DE2727432A1

DE2727432A1 - Vorrichtung zur drehzahlbegrenzung

Info

Publication number: DE2727432A1
Application number: DE19772727432
Authority: DE
Inventors: Otto Ing Grad Grohrock
Original assignee: Kuehnle Kopp and Kausch AG
Current assignee: Howden Turbo GmbH
Priority date: 1977-06-18
Filing date: 1977-06-18
Publication date: 1979-03-15
Also published as: DE2727432C3; DE2727432B2; GB1590369A

Description

Aktiengesellschaft Kühnle, Kopp & Kau sch Friedrich-Ebert-Str. 16 6710 Frankenthai/Pfalz

Vorrichtung zur Drehzahlbegrenzung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Drehzahlbegrenzung einer mit einer Hilfsturbine angetriebenen Ölpumpe (Turboölpumpe), welche vorzugsweise den Steuer- und/oder Schmierdruck vor und während des Anfahrens sowie gegebenenfalls beim Abstellen einer Hauptturbine erzeugt.

Für die Betriebssicherheit von Dampfturbinen ist die Sicherung der Ölversorgung von ausschlaggebender Bedeutung. Außer der Hauptölpumpe die von der Turbinenwelle selbst angetrieben wird, ist daher eine Hilfsölpumpe vergesehen, die die Ölversorgung vor und während des Anfahrens sowie gegebenenfalls auch nach dem Abstellen der Dampfturbine sicherstellt. Diese Hilfsölpumpe wird in der Regel als Turbohilfsölpumpe mit einer kleinen Dampfturbine für den Antrieb aufgebaut, wobei diese kleine Dampfturbine eine Dauerschmierung hat. Eine solche Turboölpumpe, die nur vor und während des Anfahrens sowie gegebenenfalls beim Abstellen der Turbine den Öldruck zur Lagerschmierung und im Hydrauliksystem zum Öffnen des Dampfventils aufrechterhält, hat als Hilfsaggregat in der Regel weder einen Drehzahlregler noch einen Drehzahlschnellschluß, um Überdreh zahlen der kleinen Dampfturbine bei einem durch eine Störung im ölkreislauf ausgelösten Lastabfall zu verhindern.

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Als ölpumpe findet in herkömmlicher Weise eine Zahnradölpumpe Verwendung, bei der die geförderte Ölmenge proportional der Drehzahl ist, so daß über eine Steuerung der Dampfzufuhr und damit der Drehzahl der Antriebsturbine unmittelbar die Fördermenge und damit der Öldruck einstellbarsind. Neben der Steuerung der Dampfzufuhr ist es auch üblich, die Leistung der Antriebsturbine durch die Dimersior-isrur.g der Dampfdüse zu begrenzen. Sowohl bei der Öldruckregelung über die Dampfzufuhr als auch bei der Leistungsregelung durch die Dimension!?rur.r.: der Dampfdüse kann ein Durchgehen der Antriebsturbine nicht vermieden werden, wenn die Belastung von der Zahnradölpumpe her wegfällt und die Antriebsturbine leer läuft. Diese Situation tritt ein., wenn sich der Öldruck aufgrund einer zu großen Ölabgabe nicht aufbauen läßt, was beispielsweise der Fall sein kann, wenn im Ölkreis der Hauptturbine ein Leck vorhanden ist bzw. bei Lagerschäden zu große Ölmengen abfließen. Diese Situation kann sich auch einstellen, wenn beim Anfahren der Ölkühler noch leer ist bzw. wenn die Ölversorgung auf der Saugseite der Ölpumpe ausfällt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu schaffen, mit welchen Überdrehzahlen der Antriebsturbine bei Turboölpumpen ohne großen Aufwand sicher verhindert werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in die Druckleitung der Turboölpumpe in Strömungsrichtung des Ölflusses eine Venturidüse eingebaut ist.

