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Hydraulische Drehzahlregelungseinrichtung für Dampfturbinen mit mehreren
Düsengruppen Die Erfindung betrifft eine hydraulische Drehzahlregelungseinrichtung
für Dampfturbinen mit mehreren Düsengruppen, deren Düsengruppenventile durch vom
Drehzahlregler lastproportional gesteuerten Öldruck mittels je eines hydraulischen
Stellmotors geöffnet werden, wobei die Stellmotoren der Ventile mittels ihrer Federvorspannung
so eingestellt sind, daß die Ventile sich mit steigender Last in bestimmter Reihenfolge
nacheinander öffnen.
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Bei der bekannten Einrichtung dieser Art werden die Düsengruppenventile
nacheinander allmählich in bestimmter Reihenfolge geöffnet und in umgekehrter Reihenfolge
geschlossen; die Reihenfolge ist dort unveränderlich. Das ist unerwünscht. Denn
in denjenigen Lastbereichen, in denen irgendein Düsengruppenventil nur teilweise
geöffnet ist, geht durch Drosselung des Dampfes in dem nur teilgeöffneten Ventil
Energie verloren; und deshalb sollte die Zahl der Lastpunkte, an denen kein Ventil
nur teilweise geöffnet ist, also der sogenannten Bestpunkte, möglichst groß sein.
Man könnte dies erreichen, indem man die Zahl der Düsengruppen vergrößerte; aber
die Zahl der Düsengruppen ist durch Mangel an Platz für die Düsengruppenventile
und durch Rücksicht auf die Kosten beschränkt. Leichter läßt sich die Vermehrung
der Bestpunkte dadurch erreichen, daß man die Düsengruppen voneinander verschieden
groß vorsieht und sie in wechselnder Kombination öffnet; das ist von nicht gestängelosen
hydraulischen, mit Nockenscheibenwelle arbeitenden mechanischen Regelungseinrichtungen
bekannt. Solch wechselnde Kombination der Düsenventile soll die Erfindung auch bei
Regeleinrichtungen der eingangs genannten Art gestatten.
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Als erste Maßnahme hierzu sieht die Erfindung vor, daß in an sich
bekannter Weise die Düsengruppen voneinander verschieden großen Querschnitt haben.
Die Wahl der Größen ist je nach den Gegebenheiten zu treffen; bei einem Blockkraftwerk,
d. h. einer Anlage mit nur einem Kessel und nur einer Turbine, wird man eine der
Düsengruppen so groß machen, daß sie die zum Betrieb des Kessels nötige Mindestdampfmenge,
die ja üblicherweise etwa ein Drittel der Höchstmenge beträgt, durchläßt.
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Bei Einrichtungen der eingangs genannten Art rnuß, wenn irgendeines
der Düsengruppenventile nicht in der durch die Vorspannung der Ventilfedern bestimmten
Reihenfolge geöffnet werden oder wenn ein schon geöffnetes Ventil außerhalb jener
Reihenfolge geschlossen werden soll, der Stellmotor dieses Ventils von der gemeinsamen
Steuerölleitung, in der der vom Drehzahlregler gesteuerte, lastproportionale Steueröldruck
'herrscht, abgetrennt und, falls das Ventil schon offen ist, dieses abgetrennte
Ölsystem drucklos gemacht werden und würde der Druck der gemeinsamen Steuerölleitung
durch Betätigung der Verstellvorrichtung des Drehzahlreglers so verändert werden
müssen, daß er diejenigen, und zwar nur diejenigen Ventile öffnet oder offenhält,
die geöffnet oder oifengehalten werden sollen.
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Jenes Schließen eines oder mehrerer Düsengruppenventile und das Betätigen
der Drehzahlverstellvorrichtung müßten genau gleichzeitig und gleichmäßig geschehen,
da sonst die Dampfzufuhr und somit die Leistung und Drehzahl der Turbine sehr schwanken
würden; aber solche Gleichmäßigkeit ist trotz Übung und Geschicklichkeit kaum zu
erreichen. Deshalb soll die Erfindung den Eingriff in die Drehzahlverstellvorrichtung
entbehrlich machen. Das Mittel dazu beruht auf dem Gedanken, die Regeleinrichtung
durch den an irgendeiner Stelle der Turbine herrschenden Dampfdruck zurückzuführen,
und zwar mittels eines Druckverhältnisreglers; solche Rückführung durch den Dampfdruck
einer Turbine ist an sich bekannt.
