DE2415420A1

DE2415420A1 - Dampfzufuhr-regeleinrichtung

Info

Publication number: DE2415420A1
Application number: DE2415420A
Authority: DE
Inventors: Shinya Kameda; Shunzaburo Nagashima; Mikio Obi
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1973-04-02
Filing date: 1974-03-29
Publication date: 1974-10-17
Also published as: DE2415420B2; IT1003978B; GB1470061A; NL7404130A; DK144218C; DK144218B; US3978889A; JPS49139401U

Description

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Ishikawajima-Harima Jukogyo Kabushiki Eaisha, Tokyo, Japan

Dampfzufuhr-Regeleinrichtung

Die Erfindung "betrifft eine Regeleinrichtung für die Zufuhr von Dampf zu einer Maschine, insbesondere einer Dampfturbine, mit einem Regelventil, dessen Ventilschaft einen Hauptventi!körper trägt. Insbesondere betrifft die Erfindung eine derartige Regeleinrichtung, die in Verbindung mit einem elektrohydraulisehen Regler dazu eingesetzt werden kann, die Drehzahl einer Turbine, beispielsweise einer Ip.lfsturbine für den Antrieb einer Pumpe oder eines Generators einzuregeln.

Für auf Schiffen verwendete Hilfsturbinen, z.B. für den Antrieb von Frachtöl- oder Ballastöl-Pumpen, von Generatoren und dergleichen, werden allgemein mechanisch-hydraulische Regler verwendet. Mit zunehmender Leistung und Drehzahl der Dampfturbinen wächst jedoch die Forderung nach schnell ansprechenden und stabilen Reglern. Da aisserdem die Drehzahl derartiger Hilfs-

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turbinen innerhalb eines relativ eng begrenzten Bereiches gehalten werden muss, selbst dann, wenn die Last plötzlich abfällt, muss Vorsorge dafür getroffen werden, dass eine unzulässige Überdrehzahl der Turbine, die einen Bruch verursachen könnte, unterbunden wird.

Bei den herkömmlichen Dampfzufuhr-Hegeleinrichtungen betätigt ein Servomotor über einen Mechanismus einen Ventilschaft des Dampf-Regelventils in Abhängigkeit von der Last der Turbine
und der Pumpe. Dabei wird der unterschied zwischen einer voreingestellten Drehzahl und der Ist-Drehzahl über einen mechanisch-hydraulischen Regler erfasst und der Dampfdurchsatz zur Turbine entsprechend gesteuert, so dass die Drehzahl konstant bleibt. Bei dieser herkömmlichen Dampfzufuhr-Regeleinrichtung besteht jedoch die Schwierigkeit, dass deren Ansprechen auf
Lastschwankungen im Vergleich zu denjenigen mit elektrohydraulischen Reglern nicht schnell genug ist. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass bei einem plötzlichen Lastabfall, beispielsweise durch Luftansaugen der Pumpe, die Drehzahl schlagartig ansteigt und die Schnellschlussdrehzahl erreicht, so dass die Schnellschlusseinrichtung anspricht und die Turbine anhält. Dies beeinträchtigt jedoch den Betrieb einer solchen Turbinenanlage .

Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei einer Absenkung de3 Dampfdurchsatzes zu dem Zweck, eine extrem niedrige Drehzahl einzustellen, der Venfcilkörper des Regelvenfcils eine Nei-

