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ölhydraulische Steuer- und Regeleinrichtung für Kraftmaschinen und
sonstige Antriebe mit Regelventilen Die Erfindung bezieht sich auf eine ölhydraulische
Steuer- und Regeleinrichtung für Kraftmaschinen und- Antriebe in stationären Anlagen
und Fahrzeugen, insbesondere für Dampfturbinen, bei denen mehrere verstellbare Ventile
unter Vermeidung mechanischer Gestänge und Hebel durch öldruck verstellt werden.
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Bei den bisher gebräuchlichen ölhydraulischen Steuer- und Regeleinrichtungen
wird meist nur der statische Druck des Öles in den Steuerleitungen ausgenutzt. Die
Turbinenventile, die man im allgemeinen als eine Reihe von gestaffelten Ventilen
für jede Turbine vorsieht, werden meist in der Weise betätigt, daß durch den öldruck
ein Steuerkolben verstellt wird, der wiederum mit Hilfe von Hebelübersetzungen,
Gestängen u. dgl. unmittelbar oder über weitere Servoeinrichtungen die Regelventile
betätigt, wobei zahlreiche Schwenk- und Verschiebbewegungen stattfinden müssen.
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Es ist bei ölhydraulischen Steuer- und Regeleinrichtungen der geschilderten
Art bekanntgeworden, daß mehrere verstellbare Ventile unter Vermeidung mechanischer
Gestänge und Hebel allein durch den öldruck verstellt werden. So ist es beispielsweise
bekannt, bei sogenannten gestaffelten Turbinenventilen jedes einzelne dieser Ventile
unmittelbar durch einen öldruckbetätigten Servomotor zu verstellen, ohne daß dabei
die einzelnen Ventile mechanisch miteinander gekuppelt sind.
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Die Erfindung vermeidet ebenfalls mechanische Gestänge und Hebel bei
der Verstellung mehrerer Ventile. Die Erfindung stellt darüber hinaus noch eine
weitere Vereinfachung und Verbesserung der bisher gebräuchlichen Regeleinrichtungen
dar. Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, daß nicht nur mechanische Gestänge
und Hebel zu vermeiden sind, deren Ausgestaltung und Wartung im Betrieb für die
Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Regelung von entscheidender Bedeutung sind,
sondern daß auch im Gegensatz zu den gebräuchlichen ölhydraulischen Einrichtungen
mit überwiegender Ausnutzung des statischen öldruckes ein dauernd fließender ölstrom
bedeutsame Vorteile hinsichtlich Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit bietet.
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Es ist an sich bereits ein öldruckregler für eine Kraftmaschine bekanntgeworden,
bei dem eine der Umlaufgeschwindigkeit der Maschine proportionale öhnenge in Abhängigkeit
von dem Diuckunterschied vor und hinter einer Drosselstelle durch ein Steuerglied
in zwei Teile geteilt wird, von denen der eine Teil auf die die Einlaßventile der
Maschine steuernden Regelungsorgane einwirkt, während der andere Teil zum Ölsammelbehälter
der Regelpumpe abfließt, und bei dem das das die Aufteilung der gesamten öhnenge
in zwei Teile bestimmende Steuerglied betätigende Organ einen doppeltwirkenden Hilfsmotorkolben
mit unter sich gleichen wirksamen Flächen darstellt, auf dessen beiden Flächen entweder
die statischen oder aber die dynamischen und statischen Drücke vor und hinter einer
Drossel einwirken.
