlag geht dahin,
daß der Steuerschieber beiderseits seines steuernden Teiles mit geschlossenen kammartigen
Eindrehungen versehen ist, welche ihrerseits durch Löcher mit einer vornehnflich
zentralen, strömungstechnisch an sich nicht drosselnden Bohrung 1.9
mit dem
Kataraktraum 8 in Verbindung gebracht sind und in der Bohrung die auswechselbare
Blende, Drosselschraube, Drosselstift, Drosselscheibe usw. vorgesehen ist.
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Weiter ist vorgesehen, daß der Servozylinder in einem ölbehälter,
z. B. stehend oder liegend eingebaut ist, der Kataraktkolben in jeder Lage unter
dem ölspiegel des Behälters liegt und das Öl im Öl-
behälter mit jenem
im Katarakt über das Steuerorgan in kommunizierender Verbindung steht.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
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Fig. 1 zeigt eine prinzipielle Darstellung eines PJ-Reglers
im Schnitt, Fig. 2 ein Detail des Steuerschiebers, und Fig. 3 ein Detail
der Hubbegrenzung des nachgiebigen Organs des Steuerschiebers.
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über dem durch ein Kegelradpaar angetriebenen Fliehkraftpendel mit
den Schwunggewichten 1 ist das Steuerventil, bestehend ausdemSteuerventilgehäuse2,
der Rückführbüchse13 und dem in ihr gleitenden Steuerstift 25, dargestellt.
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Dieses Steuerventil ist Über eine Drossel 3 und eine Rohrleitung
4 mit dem unteren Raum des Servozylinders 5 verbunden, der durch den im Servozylinder
5 gleitbar befindlichen Servokolben 6 gebildet ist.
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Die vom Servokolben 6 nach unten aus dem Servozylinder
5 austretende Kolbenstange wird durch die sich am Zylinderboden außen abstützende
Feder 46 stets nach abwärts gedrückt und dadurch das im Servozylinder
5 unter dem Servokolben 6 eingeschlossene öl stets unter dem
Druck der Federspannung gehalten.
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Im Servokolben 6, der eine nach oben offene zylindrische Gleitfläche
besitzt, befindet sich koaxial gleitbar der Kataraktkolben 7, der mit einer
mittleren hülsenförmigen Verlängerung 31 im haubenförmigen Gehäusekörper,
der auf den Servozylinder geschraubt ist, gleitbar ist.
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Innerhalb dieser hülsenfönnigen Verlängerung des Kataraktkolbens
7 ist ein Steuerschieber 9 mit Steuerkolben und Führungsbunden angeordnet,
der am oberen Ende des haubenförmigen Gehäusekörpers an einem federnden Element
16 gelagert und in seiner axialen Beweglichkeit durch Anschläge
17 begrenzt ist (Fig. 3).
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Der Steuerschieber 9 besitzt auch noch zwei Drosseleinrichtungen,
und zwar, wie, in Fig. 2 ersichtlich, je einen Drosselbund 18 neben
den Steuerkanten und im zentralen Verbindungskanal 19 eine Drosselschraube
20, wozu der Steuerschieber 9 mit zwei Kammern 21, 22 beiderseits der Steuerkanten
ausgebildet ist. Die Steuerkanten können den Kanal 23,
der über Löcher 24
mit dem ölbehälter 10 frei verbunden ist, genau oder fast genau abschneiden
oder überdecken. Die Drosselbunde 18 können beliebig ausgebildet sein, z.
B. zylindrisch, kegelig, parabolisch usw. Die Drosselscheibe 20 ist austauschbar,
oder gegebenenfalls ist deren Querschnitt von außen her verstellbar.
im
Nfittelteil des haubenförmigen Gehäusekörpers sind zwei Federn 14 und
15 mit einer bestimmten Vorspannung eingespannt, wobei je, ein Ende
der Federn sich gegen Winkelringe stützt, die einerseits sich am Gehäuse abstützen,
anderseits aber an ihren vom Gehäuse abstehenden Ringbreiten vom Kataraktkolben
7 erfaßt und unabhängig voneinander, entweder bei der Ab- oder Aufwärtsbewegung
des Kataraktkolbens 7 gespannt werden können.
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Der ganze Servozylinder 5 mit in ihm koaxial angeordneten Servokolben
6, Kataraktkolben 7 und Steuerschieber 9 befinden sich in
Öl getaucht im Behälter 10, wodurch der Ölumlauf durch den Katarakt
im Kataraktkolben 7 ermöglicht wird.
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Die gegenseitigem Abhängigkeit der Bewegung der Elemente im Steuerventil
und des Servo- und Kataraktkolbens wird durch ein Steuergestänge bewirkt.