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guns zeigt, aufgrund ungleichmässiger Verteilung der auf den Ventilkörper wirkenden Dampfkräfte den Ventilsitz zu "berühren, so dass praktisch eine Einstellung sehr niedriger Drehzahlen unmöglich ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Schwierigkeiten und Nachteile zu vermeiden. Erfindungsgemäss wird dies bei einer Regeleinrichtung mit einem Regelventil, dessen Ventilschaft einen Hauptventilkörper trägt, dadurch erreicht, dass an dem Ventilschaft ein von dem längs des Ventilschaftes beweglichen Hauptventilkörper umschlossener Hilfsventilkörper angeordnet ist, der mit einem in dem Hauptventilkörper ausgebildeten Hilfsventilsitz zusammenwirkt und der sich bei einer Hubbewegung des Ventil schaft es in Öffnungsrichtung an dem Hauptventilkörper abstützen und diesen bewegen kann, und dass der Hauptventilkörper Bohrungen enthält, die eine Verbindung des den Hauptventilkörper umgebenden Raumes zu dessen vor dem Hilfsventil liegenden Innenraum herstellen. Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemässen Regeleinrichtung im Vergleich mit einer Regeleinrichtung nach dem Stand der Technik sowie aus weiteren Unteransprüchen. Sofern in der nachfolgenden Beschreibung auf Besonderheiten der Zeichnung nicht im einzelnen eingegangen wird, sei auf die Darstellung in der Zeichnung selbst verwiesen.

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In den Zeichnungen zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Segeleinrichtung für die Dampfzufuhr nach dem Stand der Technik;

Figur 2. eine schematische Darstellung einer Turbine für den Antrieb einer FrachtöT- oder Ballast-Pumpe, die mit einer erfindungsgemässen Regeleinrichtung zusammenwirkt;

Figur 3 eine teilweise Schnittansicht in vergrössertem

Maßstab der Dampfzuführeinrichtung gemäss Fig. 2;

Figur 4- eine der Fig. 3 ähnliche Darstellung, gedoch mit einer anderen Ventilstellung;

Figur 5 eine Schnittansicht, gesehen in Richtung des Pfeiles A in Fig. 3,

Figur 6 ein Schaubild, aus dem das Last/Drehzahl-Verhalten einer Turbine hervorgeht.

Der Deutlichkeit halber sei vor der Erläuterung des Ausführungsbeispiels der Erfindung eine Regeleinrichtung nach dem Stand der Technik beschrieben, mittels der die Zuströmmenge an Dampf eingeregelt wird. Die Erläuterung beleuchtet auch das Problem, das

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durch die erfindungsgemasse Einrichtung gelöst wird.

Die Drehgeschwindigkeit einer Pumpe c und einer Turbine d wird durch einen mechanisch-hydraulischen Regler b festgestellt, der auf einem Untersetzungsgetriebe a angeordnet ist. Durch diesen wird in Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen einer Nenn-Drehzahl, die in einen Fenn-Drehzahl geber eingegeben ist, und der Drehzahl der Pumpe c oder der Turbine d der Stössel eines Servomotors f so betätigt, dass ein Dampf-Regelventil h über einen Stellmechanismus g verstellt wird. Dadurch wird der der Turbine d zugeführte irischdampf so eingeregelt, dass deren Drehzahl auf einem bestimmten Wert bleibt.

Wie eingangs erläutert, ist für den Fall, dass die Pumpe c Luft ansaugt, eine Sicherheitseinrichtung vorgesehen, um die Turbine d anzuhalten. Ausserdem setzt sich aufgrund unausgeglichener oder ungleichmässiger Dampfkräfte, die auf den Ventilkörper i bei einem niedrigen Hub des Ventils h wirksam sind, dieser auf den zugehörigen Ventilsitz 3 auf, so dass ein Betrieb bei extrem kleinen Drehzahlen nicht möglich ist.

Die EIgUr 2 zeigt schematisch ein mit einer Turbine für eine irachtöl- oder Ballastpumpe gekoppelte erfindungsgemässe Dampfzufuhr-Regeleinrichtung. Hierbei treibt eine Dampfturbine 1 eine Itachtöl- oder Ballastpumpe 2 an und wird zu diesem Zweck über ein Dampf-Regelventil 3 gemäss vorliegender Erfindung mit Dampf versorgt. Das Dampf-Regelventil 3 dient zugleich als

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Schnellschlussventil in Notfällen.