Durch den Einbau der Venturidüse in die Druckleitung wird in vorteilhafter Welse erreicht, daß bei einer erhöhten, die normale Fördermenge übersteigenden ölabgabe, "sei es durch ein Leck oder durch Lagerschäden bzw.wegen eines noch leeren Ölkühlers, der durch Druck hinter der. Venturidüse stark abfällt, jedoch vor der Venturidüse erhalten bleibt.' Da"mit bleiben auch

die Last-

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die Lastbedingungen für die Ölpumpe und die sie antreibende Dampfturbine erhalten.

In vorteilhafter Weise wird dabei die Venturidüse derart dimensioniert, daß die maximale durch die Venturidüse förderbare Ölmenge um einen festgelegten Betrag, vorzugsweise etwa 15 %, über dem normalen ölbedarf liegt. Damit stellt sich im Normalbetrieb ein verhältnismäßig geringer Druckabfall hinter der Venturidüse ein, der beim Überschreiten der normalen Fördermenge stark abfällt, jedoch vor der Venturidüse erhalten bleibt. Damit wird die Ölpumpe mit einer der maximalen geförderten Ölmenge entsprechenden Leistung belastet, so daß die Turbine nur mit einer der erhöhten Leistungsabnahme entsprechenden höheren Drehzahl ohne die Gefahr des Durchgehens weiterläuft.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht bei einem in der Dampfleitung zur Hilfsturbine angeordneten und mit steigendem Druck die Dampfzufuhr drosselnden Dampfregelventil vor, daß die Steuerleitung zum Dampfregelventil an der Venturidüse vor der Querschnitts Verengung angeschlossen ist. Bei dieser Ausgestaltung mit einer Öldruckregelung über die Dampfzufuhr wird erreicht, daß die Turbine im Störungsfall, d. h. bei einer erhöhten Ölabgabe auf der Druckseite und damit einem Druckabfall, . nicht mit mehr Dampf beaufschlagt und in den Überdrehzahlbereich gesteuert wird.

Neben einem Lastabfall durch erhöhte ölabgabe auf der Überdruckseite kann sich jedoch auch ein Lastabfall durch mangelnde Ölversorgung auf der Saugseite einstellen. Um die Dampfturbine auch in einem solchen Fall gegen ein Überdrehen zu schützen, sieht die Erfindung in einer weiteren Ausgestaltung vor, daß ein weiteres

in der

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in der Dampfleitung zur Hilfsturbine angeordnetes Dampfregelventil mit einer Steuerleitung an der Venturidüse vor der Querschnittsverengung angeschlossen ist, und daß das weitere Dampfregelventil von einem Niederdrehzahl-Öffnungsquerschnitt ausgehend mit ansteigendem Öldruck die Dampfzufuhr freigibt.

Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die Dampfturbine bei mangelnder Ölversorgung auf der Saugseite, sei es infolge eines leeren Vorratsbehälters oder eines Lecks in der Saugleitung, nur mit einer Dampfmenge beaufschlagt werden kann, die einerseits nicht ausreicht, um die Dampfturbine bei mangelnder Belastung in den Überdrehzahlbereich zu steuern, jedoch andererseits die Möglichkeit bietet, die Dampfzufuhr zu vergrößern, wenn die mit Öl versorgte und von der Turbine angetriebene Ölpumpe in der Druckleitung einen Druck aufbaut.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Turboölpumpe mit einer in der Druckleitung nachgeschalteten Venturidüse in einer Ausführungsform ohne öldruckabhängige Regelung der Dampfzufuhr;

Fig. 2 eine Turboölpumpe mit einer in der Druckleitung nachgeschalteten Venturidüse in einer Ausführungsform mit einer öldruckabhängigen Regelung der Dampfzufuhr;

Fig. 3 eine der Ausführungsform gemäß Fig. 2 entsprechende Turboölpumpe mit einem zweiten parallelen Ölkreis;

Fig. 4 Eine Turboölpumpe mit einer in der Druckleitung nachgeschalteten

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schalteten Venturidüse in einer Ausführungsform mit einer öldruckabhängigen Regelung der Dampfzufuhr unter Verwendung eines weiteren Dampfregelventils mit einem Niederdrehzahl-Öffnungsquerschnitt;

Fig. 5 einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer Venturidüse.

