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Mechanisch-hydraulische Einrichtung zum Auslösen eines Impulses beim
Unterschreiten einer Grenzdrehzahl eines umlaufenden Drehteiles Die Erfindung betrifft
eine mechanisch-hydraulische Einrichtung zum Auslösen eines Impulses beim Unterschreiten
einer Grenzdrehzahl eines umlaufenden Drehteils mit einem oder mehreren, innerhalb
des Drehteils in radialer Richtung zwischen zwei festen Auflageflächen verschiebbar
geführten Schaltteilen, deren Masseschwerpunkt außerhalb der Drehachse liegt und
auf die eine drehzahlunabhängige, radial nach innen gerichtete Kraft wirkt.
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Ein solcher Impuls kann entweder nur zur Anzeige dienen oder kann
zugleich zur Auslösung von Maßnahmen führen, mit denen die Betriebssicherheit einer
Maschine oder einer Anlage aufrechterhalten oder mit deren Hilfe Schäden vermieden
werden sollen. Die Einrichtung kann z. B. dazu verwendet werden, um die an den Läufer
von Dampf- und Gasturbinen angeschlossenen Wellendrehvorrichtungen - nach Abschalten
der Treibmittelzufuhr beim Unterschreiten einer vorgeschriebenen Grenzdrehzahl in
Tätigkeit zu setzen.
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Es ist schon eine hydraulische Einrichtung zu demselben Zweck vorgeschlagen
worden, bei der am Umfang des Drehteils eine oder mehrere gleichartige Vertiefungen
angeordnet sind, die beim Umlaufen des Drehteils von einer im geringen Abstand von
diesem Umfang angeordneten Ausströmöffnung einer Druckleitung von Druckflüssigkeit
beaufschlagt werden. Die beim Durchlaufen der Vertiefungen durch den Flüssigkeitsstrahl
infolge der dabei auftretenden Erweiterung des Austrittsquerschnittes hervorgerufenen
Druckabsenkungen innerhalb der Druckleitung wirken zusammen mit einem gleichbleibenden
Flüssigkeitsdruck auf eine mit Trägheit behaftete, hydraulische Auslöseeinrichtung,
welche auf eine Erhöhung des auf sie einwirkenden Gefälles zwischen dem gleichbleibenden
und dem schwankenden Druck anspricht.
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Die zum Auslösen dieser Auslöseeinrichtung notwendige Zeit entspricht
derjenigen Zeit, welche eine am Umfang des Drehteils angeordnete Vertiefung bei
Grenzdrehzahl des Drehteils zum Durchlaufen des Flüssigkeitsstrahles benötigt.
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Bei jener hydraulischen Einrichtung wird also die Höhe der Drehzahl
des Drehteils als Zeitdauer einer Druck absenkung in der Druckleitung abgebildet.
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Überschreitet diese Zeitdauer das für die Grenzdrehzahl geltende
Maß, so wird die an die Druckleitung angeschlossene Auslöseeinrichtung betätigt.
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Die hydraulische Einrichtung der Erfindung weist zwar einige ähnliche
konstruktive Merkmale wie jene schon vorgeschlagene Einrichtung auf, unterscheidet
sich aber in bezug auf die Wirkungsweise grundsätzlich von jener. Die Wirkungsweise
der Einrichtung der vorliegenden Erfindung beruht auf dem Vergleich der drehzahlabhängigen
Fliehkraft von an dem Drehteil in radialer Richtung zwischen zwei festen Auflageflächen
beweglich geführten Schaltteilen, deren Masseschwerpunkte jeweils außerhalb der
Drehachse liegen, mit den auf diese Schaltteile radial nach innen wirkenden Kräften.
Diese in beiden Richtungen wirkenden Kräfte sind so aufeinander abgestimmt, daß
die nach innen gerichteten, drehzahlunabhängigen Kräfte beim Unterschreiten einer
festgelegten Grenzdrehzahl gegenüber der Fliehkraft des Schaltteils überwiegen.