Die .ligur 3 zeigt eine Teilansicht in vergrössertem Maßstab des Dampf-Regelventils 3· Ein Ventilgehäuse 10 besitzt einen Dampfeinlass 11 und einen Dampfauslass 12. Der durch den Einlass 11 eintretende Dampf durchströmt ein Dampffilter 13 und durch eine öffnung 15» die beispielsweise fünfeckigen Querschnitt besitzt (]figur 5), in eine Kammer 23» Längs der Achse des Ventilgehäuses 10 erstreckt sich ein Ventilschaft 16, der in seiner Iängsmitte einen damit einstückig ausgebildeten Ventilkörper eines Hilfsventils 24 aufweist. Ein Hauptventil 9 ist so angeordnet, dass es das Hilfsventil 24- umgibt, jedoch davon einen bestimmten Abstand einhält. Im unteren Teil des Hauptventils 9 ist ein Hilfs-ventilsitz 25 ausgebildet.

Auf den Ventilschaft 16 ist ein Ventildeckel 17 aufgeschoben, der über dem Hilfsventil 24- sitzt und fest mit dem Hauptventil 9 verbunden ist. Auf diese Weise wird das Hilfsventil 24 von dem Ventildeckel 17 und dem Hauptventil 9 umschlossen.

Das Hauptventil 9 wird normalerweise unter der Einwirkung einer Ausgleichsfeder 22, die zwischen dem Ventilgehäuse 10 und dem Ventildeckel 17 aufgespannt ist, gegen einen Ventilsitz gedruckt. Durch den Einlass 11 eintretender Dampf strömt in eine obere Kammer 23 durch einen schmalen Kanal zwischen der Seitenwand des Hauptventils 9 und der Innenwand einer Dampfführung 14-. Eine Anzahl vertikaler Ausgleichsbohrungen 19 durch-

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setzt das Hauptventil 9 nahe an dessen Seitenwand, so dass die obere Kammer 23 mit dem durch das Hauptventil 9_? den Hauptventilsitz 21 und die Dampfführung 14 gebildeten Raum in Verbindung gebracht werden kann. In gleicher Weise erstreckt sich eine Anzahl vertikaler Ausgleichsbohrungen 18 durch den Ventildeckel 17» so dass die obere Kammer 23 auch mit dem Raum 20 zwischen dem Haupt- und dem Hilfsventil 9 bzw. 24 in Verbindung steht.

Bei niedriger Last, beispielsweias weil die Pumpe 2 Luft ansaugt, oder bei niedriger Drehzahl, beispielsweise beim An- oder Auslaufen der Turbine 1, ist die Dampfdurchsatzmenge niedrig. Polglich ist der Ventilschaft 16 nur um einen geringen Hub angehoben, wie in Pigur 3 gezeigt ist. Somit strömt Dampf aus dem Einlass 11 durch den Kanal zwischen der Dampfführung 14 und dem Hauptventil 9 in die obere Kammer 23; ein Teil des Dampfes durchströmt auch die Ausgleichsbohrungen 19 und gelangt in die Kammer 23. Von der oberen Kammer 23 aus gelangt der Dampf durch die Ausgleichsbohrungen 18 im Ventildeckel 17 in den Raum 20 oberhalb des Hilfsventils 24, durchströmt den geöffneten Spalt zwischen dem Ventilkörper des Hilfsventils 24 und dem zugehörigen Ventilsitz 25 und gelangt durch den Auslass 12 in die Dampfturbine 1. "

Wird der Dampfdurchsatz durch das Hilfsventil 24 auf die geschilderte Weise eingeregelt, dann bleibt das Hauptventil 9 gegen den zugehörigen Ventilsitz 21 unter der Einwirkung der Pe-

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der 22 gedrückt, so dass durch das Hauptventil kein Dampf strömt. Soll der Dampf-durchsatz erhöht werden, so wird der Ventilschaft 16 weiter angehoben (vgl. Figur 4), "bis das obere Ende 26 des Hilfsventilkörpers 24· in Kontakt mit dem unteren Ende des Ventildeckels 17 kommt. Ab diesem Zeitpunkt werden der Ventilschaft 16, der Ventildeckel 17 und das Hauptventil 9 gemeinsam bewegt. Folglich durchströmt der Dampf die fünfeckige öffnung 15 "und den Ringspalt zwischen dem Hauptventil 9 und dessen Ventilsitz 21 zur Dampfturbine 1 hin. Der Dampfdurchsatz kann entsprechend durch Steuerung des freigegebenen Querschnitts der Öffnung 15 und des Hauptventils 9 geregelt werden.