In der nachfolgenden Beschreibung sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

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In Fig. 1 ist ein Teil eines Ölreislaufes dargestellt, bei dem ein Vorratsbehälter 10 für das Öl über eine Saugleitung 11 an die Xiederdruckseite einer Zahnradpumpe 12 angeschlossen ist. Die Hochdruckseite dieser Zahnradpumpe ist an eine Druckleitung Ϊ3 angeschlossen, in der ein Rückschlagventil 14 und eine Venturidüse 15 angeordnet ist. Der Antrieb der Zahnradpumpe 12 erfolgt mit Hilfe einer kleinen Dampfturbine 16, der über eine Dampfleitung 17 die zum Antrieb der Turbine erforderliche Dampfmenge zugeführt wird. In der Dampfleitung ist ein Absperrventil 18 vorgesehen. Der entspannte Dampf wird von der Turbine über eine Abdampfleitung 19 abgeführt.

Die Turbine ist vorzugsweise durch eine entsprechende Dimensionierung der Dampfdüse bezüglich ihrer maximalen Leistung begrenzt. Die Kombinr tion der Zahnradpumpe 12 und der Dampfturbine 1S wird auch als Turboölpumpe bezeichnet.

Die in die Druckleitung eingebaute Venturidüse ist in Fig. 5 im Detail dargestellt. Der grundsätzliche Aufbau einer solchen Venturidüse und deren Wirkungsweise ist bekannt. Im wesentlichen besteht die Venturidüse aus einem sich in Strömungsrichtung zuerst verengenden und dann wieder allmählich erweiternden als Diffusor wirksamen Rohr. Für eine

derartige

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derartige Venturidüse gilt, daß die Durchflußmenge Q gleich dem Produkt aus der Strömungsgeschwindigkeit c und der Querschnittsfläche Fl des kleinsten Querschnittes der Venturidüse ist. Die Strömungsgeschwindigkeit c nimmt ihren größten Wert an, wenn das gesamte Druckgefälle zwischen dem eingangsseitigen Rohrquerschnitt F2 und dem engsten Rohrquerschnitt Fl in Geschwindigkeit umgesetzt ist. Dabei wird der Druck im engsten Querschnitt annähernd auf Null abgebaut.

Wenn also durch eine zu große Ölabgabe auf der Druckseite bzw. ein Leck in der Druckleitung 13 das durch die Venturidüse strömende Öl im engsten Querschnitt die maximale Strömungsgeschwindigkeit erreicht, dann ergibt sich für die durch die Venturidüse strömende ölmenge ebenfalls ein Maximum, d. h. daß die von der Ölpumpe durch die Venturidüse geförderte Ölmenge nicht weiter vergrößert werden

Da bei der im Beispiel verwendeten Zahnradpumpe 12 die Fördermenge proportional der Drehzahl ist, folgert daraus, daß durch die maximal durch die Venturidüse förderbare Ölmenge auch die maximale Drehzahl der Zahnradölpumpe festgelegt ist. Damit ergibt sich, daß die Zahnradpumpe selbst bei einem starken Ölverlust in der Druckleitung 13 nicht mehr öl fördern kann, als durch die maximale Strömungsgeschwindigkeit in der Venturidüse festgelegt ist.