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Bei diesem bekannten Öldruckregler sind mehrere, den Ventilen zugeordnete
ölzylinder im fließenden ölstrom einander parallel geschaltet. Demgegenüber ist
es Aufgabe der Erfindung, bei einer solchen Einrichtung eine Staffelung der Ventile
vorzusehen, in dem Sinne, daß die einzelnen Ventile nacheinander ansprechen. Demgemäß
besteht die Erfindung darin, daß bei einer Einrichtung der geschilderten Art die
Turbinenventile oder ähnliche Steuerorgane vom fließenden ölstrom hintereinander
durchströmt sind und daß gleichzeitig die folgenden für sich oder in Teilkombination
bekannten Merkmale verwendet werden: a) Die hydraulische Steuerung verwendet einen
dauernd fließenden umlaufenden Ölstrom; b) die Turbinenregelventile oder
ähnliche Steuerorgane werden in Strömungsrichtung des fließenden Ölstromes zusätzlich
parallel durchströmt; c) die Steuerkolben weisen behinderte Durchtrittsmöglichkeiten
für den Ölstrom auf, und es ist für jedes Steuerventil ein behinderter ölablauf
aus dem Zylinderraum oberhalb des Kolbens vorhanden, der hinter jedem Steuerventil
in den dauernd fließenden ölstrom einmündet;
d) die Staffelwirkung
der Regelventile und ihr Ansprechen ist durch Bemessung der Schließfedern in Verbindung
mit Zylinderdurchmesser und Bemessung der Kolbendurchströmung hervorgerufen; e)
in dem dauernd fließenden ölstrom ist vor jeder Einmündungsstelle des behinderten
ölablaufes eine einstellbare Drosselung vorgesehen.
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Da ein Teilstrom der ölströmung den in an sich bekannter Weise durchbrochenen
Kolben durchsetzt und jetzt durch'einen zweiten Ablauf vom Steuerzylinder abzuströmen
vermag, ergibt sich eine Hintereinanderschaltung mehrerer ölzylinder, wobei die
Verstellkraft aus einem von der Fließgeschwindigkeit und dem Durchsatz des ölstromes
abhängigen Druckunterschied vor und hinter einer Strömungsbehindeiung hergelditet
wird. Die einzelnen, in Richtung des fließenden ölstromes hintereinandergeschalteten
Verstellorgane können gestaffelten Turbinenregelventilen zugeordnet sein. In an
sich bekannter Weise lassen sich dabei die Steuer- und Verstellzylinder so an den
Turbinenventilen anbringen, daß die am Verstellmechanismus auftretende Wärme durch
den fließenden ölstrom unmittelbar abgeführt werden kann. Im Rahmen der Erfindung
kann weiterhin noch, wie an späterer Stelle erläutert wird, eine Stabilisierungsanordnung
vorgesehen sein, in welcher der Regelölstrom mit der Dampfmenge verglichen wird.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß bei Schnellschluß
der Turbine alle Regelventile zur gleichen Zeit schließen, da man jedem Zylinder
ein gesondertes Organ, z. B. in Gestalt eines kleinen Hilfsölventils,' -zuordnen
kann. Der Öldruck kann wesentlich höher gewählt werden, als dies bisher üblich war,
so daß man weiterhin den Vorteil erhält, kleinere Steuerzylinder verwenden zu können.