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Die Erfindung sieht also als zweite der in ihr kombinierten Maßnahmen
vor, daß der Drehzahlregler die Stellmotoren der Düsengruppenventile oder eines
Teiles von ihnen nicht direkt mit seinem Steueröldruck steuert, sondern in an sich
bekannter Weise mittels eines Druckverhältnisreglers auf den einerseits
der
vom Drehzahlregler gesteuerte Öldruck und andererseits der an irgendeiner Stufe
der Turbine herrschende Dampfdruck einwirkt und der einen die Stellmotoren der Düsengruppenventile
steuernden Öldruck einstellt.
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Jenes zum Schließen der Düsengruppenventile nötige Absperren von der
gemeinsamen Steuerölleitung und Entleeren wird - dies ist die dritte der in der
Erfindung kombinierten Maßnahmen - dadurch bewirkt, daß die hydraulischen Stellmotoren
der Düsengruppenventile oder einiger von ihnen von der sie steuernden Ölleitung
durch je einen an sich bekannten Druckwandler getrennt und mit je einem nach Wunsch
zu betätigenden Entleerungsventil zum willkürlichen Schließen der Düsengruppenventile
versehen sind. Solche Druckwandler haben bekanntlich einen Kolben, dessen eine Seite
von dem Steueröl des umzuwandelnden primären Druckes und dessen andere Seite von
Kraftöl beaufschlagt wird, das aus einer Quelle konstanten Druckes durch eine Drossel
zuströmt und durch einen vom Kolben gesteuerten Ablauf abströmt und daher einen
dem Primärdruck proportionalen, nämlich im Verhältnis der beiden Kolbenflächen umgewandelten
sekundären Druck annimmt; sie übermitteln also den Öldruck verhältnisgerecht von
der einen zur anderen Seite, und - dies ist der Grund, weshalb sie hier verwendet
werden - sie erlauben, den Sekundärkreis auszuschalten, ohne daß der Primärdruck
zusammenbricht.
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In weiterer Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, daß die Steuerölleitung
für die Stellmotoren der Düsengruppenventile mittels Absperrventile wahlweise an
den Drehzahlregler oder an den Druckverhältnisregler angeschlossen werden kann.
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Dasjenige Düsengruppenventil, mit dem die Turbine an- und hochgefahren;
parallel geschaltet und bis Kesselmindestlast gespeist wird, braucht nicht dem Druckverhältnisregler
unterstellt zu werden, sondern kann dem Drehzahlregler unterstellt bleiben; denn
solange dieses Ventil als einziges offen ist, braucht kein anderes Düsenventil außerhalb
der Reihenfolge geschlossen zu werden und tritt daher die den Druckverhältnisregler
begründende Schwierigkeit, ein Düsenventil oder Düsenventile zu schließen und gleichzeitig
und gleichmäßig die Drehzahlverstellvorrichtung zu verstellen, nicht auf. Daher
sieht die Erfindung vor, daß die Absperrventile so angeordnet sind, daß das beim
Anfahren, bei Leerlauf oder Kleinlast der Turbine allein offene Düsengruppenventil
stets dem Drehzahlregler unterstellt ; bleibt und nicht dem Druckverhältnisregler
unterstellt wird.
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Daß infolge etwaiger Fehlbedienung der Drehzahlverstellvorrichtung
der Drehzahlregler etwa einen höheren Steueröldruck einstellt als denjenigen, der
der bei der jeweiligen Ventilkombination möglichen Leistung entspricht, läßt sich
dadurch verhindern, daß der Druckverhältnisregler außer der Steuerkante, mittels
deren er den die Stellmotoren der Düsengruppenventile steuernden Öldruck einstellt,
auch eine Grenzkante besitzt, die dem vom Drehzahlregler gesteuerten Druckölsystem
einen zusätzlichen Ablauf öffnet, wenn die Steuerkante des Druckverhältnisreglers
ihren Ablauf ganz geschlossen hat.