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Bekanntlich wird von dieser Möglichkeit schon bei den Sicherheitsreglem
oder Drehzahlwächtern von Dampf- und Gasturbinen Gebrauch gemacht, welche an der
Turbinenwelle angeordnet sind und die beim Überschreiten einer zulässigen Höchstdrehzahl
durch Auslenkung des Schaltspiels einen Impuls an die Sicherheitseinrichtung der
Turbine abgeben, welcher den Schnellschuß der Treibmittel-Einlaßorgane der Turbine
zur Folge hat. Die Übertragung des Impulses von der Welle auf die Sicherheitseinrichtung
erfolgt dabei einfach durch Anstreifen oder Auftreffen des nach außen über die Umfangslinie
der Turbinenwelle verschobenen Schaltteils des Sicherheitsreglers auf eine in Wellennähe
angeordnete, meist klinkenartige Auslöseeinrichtung. Im umgekehrten Falle, also
bei Anzeige des Unterschreitens einer tiefliegenden Grenzdrehzahl stehen dieser
unmittelbaren Übertragung des Auslenkungsimpulses des in dem Drehteil verschieb-
bar
gelagerten Schaltteils auf eine am Drehteil angeordnete feststehende Auslöseeinrichtung
Schwierigkeiten entgegen, die sich durch folgende Umstände ergeben: Um für die Einrichtung
eine genügend hohe Ansprechgenauigkeit zu gewährleisten, muß der Betrag sowohl der
Fliehkraft als auch der ihr entgegengerichteten, drehzahlunabhängigen Kraft genügend
groß gewählt werden. Da die Masse des Schaltteils mit Rücksicht auf die Unterbringung
in dem Drehteil nicht beliebig groß gewählt werden kann, läßt sich die Forderung
nach einer noch ausreichend hohen Fliehkraft auch bei niedrigen Drehzahlen nur dadurch
erfüllen, daß die Exzentrizität des Masseschwerpunktes vom Schaltteil möglichst
groß gewählt wird.
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Hierzu muß also das Schaltteil an einer Stelle möglichst großen Durchmessers
am betreffenden Drehteil angeordnet werden.
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Die Übertragung des bei Unterschreiten der Grenzdrehzahl entstehenden
Impulses durch Anstreifen oder Auftreffen des Schaltteils an einer feststehenden
Auslöseeinrichtung setzt voraus, daß durch das Drehteil, und zwar an der Stelle
eines großen Durchmessers, ein radialer Durchbruch oder eine Bohrung angebracht
wird, die über den größten Teil oder durch den gesamten Durchmesser des Drehteils
verläuft. Eine solche Bohrung ist deshalb notwendig, weil in diesem Falle der Impuls
als eine nach innen gerichtete Verschiebung des Masseschwerpunktes des Schaltteils
auftritt, die auf die bekannte Weise nur dann übertragen werden kann, wenn das Schaltteil
in einer solchen Länge ausgeführt wird, daß dessen dem Masseschwerpunkt entgegengesetztes
Ende bei einer Verschiebung des Masseschwerpunktes nach innen über den Umfang des
Drehteils hinausragt. Da aber das Anbringen einer derartigen Bohrung im Drehteil
an einer Stelle großen Durchmessers meist besondere Fertigungsschwierigkeiten bereitet,
da diese Bohrung zu einer beträchtlichen Verringerung der Festigkeit führen kann
und da das Schaltteil große Abmessungen aufweisen müßte, ist im Falle der Anzeige
einer Unterschreitung einer tiefliegenden Grenzdrehzahl die unmittelbare Übertragung
des von dem Schaltteil ausgeführten Verschiebeimpulses nicht geeignet.
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Bei der Einrichtung der Erfindung wird daher die Übertragung nicht
mehr auf mechanischem, sondern auf hydraulischem Wege vorgenommen.
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Die Erfindung besteht darin, daß das Schaltteil in einer am Umfang
des Drehteils angeordneten radialen Vertiefung angeordnet ist, daß sich dessen nach
außen gerichtete Oberfläche bei Anlage an der nach außen gerichteten Auflagefläche
mit dem Umfang des Drehteils deckt, daß in an sich bekannter Weise in geringem Abstand
von diesem Umfang die Ausströmöffnung einer von Druckflüssigkeit durchströmten,
mit einer Drosselstelle versehenen Druckleitung angebracht ist und daß an den zwischen
der Drosselstelle und der Ausströmöffnung gelegenen Druckraum eine an sich bekannte
hydraulische Auslöseeinrichtung angeschlossen ist, welche durch die beim Durchlaufen
einer Vertiefung durch den Flüssigkeitsstrahl hervorgerufenen Druckabsenkungen ausgelöst
wird.
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Hierbei wird die Summe der Beträge des beim Durchlaufen des Flüssigkeitsstrahles
auf das Schaltteil wirkenden Strahldruckes und der drehzahlunabhängigen Kraft beim
Unterschreiten der Grenzdrehzahl größer als der Betrag der Fliehkraft des Schaltteils.
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Die Einrichtung der Erfindung weist zwar wie die schon vorgeschlagene
hydraulische Einrichtung das Merkmal auf, daß der Umfang des Drehteils von einem
Flüssigkeitsstrahl beaufschlagt wird, welcher aus einer Druckleitung austritt, in
der hinter einer dort eingebauten Drosselblende eine mechanischhydraulische Auslöseeinrichtung
angeschlossen ist, welche durch Druck absenkung in diesem Druckraum ausgelöst wird.