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An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Die
Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel in seinen für die Erfindung wesentlichen Teilen
in stark vereinfachter, schematischer Darstellung. . Für eine Dampfturbine
sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel drei Regelventile vorgesehen, die
mit 1, 2 und 3 bezeichnet sind. Diese Ventile sind in üblicher Weise
so gestaffelt, daß sie nacheinander verstellt werden. Die zugehörigen hydraulischen
Steuerzylinder sind mit 4,5 und 6 bezeichnet. über die Leitung7 wird ein
dauernd fließender ölstrom .zugeführt, der zunächst den Steuerzyhnder4 und danach
die Steuerzylinder 5 und 6 durchfließt. Das Öl
kommt an der
Stelle 8 in den Zylinder 4 hinein und gelangt damit unter den Kolben
9, in dem sich eine kleine Öffnung 10 befindet. Der ölstrom teilt
sich demgemäß auf in einen Strom, der längs der Leitung 11 unterhalb des
Kolbens weiterfließt, und einen in den Raum 12 gelangenden Ölstrom, der über die
Leitung 13 abströmt. Der durch die Öffnung 10 im Kolben
9 fließende ölstrom erfährt, je nachdem, wie eng die Öffnung ist,
eine mehr oder wenig starke Behinderung. Dieser Widerstand wird größer,
je mehr Öl durchgedrückt wird, hängt also vom gesamten öldurchsatz
ab. Der Widerstand verursacht eine Druckdifferenz zwischen der Unter- und Oberseite
des Kolbens. Bei einer bestimmten ölmenige wird die Druckdifferenz zwischen Unter-
und Oberseite des Kolbens so groß, daß diese Druckdifferenz, multipliziert mit der
Oberfläche des Kolbens, im Gleichgewicht ist mit der Kraft der Feder 14 und der
Schließkraft des Damptventils 1. Bei Vergrößerung des ölzuflusses hebt sich
der Kolben und öffnet das Dampfventil 1. Hierdurch wird die Summe von' F6-derkraft
und Schließkraft des Dampfventils größer, so daß sich in einer bestimmten Lage ein
Gleichgewichtszustand einstellt.
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Wenn der Kolben 9 so weit angehoben ist, daß die Öffnung
15 freigegeben wird, kann eine größere Öl-
menge durch diese Öffnung
fließen. Der Kolben kann nun nicht mehr wesentlich höher angehoben werden. Wichtig
ist dabei, daß die Öffnung 15 in keiner einzigen Stellung des Kolbens durch
diesen vollkommen geschlossen wird.
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Das gesamte, aus dem Zylinder 4 über die Leitung 11 und
13 abströmende Öl gelangt zum Zylinder 5
und tritt dort durch
die Öffnung 16 ein. Innerhalb der Leitung 11 ist ein Regelventil
17 vorgesehen. Die Öffnung 10 im Kolben 9 läßt sich nämlich
während des Betriebes nicht verändern. Um aber irgendeine Korreklurmöglichkeit zu
haben, ist aus diesem Grund das Regelventil 17 od. dgl. vorgesehen, welches
der Öffnung 10 parallel geschaltet ist und in gewissen Grenzen eine Korrektur
der Öffnung 10 gestattet.
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Der Zylinder 5 und ebenso auch der Zylinder 6 ist in
ähnlicher Weise ausgestaltet wie der Zylinder 4. Die Wirkungsweise ist also die
gleiche, wie sie für den Zylinder 4 beschrieben wurde. Falls für alle
Öff-
nungen in den Kolben gleiche Durchmesser gewählt werden und parallel
hieran die einzelnen Regelventile 17, 18 und 19 angeschlossen sind
oder die gleiche Öffnung aufweisen, müssen die Durchmesser der Zy-
linder
4,5 und 6 verschieden groß sein. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Ventile in ihrer Größe gestaffelt gezeichnet, um damit verschiedene öffnungskräfte
zu versinnbildlichen, denn es muß dafür gesorgt werden, daß das erstfolgende Dampfventil
sich erst öffnet, nachdem das vorige ganz geöffnet hat. Man kann also zur Beeinflussung
des Nacheinanderöffnens sowie des Ansprechwertes der Ventile so vorgehen, daß man
die Stärke der Schließfedem unterschiedlich bemißt, den Zylinderdurchmesser verschieden
groß wählt oder schließlich die Düsenöffnungen im Kolben mehr oder weniger groß
bemißt. Naturgemäß kann man diese Maßnahmen allein oder kombiniert anwenden.
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Falls man für das hydraulische Regelöl eine unbrennbare ölsorte und
einen vom Schmierölsystem getrennten Kreislauf wählt, kann man größere Drücke anwenden,
als dies bei Verwendung von handelsüblichem Schmieröl wünschenswert ist. Dadurch
kann man die Abmessungen der Zylinder verringern.