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Der Servokolben 6 greift mit einem Auslegerauge A
an
einem einannigen Hebel an, der seinen Drehpunkt C an der Behälterwand
10 findet. Ein Hebelpunkt B, der auf diesem einarmigen Hebel angeordnet ist,
steht über eine Stange 11 mit dem Ende D des Exzenterarmes in Verbindung.
Durch die Bewegung des Endes D wird durch den im Punkt E fest gelagerten
Exzenter der Schwenkpunkt F eines doppelarmigen Hebels 12 verstellt. Der doppelarmige
Hebel 12 wird infolge der Feder 45 über eine Rolle H einerseits mit der Rückführbüchse
13 des Steuerventils in Verbindung gehalten und anderseits mit seiner Rolle
G
gegen einen Tellerstift 42 im Auslegerarm 43 der hülsenförrnigen
Verlängerung des Kataraktkolbens 7
gedrückt.
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Die Wirkungsweise des PJ-Reglers ist folgende: Die von der Kraftmaschine
hergeleitete Drehbewegung wird über das dargestellte Kegelradpaar auf das Fliehkraftpendel
mit den Schwunggewichten 1 übertragen. Das Aus- oder Einschwingen dieser
Schwunggewichte 1 bei Ent- oder Belastung verschiebt die Pendelmuffe, nach
auf, oder abwärts. Dadurch wird mittels der nach aufwärts zum Steuerventilgehäuse
2 führenden Stange, der im Steuerventilgehäuse 2 und in der darin gleitbaren Rückführbüchse
13 gleitbare Steuerstift bewegL Dieser Steuerstift stützt sich federnd,
29, gegen die Rückführbüchse 13.
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Wird nun beispielsweise bei eintretendem Lastabfall der Steuerstift
gehoben, dann öffnet sein Steuerkolben mit der unteren Steuerkante den öldurchströmquerschnitt,
und es kann durch die Drossel 3,
über die Rohrleitung 4, aus dem Raum unter
dem Servokolben 6 im Servozylinder 5 das dort unter Federdruck (der
zwischen Servozylinder 5 und der Kolbenstange des Servokolbens
6 gespannten Feder 46) stehende Öl abströmen.
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Infolge des Abströmens des Öles kann der Servokolben, unter dem an
seiner Stange außen angreifenden Federdruck, eine Abwärtsbewegung antreten und mittels
der an der Servokolbenstange angreifenden Organe die Reguliereinrichtung an der
Kraftmaschine verstellen, im besprochenen Falle also im schließenden Sinne betätigen.
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Des weiteren hat die Bewegung des, Servokolbens 6
zur Folge,
daß sich auch der mit ihm in hydraulischer Verbindung befindliche Kataraktkolben
7 nach abwärts bewegt, da das im Raum 8 zwischen beiden Kolben eingeschlossene
Öl eine Raumvergrößerung nicht zuläßt und die äußere Atmosphäre, die von
oben auf die Kataraktkolben einwirkt, diesen nach abwärts drückt und dem Servokolben
nachführt. Durch die Bewegung des Kataraktkolbens 7 wird nun an der unteren
Steuerkante des Steuerschiebers 9
der Durchströrmquerschnitt geöffnet und
der Öleintritt vom Behälter 10 in den Raum 8 ermöglicht.
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Dadurch mäßigt sich die Mitnahme des Kataraktkolbens 7, kommt
zum Stillstand in der Abwärtsbewegungr und kehrt unter der Federkraft der Feder
15,
die durch den Abwärtsgang des Kataraktkolbens 7
infolge Mitnahme
des oberen Winkelringes der Feder 15 gespannt wurde, wieder durch Aufwärtsbewegung
in die, Ausgangsmittelstellung des Kataraktkolbens 7 zurück.
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Dabei legt der Kataraktkolben infolge des Drosselorgans 20 mit unveränderlichem
Durchströmquerschnitt in 2011/o der Nachstellzeit einen Weg zurück, der ihn mit
seinen korrespondierenden Steuerkanten zu jenen des Kolbens am Steuerschieber
9 so nahe heranführt, daß nun die infolge der nach bestimmten Querschnitts-Änderungsgesetzen
(durch die zylindrischen, kegeligen, parabolischen usw. ausgebildeten Drosselbundansätze
18 bedingt) sich verkleinernden Durchströmquerschnitte eine Drosselung bewirken,
so daß in den restlichen 8011/o der Nachstellzeit ein ganz bestimmter exakter Einlauf
in die Mittellage erfolgt.