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Es empfiehlt sich, zur Stabilisierung den Druckverhältnisregler mit
einer üblichen Isodromvorrichtuug, die aus hydraulischem Rückführkolben, Drossel
und Windkessel besteht, zu versehen. Die Zeichnung zeigt in F i g. 1 das Schaltschema
einer erfindungsgemäßen Einrichtung insgesamt, F i g. 1 a einen Ausschnitt aus der
F i g. 1 mit der Isodromvorrichtung des Druckverhältnisreglers, F i g. 1 b einen
Ausschnitt aus der F i g. 1, der einen Druckverhältnisregler mit der erwähnten,
zur Sicherheit gegen Fehlbedienung dienenden Grenzkante darstellt, F i g. 2 das
Schaltschema der Druckwandler.
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Darin bezeichnen die Buchstaben p mit ihren verschiedenen Indizes
die verschiedenen Steuerdrücke, und zwar p, den von der Pumpe kommenden,
p" den vom Drehzahlregler und p"' den vom Druckverhältnisregier eingestellten
Öldruck und pst den an einer Stufe der Turbine herrschenden Dampfdruck. Ferner bedeuten
a und a1 bis a4 die Düsengruppenventile mit ihren federbelasteten
Kraftkolben, b den Drehzahlregler, c den Druckverhältnisregler, dl seinen einerseits
vom Steueröldruck p", andererseits vom Dampfdruck der Turbinenstufe beaufschlagten
Kolben, d2 den Rückführkolben seiner Isodromvorrichtung, e den als die Feder der
Isodromvorrichtung wirkenden Windkessel, f und f1 bis f3 die Druckwandler, g und
h
Absperrventile, mittels derer die Düsengruppenventile wahlweise dem vom
Drehzahlregler oder dem vom Druckverhältnisregler gesteuerten Druck unterstellt
werden können, i die Steuerkante, mittels deren der Druckverhältnisregler den die
Stellmotoren der Düsengruppenventile steuernden Öldruck einstellt, und m bis m3
die Entleerungsventile, mittels derer die Düsengruppenventile nach Belieben geschlossen,
nämlich den zu den Düsenventilen führenden Steuerölleitungen Abläufe geöffnet werden
können.
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Wenn die Turbinenanlage ohne Bestpunktverschiebung betrieben wird,
ist das Ventil g geöffnet und das Ventil h geschlossen; in diesem Fall stehen die
Düsenventile a1 bis a4 in üblicher Weise durch den Steueröldruck p" direkt unter
dem Einfluß des Drehzahlreglers b. Zum übergang auf die Bestpunktverschiebung wird
Ventil g geschlossen und Ventil h geöffnet; damit werden die Düsenventile a2 bis
a4 vom Drehzahlregler getrennt und dem vom Druckverhältnisregler eingestellten Öldruck
p"' unterstellt.
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Für den Dampfdruck pst ist ein möglichst genau der Turbinenleistung
proportionaler Stufendruck gewählt, z. B. der in der Regelradkammer oder der vor
dem Mittel- oder Niederdruckteil einer Mehrgehäuseturbine herrschende Druck.
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Der Druckverhältnisregler bewirkt, daß, wenn irgendeines oder irgendwelche
Düsengruppenventile geschlossen werden, die nachfolgenden, noch geschlossenen oder
schon teilweise geöffneten Ventile sich so weit öffnen, daß die Turbinenleistung
sich nicht ändert. Es ist also die Durchführung der Bestpunktverschiebung dank der
erfindungsgemäßen Einrichtung denkbar einfach, da hierzu nur das oder die gewünschten
Düsengruppenventile a1 bis a3 zu schließen sind, was durch Betätigung der zugehörigen
Entleerungsventile ml bis m3 erfolgt. Wie die F i g. 1 erkennen läßt, wird das letzte
Düsengruppenventil (a4 beim dargestellten Ausführungsbeispiel) nur in Abhängigkeit
von dem Steueröldruck pn betätigt. Die Betätigung der Ventile ml bis ms kann auch
mit Hilfe eines Programmgerätes, das die optimale Kombination bestimmt, erfolgen.