Während aber bei dieser schon vorgeschlagenen Einrichtung die durch Erweiterungen
des Austrittsquerschnittes hervorgerufenen Druckab senkungen bei allen Drehzahlen
auftreten und deren Zeitdauer diejenige Größe ist, von der die Auslösung des Impulses
abhängt, erscheinen bei der Einrichtung der vorliegenden Erfindung diese Querschnittserweiterungen
und damit die Druckabsenkungen erst beim Unterschreiten der Grenzdrehzahl. Da deshalb
die Zeitdauer der Druckabsenkung nicht mehr als Meßgröße zur Anzeige der Grenzdrehzahl
dient, kann der mechanisch-hydraulische Impulswandler als einfacher, trägheitsarmer
bzw. trägheitsloser hydraulischer Schalter ausgebildet sein.
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Die Einzelheiten und die Wirkungsweise der Einrichtung gemäß der
Erfindung lassen sich am besten an Hand des in der Zeichnung abgebildeten Ausführungsbeispiels
erläutern.
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Am Umfang des Drehteils 1, und zwar zweckmäßigerweise in einem Bereich
eines großen Durchmessers, sind Vertiefungen 11 zur Aufnahme des Schaltteils 2 angebracht.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich dieses Schaltteil innerhalb
einer geschlossenen Hülse21, welche über ein in der Vertiefung angebrachtes Innengewinde
mit dem Drehteil verbunden ist Die nach innen gerichtete, drehzahlunabhängige Kraft
wird durch den in dem Schaltbild 2 eingesetzten Dauermagneten 22 aufgebracht. Die
Masse dieses Schaltteils und der Abstand seines Masseschwerpunktes von der Drehachse
einerseits, die Größe der magnetischen Kraft und der beim Durchlaufen des Flüssigkeitsstrahls
auf das Schaltteil wirkende Strahldruck andererseits sind so aufeinander abgestimmt,
daß beim Unterschreiten der Grenzdrehzahl die Kraft des Dauermagneten gegenüber
der Summe der Fliehkraft des Schaltteils und der Druckkraft des Strahls überwiegt
und dieses von der nach außen gerichteten, an der aus nicht-ferromagnetischem Werkstoff
angefertigten Hülse 21 gelegenen Auflagefläche 23 zu der nach innen gerichteten
Auflagefläche 24 eines aus ferromagnetischem Werkstoff bestehenden Teils verschoben
wird. Dabei rückt zugleich die zuvor in der Umfangsfläche des Drehteils 1 gelegene
äußere Oberfläche 25 dieses Schaltteils nach innen und gibt an dem von der Ausströmöffnung
33 der Druckleitung 3 mit einem Flüssigkeitsstrahl beaufschlagten Umfang des Drehteils
eine Vertiefung frei. Beim Durchlaufen dieser Vertiefung durch den Flüssigkeitsstrahl
wird der Ausströmquerschnitt erweitert. Dabei tritt eine Druckabsenkung in dem Druckraum
32 zwischen der Drosselstelle 31 und der Ausströmöffnung 33 ein.
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Diese Druckabsenkung bewirkt die Auslösung der hydraulischen Auslöseeinrichtung
4. Letztere ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Form eines federbelasteten
Haftkolbens 41 ausgeführt. Bei einer Verringerung des auf den Haftkolben 41 wirkenden
Flüssigkeitsdruckes überwiegt die dort angreifende Kraft der vorgespannten Feder
42. Bei dem dabei erfolgenden Kolbenhub wird der Abflußquerschnitt
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zu einem Raum niedrigeren Druckes freigegeben.
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Zugleich löst der an die Kolbenstange 44 angeordnete Schaltteller
45 den elektrischen Schalter 5 aus.
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Zum Rückverstellen des Haftkolbens in seine Schließlage ist der Elektromagnet
6 vorgesehen.
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Als Auslöseeinrichtungen 4 eignen sich ebenso Kontaktmanometer oder
ähnliche, als Impulswandler wirkende hydraulische Geräte, welche bei einer Absenkung
des auf sie einwirkenden Flüssigkeitsdruckes z. B. einen elektrischen, mechanischen,
hydraulischen oder pneumatischen Impuls auslösen können.
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Die eingezeichneten Pfeile zeigen jeweils die Strömungsrichtung der
Druckflüssigkeit innerhalb der Einrichtung.
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Die Einrichtung gemäß der Erfindung eignet sich besonders zur Anzeige
des unmittelbar bevorstehenden Stillstandes des Läufers von thermischen Turbomaschinen
und zur Erzeugung eines Impulses, welcher die Inbetriebnahme einer an den Läufer
angekuppelten, zum langsamen Drehen dieses Läufers vorgesehenen Wellendrehvorrichtung
zur Folge hat.