DE2727432C3 - Vorrichtung zur Drehzahlbegrenzung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Drehzahlbegrenzung einer mit einer Tuibine angetriebenen ölpumpe (Turboölpumpe).

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 ίο Hilfsölpumpe vorgesehen, die die Ölversorgung vor und während des Anfahrens sowie gegebenenfalls auch na^h dem Abstellen der Dampfturbine sicherstellt. Diese Hilfsölpumpe wird in der Regel als Turbohilfsölpumpe mit einer kleinen Dampfturbine für den Antrieb v> 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 v> des Dampfventils aufrechterhält, hat als Hilfsaggregat in der Regel weder einen Drehzahlregler noch einen Drehzahlschnellschluß, um Überdrehzahlen der kleinen Dampfturbine bei einem durch eine Störung im Ölkreislauf ausgelösten Lastabfall zu verhindern.

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 f>" damit der Öldruck einstellbar sind. Neben der Steuerung der Dampfzufuhr ist es auch üblich, die Leistung der Anlriebsturbine durch die Dimensiönierüng der Dampfdüse zu begrenzen. Sowohl bei der Öldruckregelung über die Dampfzufuhr als auch bei der Leistungsregelung durch die Dimensionierung der Dampfdüse kann ein Durchgehen der Antriebslurbine nicht vermieden werden, wenn die Belastung Von der Zahnrädölpumpe

her wegfällt und die Antriebsturbine leer lauft. 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 Weise erreicht, daß bei einer erhöhten, die normale Fördermenge übersteigenden öiäbgabe, 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 Damit bleiben auch die Lastbedingungen für die ölpumpe und die sie antreibende Dampfturbine erhalten.

In vorteilhafter vVeise 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 hinler 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 Durc, ijxhens weiterläuft.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht bei einem in der Dampfleitung zur Turbine angeordneten und mit steigendem Druck die Dampfzufuhr drosselnden Dampfregelventil vor, daß die Steuerleitung zum Dampfregelventil an der Venturidüse vor der Querschnittsverenguiij." 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 Dampfleitung zur Turbine angeordnetes Dampfregelventil mit seiner Steuerleitung an der Venturidüse vor der Querschnittsverengung angeschlossen ist, und daß das weitere Dampfregelventil von einem NiederdrehzahNÖffnüngsquerschnitt ausgehend mit artsteigendem Öldruck die Dampfzufuhr freigibt.

Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die Dampfturbine bei mangelnder Ölversorgung auf der Saugseite, sei es infolge eines leeren Vorratsbehälter oder eines Lecks in der SaUgleitUrtg, 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 versorgle 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 zeigt

Fi g. 1 eine Turboölpumpe mit einer in der Druckleitung nachgeschalteten Venturidüse in einer Ausführungsform ohne öldrurkabhängige Regelung der Dampfzufuhr;

F i g. 2 eine Turboölpumpe mit einer in der Druckleilung nachgeschalteten Venturidüse in einer Ausführungsforrn mit einer öldruckabhängigen Regelung der Dampfzufuhr:

F i g. 3 eine der Ausführungsform gemäß F i g. 2 entsprechende Turboölpumpe mit einem zweiten parallelen Ölkreis;

Fig.4 eine Turboölpumpe mit einer in der Druckleitung nachgeschalteten Venturidüse in einer Ausführungsform mit einer öldruckabhängigen Regelung der Dampfzufuhr unter Verwendung eines weiteren Dampf- 2^r> regelventil mit einem Niederdrehzahl-Öffnungsquerschnitt;

Fig. 5 einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer Venturidüse.

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

In Fig. 1 ist ein Teil eines Ölkreislaufes dargestellt, bei dem ein Vorratsbehälter 10 für das Öl über eine Saugleitung 11 an die Niederdruckseite einer Zahnradpumpe 12 angeschlossen ist. Die Hochdruckseite dieser Γι Zahnradpumpe ist an eine Druckleitung 13 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 entsprechen- -n de Dimensionierung der Dampfdüse bezüglich ihrer maximalen -Leistung begrenzt. Die Kombination der Zahnradpumpe 12 und der Dampfturbine 16 wird auch als Turboölpumpe bezeichnet.

Die in die Druckleitung eingebaute Venturidüse ist in w F i g. 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 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 0» Wert an, wenn das gesamte Druckgefälle zwischen dem eingangsseitigen Rohrquerschnitt Fi und dem engsten Rohrquersclinkt F\ in Geschwindigkeit umgesetzt ist. Dabei wird der Druck im engsten Querschnitt iinnähernd auf Muli abgebaut. b">

Wenn also durch eine zu große Ölabgabe auf der Druckseile bz»v. 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 kann.

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 de^r 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 st&iv. ab, jedoch bleibt er vor der Venturidüse erhalten, so Jaß auch die Belastung der Dampfturbine 16 über die Zahnradpumpe 12 erhalten bleibt und die Turbine im Störurgsfall lediglich eine Überdrehzahl von maximal 15% annehmen kc:.n, 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 F i g. I dadurch, daß eine Öldruckregelung 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 DampfregelveuEil 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 Querschnittsverengung nicht auswirkt, da hier der Druck im wesentlichen erhalten bleibt. Als Folge davon wird die Dampfturbine über die unter Las* fördernde Zahnradpumpe' nach wie vor belastet, so daß d'e Gefahr eines Überdrehens entfällt. Bei einer Auslegung des Ölkreises und der Turboölpumpe entsprechend den beispielsweise gegebener; Werten läuft die Dampfturbine im Störungslall mit einer Überdrehzahl, diu kleiner als 15% ist. Damit wird eine Gefährdung der Dampfturbine vermieden.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß F i g. 2 darin, daß anstelle der Zahnradpumpe 12 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 Querschnittsverengung der Venturidüse aufbauenden Druck belastet ist. Bei einer solchen zweikreisigen Anordnung ist die Venturidüse zweckmäDigerweise in demjenigen Ölkreis angebracht, der für die größere ölmenge ausgelegt ist.

In Fig.4 ist 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 \ϊ und dem Rückschlagventil Ϊ4. 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 Steüerleitung 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 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 Sleuerleitung 20 wirkenden geringen Druck aufgesleuert. Dagegen bleibt das Dampfregelventil 31 in der am weitest geschlossenen Lage, so daß nur die durch den Niederdrehzahl-Öffhungsquerschnitt 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

μ 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 Fiansch versehenen Stutzen 36 eingearbeitet, wobei dieser Stutzen einen dem Innendurchmesser des Rohrteils entsprechenden Außendurchmesser aufweist, so daß der Stutzen in das Rohr eingeschoben werden kann. Der dabei zwischen die Endllansche 35 zu liegen kommende Flansch 37 wird mit den Endflanschen verschraubt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Drehzahlbegrenzung einer mit einer Turbine angetriebenen Ölpumpe (Turboölpumpe), dadurch gekennzeichnet, daß in die Druckleitung (13) der Turboölpumpe (12,16; 22, 16) in Strömungsrichtung des ölfjusses 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 Turbine 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 i oder 3, uauuruh gekennzeichnet, daß ein weiteres in der Dampfleitung (17) zur Turbine angeordnetes Dampfregelventil (31) mit seiner Steuerleitung (30) an der Venturidüse vor der Querschnittsverengung angeschlossen ist, und daß das wehere Dampfregelventil (31) von einem Niederdrehzahl-Öffnungsquerschnitt ausgehend mit ansteigendem Öldruck die Dampfzufuhr freigibt

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