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Die eingestellte Turbinenleistung bleibt auch während der Durchführung
der Bestpunktverschiebung
konstant, unter der Voraussetzung, daß
die Schließgeschwindigkeit des oder der zu schließenden Düsengruppenventile, d.
h. die Öffnungsgeschwindigkeit des bzw. der entsprechenden Entleerungsventile m,
nicht größer ist als die Öffnungsgeschwindigkeit des zu öffnenden Düsenventils.
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Die Druckwandler f1 bis f3, die, wie gesagt, verhindern sollen, daß,
wenn die Düsengruppenventile durch öffnen der Entleerungsventile ml bis m3 ölseitig
drucklos gemacht werden, ein Druckabfall in dem Regelsystem erfolgt, besitzen bei
dem gewählten Ausführungsbeispiel ein Übersetzungsverhältnis 1:1.
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Das Düsengruppenventil a1 wird zweckmäßig nicht vom Druckverhältnisregler
gesteuert, sondern bleibt, wie in F i g. 1 dargestellt, unmittelbar unter dem Einfiuß
des Drehzahlreglers b. Es wird dabei vorausgesetzt, daß stets mit dem Düsengruppenventil
a1 angefahren und parallel geschaltet und - z. B. bis Kesselmindestlast - belastet
wird.
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Die F i g. 1 b zeigt eine Ausführung des Druckverhältnisreglers mit
der zusätzlichen Grenzkante k, über welche p" abgesteuert wird, wenn die Regelkante
i ihren Ablauf ganz geschlossen hat. Damit wird verhindert, daß bei etwaiger Fehlbedienung
der Steueröldruck p" auf einen Wert eingestellt wird, der größer ist, als es der
überhaupt möglichen Leistung bei einer bestimmtenVentilkombination entspricht. DerDruckverhältnisregler
wirkt dann wie ein Druckhalteventil mit variablem Sollwert. Statt dessen kann auch
parallel zum Druckverhältnisregler ein Membrandruckwandler vorgesehen werden, dessen
Kennlinie gegenüber der des Druckverhältnisreglers leicht versetzt ist.
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Der Kolben des in F i g. 2 schematisch dargestellten Düsengruppenventils
a wird über eine Blende mit Pumpenöl pp versorgt. Durch das Entleerungsventil
m
kann, wie bereits erläutert wurde, der von dem Ventil gesteuerte Ablauf
geöffnet werden, wodurch das Düsenventil a in Schließstellung geht. Der Kolben des
Kolbendruckwandlers f, der, wie aus der F i g. 2 ersichtlich ist, einerseits unter
dem Einfluß des das Düsenventil a beaufschlagten Drucköls und andererseits unter
der Wirkung des vom Druckverhältnisregler c eingestellten Steueröldruckes p"' steht,
steuert mittels einer Regelkante o einen weiteren Ölablauf. Der Kolben des Druckwandlers
f befindet sich somit im normalen Regelbereich (wenn das Ventil m den zugehörigen
Ablauf geschlossen hält) im Gleichgewicht, da Flächen und Drücke auf beiden Seiten
des Kolbens gleich sind, wobei eine bestimmte Menge der Regelflüssigkeit bei o abgesteuert
wird. Wird das Düsenventil a durch Betätigung des Ventils m ölseitig drucklos gemacht,
so schließt der Kolben des Druckwandlers f seinen Ablauf bei o ganz, während der
Druck über dem Kolben voll erhalten bleibt.
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i Bei Anordnungen mit vorgesteuerten Düsengruppenventilen kann auf
den Kolbendruckwandler verzichtet werden. Dabei dienen dann die Entleerungsventile
(ml bis ms) direkt zum Absteuern des Kraftöls der Düsengruppenventile. Die Trennung
des Kraftöls vom Steueröl (p" bzw. p"') ist bei einem vorgesteuerten Ventil in an
sich bekannter Weise im Stellmotor selbst durchgeführt. Eine Beeinflussung des Steueröls
vom Kraftöl her ist dabei nicht möglich, eine Trennung durch einen zusätzlichen
Druckwandler also nicht nötig. Der Übergang erfolgt hierbei aber nicht so stetig
(keine eindeutige Zuordnung von Kraftöldruck zu Hub).