Wie sich wieder aus Figur 2 ergibt, wird die Drehgeschwindigkeit der Pumpe 2 durch einen Drehzahlgeber abgetastet, der ein zahnradartiges Drehelement 27 auf der Welle eines Getrieberades ist, das mit einem Tachometer in Form einer Spule zusammenwirkt, die eine für die Drehzahl der Pumpe 2 repräsentative Spannung an einen Regler 6 anlegt« An dem Regler 6 wird mittels eines Mennwertgebers 5 nach Art eines Potentiometers eine bestimmte Drehzahl eingestellt. Der Regler 6 liefert dann eine Ausgangsspannung an einen Servomotor 7 so, dass die Differenz zwischen dem eingestellten Nennwert der Drehzahl und der tatsächlichen Drehgeschwindigkeit zu Null wird. In Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Reglers 6 betätigt der Servomotor 7 ein Steuerventil 28, so dass Steueröl in einen Servozylinder 29 gelangt. Dadurch wird der Stössel des ServoZylinders 29, der mit einem Stell-

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mechanismus 31 gekoppelt ist, "betätigt und der Ventilschaft des Dampf-Regelventils 3 angehoben. Auf diese Weise wird der Dampfdurchsatz zur Turbine 1 und damit die Drehzahl der Pumpe 2 auf dem Nennwert gehalten. Der Stö-ssel des Servo Zylinders wird durch Steueröl beaufschlagt, das zur Erzeugung einer hohen Leistung über eine Zahnradpumpe 30 zugeführt wird.

Sobald die Pumpe 2 Luft ansaugt, fällt die Last schlagartig fast auf Null ab, so dass die Drehzahl schlagartig ansteigen will. Die Drehzahlsteigerung wird durch den Tachometer 4- festgestellt und ein entsprechendes elektrisches Signal an den Regler 6 gegeben, der wiederum das Signal an den Servomotor weitergibt. Hierdurch wird der Servozylinder 29 so gesteuert, dass sein Stössel ausgefahren wird. Folglich wird der Ventilschaft 16 des Dampf-Regelventils 3 heruntergefahren und dadurch der freigegebene Querschnitt der Öffnung 15 und des Hauptventils 9 und somit auch der Dampfdurchsatz verringert.

Um den Dampfdurchsatz noch weiter zu verringern, wird das Hauptventil 9 vollständig geschlossen, so dass die Öffnung des Dampfregelventils 3 ausschliesslich durch das Hilfsventil 24- gesteuert, werden kann.

Mit dem Bezugszeichen 8 ist eine Schnellschlussvorrichtung bezeichnet, die in Abhängigkeit von einem Druckabfall in der Turbinenlager-Schmierung, von einem übermässigen Anstieg des Turbinenabdampfdruckes, von einem übermässigen Drehzahlanstieg,

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von einer Überhitzung der Pumpe und von einem unzulässigen Anstieg des Pumpenauslassdruckes in Funktion treten kann« Das von dieser Vorrichtung abgegebene Signal wird dem Regler 6 zugeführt. Der Regler 6 leitet das Signal dem Servomotor weiter, um eine Schliessung des Dampf-Regelventils 3 und damit eine Stillsetzung zu bewirken. Zugleich wird in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Schnellschlussvorrichtung 8 ein spulengesteuertes "Ventil 32 erregt, so dass das Steueröl in der zum Servomotor 7 führenden Leitung freigegeben wird." Damit wird der Stössel des Servo Zylinders 29 angehoben und das Dampf-Regelventil 3 geschlossen. Dies bedeutet, dass das Hilfsventil 24-in Kontakt mit dem zugeordneten Ventilsitz 25 gelangt, so dass auch das Hauptventil 9 sich auf den zugehörigen Hauptventilsitz 21 absetzt. Damit wird der Dampfdurchlass vollständig geschlossen und die Dampfturbine angehalten.