Für einen zweckmäßigen Einsatz ist -vorgesehen, daß die maximal förderbare ölmenge etwa um 15 % über der normalen Ölmenge liegt, damit im Normalbetrieb der Druckabfall über die Venturidüse möglichst gering ist. Beim Überschreiten der normalen Fördermenge sinkt der Druck hinter der Venturidüse stark ab, jedoch bleibt er vor der Venturidüse erhalten, so daß auch die Belastung der Dampfturbine 16

Ober

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über die Zahnradpumpe 12 erhalten bleibt und die Turbine im Störungsfall lediglich eine Überdrehzahl von maximal 15 % annehmen kann, wenn die Zahnradölpumpe aufgrund des Ölverlustes in der Druckleitung 13 die maximale Ölmenge fördert. Damit die Turbine in einem solchen Störungsfall sicher durch den Einbau einer Venturidüse geschützt werden kann, erfolgt die Leistungsregelung für die Dampfturbine durch die Dimensionierung der Dampfdüse.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 1 dadurch, daß eine Öidruckregelung über die Regelung der Dampfzufuhr vorgesehen ist. Zu diesem Zweck ist die Venturidüse 15 vor der Querschnittsverengung mit einer Steuerleitung 20 verbunden, die zu einem Dampfregelventil 21 führt. Dieses Dampfregelventil ist in der Dampfleitung 17 angeordnet und ist so ausgelegt, daß die der Dampfturbine zugeführte Dampfmenge in Abhängigkeit von dem Öldruck vor der Venturidüse geregelt wird. Wenn auch in diesem Fall die maximale von der Zahnradölpumpe aufgrund der Begrenzung durch die Venturidüse förderbare Ölmenge etwa 15 % über der normalen ölmenge liegt, so wird die Druckregelung durch die Venturidüse kaum beeinflußt. Beim Überschreiten der normalen Fördermenge sinkt der Druck hinter der Venturidüse stark ab, was sich jedoch vor der Querschnitts-Verengung nicht au swirkt, da hier der Druck im wes entlichen erhalten bleibt. Als Folge davon wird die Dampfturbine über die unter Last fördernde Zahnradpumpe nach wie vor belastet, so daß die Gefahr eines Überdrehens entfällt. Bei einer Auslegung des ölkreises und der Turboölpumpe entsprechend den beispielsweise gegebenen Werten läuft die Dampfturbine im Störungsfall mit einer Überdrehzahl, die kleiner als 15 % ist. Damit wird eine Gefährdung der Dampfturbine vermieden.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 2 darin, daß anstelle der Zahnradpumpe 12

eine Zahn- 909811/0008

eine Zahnradpumpe 22 verwendet wird, die in parallelen Kreisen zwei Ölströme verarbeitet. Zu diesem Zweck ist der Vorratsbehälter 10 über eine weitere Saugleitung 23 mit einem zweiten Eingang der Zahnradpumpe verbunden, die an ihrem zweiten Ausgang an die Druckleitung 24 des zweiten Ölkreises angeschlossen ist.

Bei einem Absinken des Öldruckes durch zu große. Ölentnahme in der Druckleitung 24 hat dies nur eine geringe Rückwirkung auf die Dampfturbine, da diese nach wie vor durch den ersten Ölkreis und dem sich vor der Querschnitts Verengung der Venturidüse aufbauenden Druck belastet ist. Bei einer solchen zweikreisigen Anordnung ist die Venturidüse zweckmäßigerweise in demjenigen Ölkreis angebracht, der für die größere Ölmenge ausgelegt ist.

In Fig. 4Jist eine Turboölpumpe mit einer in der Druckleitung nachgeschalteten Venturidüse in einer Ausführungsform mit einem Dampfregelventil zur Öldruckregelung gezeigt. Ferner ist in die Dampfleitung 17 ein weiteres Dampfregelventil 31 eingeschaltet, das über eine Steuerleitung 30 an die Druckleitung vor der Querschnittsverengung der Venturidüse angeschlossen ist. Bei der dargestellten Ausführungsform liegt dieser Anschluß der Steuerleitung zwischen der Zahnradpumpe 12 und dem Rückschlagventil 14. Dieses weitere Dampfregelventil 31 ist derart ausgelegt, daß es einen minimalen Öffnungsquerschnitt aufweist, um die Dampfturbine aufgrund der verringerten Dampfmenge mit einer niederen Drehzahl anzutreiben. Mit zunehmendem Öldruck über die Steuerleitung 30 wird das weitere Dampfregelventil 31 geöffnet.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird auch dafür Sorge getragen, daß nicht nur bei einer zu großen ölentnahme auf der Druckseite, in der in Verbindung mit Fig. 2 beschriebenen Wirkungsweise

ein Über- 9 0 9811/0008

ein Überdrehen der Dampfturbine verhindert wird, sondern auch bei einem Ölmangel in der Saugleitung 11, sei es, daß der Ölvorratsbehälter leer ist oder die Saugleitung ein Leck hat.