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Der ölkreislauf wird durch die Pumpe 20 bewirkt. Das Öl wird
durch die Ölpumpe mit konstantem Druck in die Leitung 21 gefördert, von der die
Leitung 22 abzweigt und über ein Reduzierventil 23 sowie ein Re-elventil
24 einem Regler 25 zugeführt wird. Dieser Regler arbeitet mit der Drehzahlregelung
zusammen. Innerhalb des Reglers 25 befindet sich ein verschiebbarer Kolben
26, der durch den Druck einer Feder 27 belastet ist. Im Ruhezustand
kann das unter den Kolben 26 geförderte Öl durch einen Kanal 28 abfließen.
Dieser Kanal 28 wird bei Aufwärtsbewegung des Abschließplättchens 29 geschlossen.
Damit steigt der öldruck unterhalb des Kolbens, so daß er sich aufwärts bewegt,
entgegen dem Druck der Schließfeder 27. Hierdurch wird aber die Abflußöffnung
zwischen dem Kanal 28 und dem Abschließplättchen 29 wieder geöffnet, so daß
der Kolben dem Ausschlag der Fliehgewichte des Turbinendrehzahlreglers
30
folgen kann. Der öldruck unterhalb des Kolbens 26 ist also ein Maß für den
Ausschlag der Fliehgewichte und demzufolge für die Drehzahl. Dieser öldruck hängt
quadratisch von der Drehzahl unmittelbar ab.
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Der Regler 25 braucht nicht unbedingt im Sinne des dargestellten
Ausführungsbeispieles ausgestaltet zu sein. Jeder Regler, der auf andere Weise mit
der Drehzahl quadratisch ansteigenden öldruck hervorruft, kann hier angewendet werden.
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Der Zylinder 31 wird nun von diesem mit der Drehzahl quadratisch
ansteigenden öldruck beaufschlagt. Wenn nun der öldruck steigt, bewegt sich innerhalb
des Zylinders der Kolben 32 nach rechts, so daß in dem Organ 33 das
Abschließplättchen 34 die Öffnung 35 für das abfließende Öl schließt.
Hierdurch steigt der Oldruck in der Leitung 36, die von der ölpumpe 20 über
die Leitung 21, die Meßblende 37, die Leitung 38 und das Regelventil
39 versorgt wird. Das Überströmventil 40 sorgt dafür, daß der sich in der
Leitung 36 aufbauende öldruck nicht zu hoch werden kann. Der erhöhte Druck
in der Leitung 36 pflanzt sich bis zum Raum oberhalb des Kolbens des Relais
41 fort. Das Regelventil 42 ist erforderlich, um ein eventuelles Pendeln des Systems
zu vermeiden.
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Das Relais 41 schließt die ölzufuhr zu den Zylindem 4, 5 und
6 ab. Die dargestellte Lage zeigt ein völliges Abschließen der ölzufuhr.
Das zu diesen Zylindern gelangende Öl wird mit Hilfe der Meßblende
37 überwacht. Die Druckdifferenz über dieser Meßblende ist ein Maß für die
durchströmende Menge und wird im Zylinder 43 in eine Kraft umgesetzt. Diese Kraft
wird als Rückmeldung oder als Rückkopplung bzw. Rückführung ausgenutzt. Bei dem
dargestellten Ausführungsbeispiel ist diese Rückkopplung im positiven Sinne wirksam,
weil die dabei entstehende Kraft verglichen wird mit der im Zylinder 44 entstehenden
Kraft, die vom Dampfdurchsatz hergeleitet wird. Der Dampf, der als Frischdampf in
der Leitung 45 in Richtung des Pfeiles 46 fließt, durchströmt eine Blende 47 vor
der anschließenden Dampfleitung 48. Diese Blende bewirkt dementsprechend eine Druckdifferenz,
die auf den Kolben 49 im Zylinder 44 wirksam wird. Dementsprechend wird der Regelölstrom
verglichen mit der Dampfmenge. Dieses Gleichgewicht wird nur durch den Regelöldruck
des Reglers gestört.