Die Figur 6 zeigt die Abhängigkeit zwischen der Drehzahl der Turbine und deren Last. Die aufgezogenen Linien geben die Charakteristik für die erfindungsgemässe Regeleinrichtung, während die gestrichelt eingezeichneten Linien die Regelcharakteristik bei Anwendung des herkömmlichen Dampf-Regelventils wiedergeben.

Wie erläutert, kann durch das Hauptventil erfindungsgemäss ein relativ hoher Dampfdurchsatz gesteuert werden, während ein niedriger Dampfdurchsatz durch das Hilfsventil gesteuert wird. Bei dem herkömmlichen Regelsystem lässt sich die Drehzahl der Pumpe

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nur zwischen 60 und 100% einregeln, während die erfindungsgemässe Dampf-Regeleinrichtung eine Drehzahlregelung in dem breiten Bereich zwischen 15 und"100% ermöglicht. Die Drehzahl lässt sich dabei durch Betätigung eines einzigen Ventilschaftes regeln .

Zusammengefasst ergibt sich also folgendes:

Die erfindungsgemässe Dampfzufuhr-Regeleinrichtung ist geeignet zur Anwendung in Verbindung mit einem elektrohydraulröhen Regler, der die Drehzahl einer Turbine, beispielsweise einer Hilfsturbine zum Antrieb einer Erachtöl- oder Ballastöl-Pumpe oder eines Generators, regelt. Die erfindungsgemässe Regeleinrichtung unterbindet einen übermässigen momentanen Anstieg der Drehzahl selbst in Fällen, in denen ein plötzlicher Lastabfall auftritt, was beispielsweise durch Ansaugen von Luft in der Pumpe erfolgen kann. Ausserdem ist eine Einstellung extrem niedriger Drehzahlen der Turbine möglich.

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Claims

Patent-(Sch.utz-)Ansprüclie

Λ .j Regeleinrichtung für die Zufuhr von Dampf zu einer Maschine, insbesondere Dampfturbine, mit einem Regelventil, dessen Ventilschaft einen federbeaufschlagten Hauptventilkörper trägt, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Ventilschaft (16) ein von dem längs des Ventilschaftes (16) beweglichen Hauptventilkörper (9) umschlossener HilfsventilkÖrper (24-) angeordnet ist, der mit einem in dem Hauptventilkörper (9) ausgebildeten Hilfsventilsitz (25) zusammenwirkt und der sich bei einer Hubbewegung des Ventilschaftes (16) in Öffnungsrichtung an dem Hauptventilkörper (9) abstützen und diesen bewegen kann, und dass der Hauptventilkörper (9) Bohrungen (18) enthält, die eine Verbindung des den Hauptventilkörper (9) umgebenden Raums (23) zu dessen vor dem Hilfsventil (24, 25) liegenden Innenraum (20) herstellen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der HilfsventilkÖrper (24) einstückig mit dem Ventilschaft (16) in dessen Längsmitte ausgebildet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (10) eine den Hauptventilkörper (9) umgebende und dadurch einen Ringkanal schaffende Dampfführung (14·) aufweist.
4·. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3* dadurch ge-

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kennzeichnet, dass der Hauptventilkörper (9) durch einen die Bohrungen (18) aufweisenden Yentildeckel (17) abgedeckt ist, an welchem sich der Hilfsventilkörper (24) abstützen kann.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (18) parallel zur Längsachse des Ventilschafts (18) verlaufen.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptventilkörper (9) zusätzliche, parallel zur Längsachse des VentilSchafts (16) verlaufende durchgehende Bohrungen (19) aufweist»
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge-kennzeichnet, dass der Ventilschaft (16) und damit das Hauptventil (9i' 21) und das Hilfsventil (24, 25) durch einen Servomotor (7) betätigbar sind.
8. Einrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass der Servomotor (7) in Abhängigkeit vom Ausgangssignal eines Reglers (6) betätigbar ist, der durch Signale einer Drehzahl-Messeinrichtung (4) beaufschlagt ist.

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L e e r s e i t e