Das Zusammenspiel der beiden Dampfregelventile ist dabei wie folgt: Bei einem Ölmangel in der Saugleitung und dementsprechend einem fehlenden Druck auf der Druckseite der Zahnradpumpe wird das Dampfregelventil 21 über den an der Steuerleitung 20 wirkenden geringen Druck aufgesteuert. Dagegen bleibt das Dampfregelventil 31 in der am weitest geschlossenen Lage, so daß nur die durch den Niederdrehzahl-Öffnungsquerschnitt fließende Dampfmenge die Dampfturbine 16 beaufschlagen kann. Das führt dazu, daß die Dampfturbine mangels ausreichenden Dampfangebots nicht in den Überdrehzahlbereich gesteuert werden kann. Wenn dagegen die Zahnradpumpe Öl fördert und auf der Druckseite einen Druck aufbaut, wird über die Steuerleitung 30 das weitere Dampfregelventil 31 beaufschlagt und geöffnet, so daß nunmehr nur noch die Druckregelung über das Dampfregelventil 21 erfolgt. Auf diese Weise ist es möglich, die Dampfturbine vor einer Überdrehzahl zu schützen, unabhängig davon, ob die fehlende Belastung durch einen Ölmangel auf der Saugseite oder eine zu große Ölabgabe über die Druckleitung ausgelöst ist.

In Fig. 5 ist ein Schnitt durch eine Venturidüse dargestellt, wie sie in einfacher Weise ausgeführt sein kann, um sie zwischen zwei Endflansche 35 zweier miteinander verbundener Rohrteile einsetzen zu können. Die Venturidüse ist in einen zylindrischen, mit einem Flansch versehenen Stutzen eingearbeitet, wobei dieser Stutzen einen dem Innendurchmesser des Rohrteils entsprechenden Außendurchmesser aufweist, so daß der Stützen in das Rohr eingeschoben werden kann. Der dabei zwischen die Endflansche 35 zu liegen kommende Flansch 37 wird mit den Endflanschen verschraubt.

Patentansprüche 909811/0008

Claims

Aktiengesellschaft Kühnle, Kopp & Kausch 6710 Frankenthai/Pfalz PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zur Drehzahlbegrenzung einer mit einer Hiiisturbine angetriebenen Ölpumpe (Turboölpumpe), welche vorzugsweise den Steuer- und/oder Schmierdruck vor und während des Anfahrens sowie gegebenenfalls beim Abstellen einer Hauptturbine erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß in die Druckleitung (13) der Turboölpumpe (12, 16; 22, 16) in Ströir.ungsrichtung des Ölflusses eine Venturidüse (15) eingebaut ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale durch die Venturidüse förderbare Ölmenge um einen festgelegten Betrag vorzugsweise etwa 15 % über dem normalen Ölbedarf liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einem in der Dampfleitung zur Hilfsturbine angeordneten und mit ansteigendem Druck die Dampfzufuhr drosselnden Dampfregelventil, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerleitung (20) zum Dampfregelventil (21) an der Venturidüse vor der Querschnittsverengung angeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres in der Dampfleitung (17) zur Hilfsturbine angeordnetes Dampfregelventil (31) mit seiner Steuerleitung (30) an der Venturidüse vor der Querschnitts Verengung angeschlossen ist, und daß das weitere Dampfregelventil (31) von einem Niederdreh zahl-Öffnungsquerschnitt ausgehend mit ansteigendem Öldruck die Dampfzufuhr freigibt.

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