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Falls man diese Komplikation der Dampfmessung nicht anwenden möchte,
sind die Anschlüsse für das Drucköl am Zylinder 43 zu vertauschen, so daß eine negative
und damit stabilisierende Rückkopplungswirkung entsteht. Durch Änderung der Einschnürung,
die die Blende 37 bewirkt, bzw. durch Einbau eines Regelventils kann die
Größe dieser Rückkopplung verändert werden.
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Zur Vergrößerung der Stabilität ist man in Regelsystemen allgemein
bestrebt, die sich bewegenden Teile in geeigneter Weise lückzukoppeln oder Rückführungen
vorzusehen. Dies ist hier in dem System der Zylinder 31,43 und 44 vorgenommen worden
durch die Rückkopplungswirkung im Zylinder 31 entgegen dein Regelöldruck
im Regler 25. Durch das Kleinhalten der wirksamen Oberfläche ist die Wirkung
der Rückkopplung beschränkt.
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Im Relais 41 findet ebenfalls eine stabilisierende Rückkopplung statt.
Eine SteueröldruckerhöhuVg über dem Kolben hat zur Folge, daß die zu den Zylindern
4,5 und 6 fließende Olmenge abnimmt. Hierdurch wird der öldruck hinter der
Blende37 höher, wodurch die Gegenkraft unter dem Kolben zunimmt.
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Das Relais 49 ist als Schutz gegen überhöhte Drehzahl wirksam. Falls
der Dreiwegehahn 50 um einen Winkel von 90' im Uhrzeigersinn gedreht
wird, wird der Öldruck zu den Absperrventilen 51,52 und 53
aufgehoben.
Diese Ventile öffnen dadurch und sorgen dafür, daß die Dampfventile 1, 2
und 3 unabhän-gig voneinander gleichzeitig schließen. Das Reduzierventil
54 sorgt dafür, daß die Schließkraftdrücke der Absperrventile 51,52 und
53 nicht zu groß werden. Bei Schnellauslösung der Maschine schließen also
alle Regelventile schnell und zur gleichen Zeit, also ohne irgendeinen Zusammenhang
untereinander. Hierdurch wird das Dampfvolumen, das noch durch die Maschine hindurchgeht,
auf ein Minimum beschränkt.
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Im normalen Betrieb der Turbine befindet sich der Dreiwegehahn
50 in der gezeichneten Stellung, in der das in Pfeilrichtung eintretende,
von einem gesonderten Kreislauf bergeleitete Steueröl den Kolben 55 im Zylinder
56 nach rechts entgegen der Kraft der Feder 57 drückt. Das Auftreten
der überdrehzahl bewirkt, wie erwähnt, eine Drehung des Hahnes 50, so daß
die Ölzufuhr abgesperrt ist und das links vom Kolben 55 befindliche
Öl bei 58 abfließen kann. Die Feder 57 drückt dann den Kolben
55 zusammen mit dem Körper 59 nach links, wodurch einerseits die ölzufuhr
vom Reduzierventil 54 nach den Absperrventilen 51,
52 und
53 getrennt wird und andererseits diese Ölzufuhr nunmehr in die rechte Seite
des Zylinders 56
umgeleitet wird und den Kolben 55 in der linken Stellung
hält, auch wenn der Hahn 55 wieder in die Betriebslage gebracht wird. Durch
den Kanal 60 im Körper 59 kann das über den Ventilen 51,52
und 53
stehende Öl in den Ablauf 61 entweichen. Bei neuerlicher
Inbetriebsetzung kann durch Rechtsbewegen des Betätigungsgriffes 62 entgegen
der Kraft der Feder 57 und dem Öldruck vom Reduzierventil 54 das Relais 49
wieder in die Betriebslage gebracht werden.
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Die Einrichtung zum Schutz gegen überhöhte Drehzahl ist nicht Gegenstand
der Erfindung.