DE288549C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzielung einer schwingungslosen Regelung von Kraftmaschinen, insbesondere Wasserturbinen, durch hydraulische, indirekt wirkende Geschwindigkeitsregler. Das Wesen der Erfindung liegt darin, daß der Weg des Steuerorgans der Hilfskraftmaschine so gering ist, daß es an den Bewegungen des Federreglers nur innerhalb verhältnismäßig enger

ίο Grenzen teilnimmt, und daß am Steuergestänge ein nachgiebiges Glied, beispielsweise ein Katarakt, so angeordnet ist, daß der Federregler sich nach Erreichung der Endlagen des Steuerorgans weiterbewegen kann, dieses aber bei eintretender Bewegungsumkeh-

. rung augenblicklich im gleichen Sinne mitnimmt. Eine besondere Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes besteht darin, daß am Katarakt Federn angebracht sind, welche dessen Kolben nach jeder Verschiebung in seine Mittellage zurückführen, um die zur Einhaltung einer bestimmten Umlaufsgeschwindigkeit der Kraftmaschine erforderliche bestimmte Stellung des Steuerorgans in Abhängigkeit vom Federregler nach jedem Regelungsvorgang wieder herzustellen. Die Vorrichtung kann Verwendung finden sowohl für isodrome, als auch für solche Regulierungen, bei welchen jeder neuen Belastung eine bestimmte neue Umlaufszahl entspricht.

Die Zeichnungen zeigen zwei Ausführungsbeispiele für Wasserturbinen sowie die mittels dieser Vorrichtungen erreichbaren, bildlich dargestellten Regelungsvorgänge.

In Fig. ι sind am Gehäuse 2 des Steuertentils für die aus dem Gehäuse 4 und dem Differentialkolben 5, 5⁰ bestehende Hilfskraftmaschine Anschläge vorhanden, durch welche der Weg des im Gehäuse 2 beweglichen Steuerkolbens 3 innerhalb enger Grenzen gehalten wird. In das Gestänge zwischen dem Steuerkolben 3 und dem Fliehkraftregler 1 ist ein Katarakt eingebaut, welcher der Hauptsache nach aus dem Gehäuse 6 und dem Kolben 7 besteht. Die über und unter diesem Kolben befindlichen Räume im Gehäuse 6 sind mit öl ausgefüllt. Der Kolben selbst besitzt eine diese Räume verbindende kleine Durchbohrung 11.

Sobald der Fliehkraftregler 1 infolge Entlastung der Kraftmaschine eine höhere Umlaufszahl erhält, hebt seine Muffe das linke Ende des Doppelhebels an und verdreht diesen Hebel um seinen Stützpunkt 9 im Sinne des Uhrzeigers. Das rechte Ende drückt mittels des Lenkers 10 den Kolben 7 des Kataraktes nach unten. Da die Durchbohrung 11 so klein ist, daß in der kurzen Zeit des augenblicklich nach unten gerichteten Bewegungsvorganges nicht genügend Öl von der unteren nach der oberen Seite des Kolbens 7 hindurchströmen kann, um demselben eine freie Bewegung