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In dieser Mittellage ist dann ein vollständiger Abschluß der hintereinandergeschalteten
Durchströmquerschnitte, sowohl des unveränderlichen, der Drossel 20, als auch des
veränderlichen, zwischen den Steuerkanten des Kataraktkolbens 7 und de-,
Steuerschiebers 9 mit seinen Drosselbundansätzen 18, erfolgt. Zu diesem
Zeitpunkt der Wiedererreichung der exakten Mittellage des Kataraktkolbens
7 sind über die diversen Gestänge und Hebel alle Rückführungen bewirkt worden,
so daß der Rollenmittelpunkt G des Hebels 12 wieder an seiner Stelle ist,
die Rolle H die Rückführbüchse 13 wieder in Abschlußstellung ihrer Steuerkanten
mit den etwas in gehobenerer Lage befindlichen Steuerkanten des Steuerstiftes gebracht
hat und dadurch kein Öl mehr durch die Rohrleitung 4 abströmen kann, so daß
auch die Regelbewegung des Servokolbens, 6 beendet erscheint.
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Entsprechend der höheren Lage, der Rolle H befindet sich auch der
Schwenkpunkt F in höherer, das Ende D in gesenkterer Lage, ebenso, der Hebelpunkt
B, entsprechend der auch gesenkteren Lage des Hebelpunktes A, entsprechend
der neuen Regelstellung des Servokolbens 6.
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Zusammenfassend kann über die Wirkung der Steuergestänge gesagt werden,
daß die bleibende Ungleichförmigkeit oder Statik von der Bewegung des Servokolbens
6 direkt abgeleitet wird und über Gestänge 11 und Hebel 12 auf die
Rückführbüchse 13
des Steuerventils wirkt, wobei gleichzeitig die nachgiebige
Rückführung über den Hebel 12 gleichfalls auf die Rückführbüchse, 13 des
Steuerventils wirkt; für die entsprechende übertragung ist eine Verstellmög,lichkeit
der Hebelverhältnisse vorgesehen. Die Verstellmöglichkeit hinsichtlich des bleibenden
Ungleichförmigkeitsgrades (Statik) kann bis auf den Wert Null erfolgen.
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In entsprechend gleichartiger Weise erfolgen die einzelnen Vorgänge
in inversem Sinne bei eintretender Belastungsvergrößerung.
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Der Steuerstift im Steuerventil wird bei sinkender Hiehkraftpendelmuffe
durch die Feder zwischen ihm und der Rückführbüchse 13 nach abwärts bewegt
und
dadurch ein Durchströmquerschnitt durch seine obere Steuerkante und der Rückführbüchse
13 geöffnet ' durch den Drucköl durch die Drossel 3 und die
Rohrleitung 4 in den Raum des Servozylinders 5
unter den Servokolben
6 gelangt und den Servokolben 6 gegen die außen befindliche Federkraft
nach aufwärts drückt im öffnenden Sinne der Kraftmaschinenregulierung. Das im Servokolben
6 im Raum 8
eingeschlossene Öl wird dadurch auch unter Druck
gesetzt und hebt den Kataraktkolben 7 mit der Bewegung des Servokolbens
6 mit, es öffnen sich die Kataraktkolben-Durchströmquerschnitte,
öl kann aus dem Raum 8 in den Behälter 10 entweichen, und nach
Erreichen einer Höchstlage des Kataraktkolbens 7 tritt seine Rückführung
in die Mittellage durch die von ihm über die Vorspannung hinaus ge-
spannte
Feder 14 ein.
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Diese Rückführung erfolgt nun wieder zuerst in 2011/o der Nachstellzeit
im raschen Durchlauf infolge der Durchströmung durch den unveränderlichen Durchströmquerschnitt
der Drossel 20 und hernach durch den veränderlichen Durchströmquerschnitt zufolge
der Drosselbundansätze 18 in 8011/o der Nachstellzeit des Einlaufens in die
exakte Mittellage, beim Abschluß der hintereinandergeschalteten Drosselstellen.
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Die diversen Gestänge haben, in inversem Sinne sich bewegend, alle
Rückführungen wieder bewirkt, so daß der Rollenmittelpunkt G des Hebels 12
wieder an seiner Stelle ist, die Rolle H die Rückführbüchse 13 wieder in
Abschlußstellung ihrer Steuerkanten mit den etwas in gesenkterer Lage befindlichen
Steuerkanten des Steuerstiftes gebracht und dadurch kein Drucköl mehr durch die
Rohrleitung 4 zuströmen kann, so daß auch die Regelbewegung des Servokolbens
6 beendet erscheint.
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Entsprechend der tieferen Lage der Rolle H befindet sich auch der
Schwenkpunkt F in tieferer, das Ende D ül höherer Lage, ebenso der Hebelpunkt
B, entsprechend der auch gehobeneren Lage des Hebelpunktes A, entsprechend
der neuen Regelstellung des Servokolbens, 6.