gegenüber dem Gehäuse 6 zu ermöglichen, so findet deshalb eine augenblickliche, wenn auch etwas nachgiebige Kupplung zwischen Kolben 7 und Gehäuse 6 statt, und es wird daher auch dieses Gehäuse 6 und damit der mit dem-. selben starr verbundene Kolben 3 des Steuerventiles nach unten in die in Fig. 2 gezeichnete Lage gedrückt. Dieser Steuerkolben 3 gibt dem rechts vom großen Kolben 5 der Hilfskraftmaschine befindlichen Preßöl den Weg nach der Abflußleitung 12 frei, so daß der Druck rechts vom Kolben 5 sinkt. Der zwischen dem großen Kolben 5 und dem kleinen Kolben 5° beständig herrschende hohe Öldruck vermag diese beiden Kolben nach rechts zu schieben und dadurch mittels des Lenkers 14 und des Hebels 15 die Hauptregulierwelle 16 im entgegengesetzten Sinne des Uhrzeigers zu verdrehen, wodurch eine Schließbewegung der Haupteinlaßorgane der Kraftmaschine erfolgt. Schon eine geringe Bewegung der Muffe vom Fliehkraftregler 1 nach oben hat genügt, den Kolben 3 des Steuerventiles so weit nach unten zu schieben, daß er seinen ihm zugehörigen vollen Weg zurücklegt, denn dieser Weg ist im Verhältnis zum gesamten Muffenweg nur ein ganz geringer. Er braucht beispielsweise nur 1 mm aus der Mittellage zu betragen. Der rechte Endpunkt des Doppelhebeis 8 kann jedoch im ganzen einen Weg von vielen Millimetern zurücklegen. Aber wenn auch der Steuerkolben 3 unten im Gehäuse 2 aufsitzt (s. Fig. 2), kann der Geschwindigkeitsregler sich doch noch weiter im anfänglichen Sinne bewegen, weil alsdann der Kolben 7 sich dementsprechend innerhalb des Kataraktgehäuses 6 nach unten verschiebt und das unter ihm befindliche Öl durch die Bohrung 11 hindurch nach oben verdrängt. Er gelangt in die in Fig. 3 ersichtliche Stellung. Sobald nun aber die Umlaufszahl des Fliehkraftreglers nach Erreichung der der neuen Belastung entsprechenden Stellung der Haupteinlaßorgane abnimmt, so daß die Reglermuffe zu sinken beginnt, so kuppelt sich augenblicklich der hierbei'mittels des rechten Endes des Doppelhebels 8 nach oben gezogene Kolben 7 mittels des über ihm befindlichen Öles aufs neue mit dem Kataraktgehäuse 6, und zwar diesmal in der neuen, aus der Mittellage nach unten verschobenen, in Fig. 3 dargestellten Lage. Der nach oben gezogene Kolben 7 zieht seinerseits das Gehäuse 6 und damit den Kolben 3 des Steuerventiles mit in die Höhe, bis letzterer in seine Mittellage gelangt, wodurch ein neuer Beharrungszustand eintritt. Dieser Regelvorgang soll in Fig. 5 bildlich dargestellt werden. Als Abszissen von links nach rechts ist die Zeit des Reguliervorganges, als Ordinaten einmal die Umlaufszahl η der Kraftmaschine (dünne Linie), sodann die Öffnung O der Haupteinlaßorgane (starke Linie) aufgetragen. Zur Zeit t_x werde der bisherige Beharrungszustand durch eine Entlastung der Wasserturbine unterbrochen. Infolgedessen wird die Turbine beschleunigt. Der Fliehkraftregler ι hebt seine Muffe und erwirkt, wie oben beschrieben, mittels des Kataraktes 6, 7, des Steuerventiles 2, 3 und der Hilf skraftmaschine 4, 5, ζ^α ein \^erdrehen der Steuerwelle 16 entgegen dem Sinn des Uhrzeigers und damit ein Schließen der Hauptsteuerorgane. Im Diagramm Fig. 5 gesehen, hat während des ersten Beharrungszustandes, d. i. bis zur Zeit t_1} die Umlaufszahl der Kraftmaschine den Wert M₁ gehabt, und es waren die Haupteinlaßorgane um einen Betrag O₁ offen. Bis zur Zeit i, erhöht sich die Umlaufszahl der Kraftmaschine auf den Betrag M₂, während gleichzeitig der Fliehkraftregler gemäß oben beschriebenen Regelungsvorganges eine Verringerung der Durchflußöffnung der Einlaßorgane auf den Betrag O₂ erwirkt. Zur Zeit t., ist die von dem Wasser an die Turbinenwelle abgegebene Leistung genau gleich der von der Turbine bei der erhöhten Umlaufszahl M₃ geforderten Leistung. Die Hilfskraftmaschine 4> S; 5" bewegt sich jedoch weiter im Sinne des Schließens, wodurch ein Sinken der Umlaufszahl vom Wert M₂ eingeleitet wird. Hierdurch wird ein Sinken der Reglermuffe und damit ein Heben des Kolbens 7 bewirkt. Wie bereits oben gesagt, zieht der Kolben 7 das Gehäuse 6 und damit den Kolben 3 des Steuerventiles in die Höhe, d. h. letzteren in seine Mittellage zurück. Die Schließbewegung der Haupteinlaßorgane \y\ra augenblicklich unterbrochen. Es soll nun beispielsweise der Weg des Steuerventiles im Verhältnis zu demjenigen der Stange 10 bzw. der Muffe des Fliehkraftreglers ι sehr gering, beispielsweise nur 1 :20 sein. In diesem Fall genügt ein Sinken der Umlaufszahl um 1 : 20 des Betrages, der beispielsweise einem 4 Prozent betragenden Ungleichförmigkeitsgrade des Federreglers entspricht, also um nur etwa V₅ Prozent der Umlauf szahl M₂, um das beschriebene Zurückführen des Steuerkolbens 3 in seine Mittellage zu bewirken.

In Fig. 5 gesehen, sinkt die Umlaufszahl vom Wert M₂ nur um den ganz geringen Betrag bis M₃, bei welchem ein neuer Beharrungszustand eintritt, und in welchem die Haupteinlaßorgane um den Betrag O₃ geöffnet sind. Ohne Anwendung der das Wesen dieser Erfihdung ausmachenden Vorrichtung wäre die Umlaufszahl bis auf den Wert M₁ und darüber hinaus gesunken. Die Schließbewegung der Einlaßorgane hätte entsprechend lange, d. h. bis zur Zeit i_X) fortgedauert, in welchem Zeitpunkt die Füllung der Maschine bereits viel zu klein geworden wäre, so daß sich in bekannter

Weise eine dauernde Schwingung anschließen würde, gemäß der in Fig. 5 strichpunktiert eingezeichneten Linienzüge.

In dem beschriebenen neuen Beharrungszustand zur Zeit t_s hat der Kataraktkolben 7 gegenüber seinem Gehäuse 6 die in Fig. 3 dargestellte, nach unten verschobene Lage, welche also mit der in Fig. 1 gezeichneten Mittellage nicht übereinstimmt. Auch ist im allgemeineu die neue Umlaufszahl n_a um einen so großen Betrag höher als die anfängliche Umlaufszahl M₁, wie er beispielsweise für den Antrieb elektrischer Maschinen nicht annehmbar wäre. Es kann jedoch für den neuen Beharrungszustand die anfängliche Umlaufszahl M₁ zurück erreicht werden, wenn der Katarakt gemäß Fig. 6 ausgeführt und an Stelle des in Fig. 1 ersichtlichen, einfachen Kataraktes gesetzt wird. Danach hat das Gehäus 17 nur in der Mitte eine so enge Bohrung, daß sie genau dem Kolben 18 entspricht. Über und unter dieser -Stelle ist die lichte Weite des Gehäuses 17 größer. Gegen die hierdurch gebildeten Absätze stützen sich lose eingelegte Ringe 19 und 20, welche durch die Federn 21 und 22 belastet sind. Wenn nun der Kolben 18 infolge einer Entlastung der Wasserturbine vom Fliehkraftregler aus seiner Mittellage heraus . nach unten verschoben wird, schiebt er, sobald der Steuerkolben 3 seine unterste Lage erreicht hat und das Gehäuse 6 sich nicht mehr weiterbewegen kann, den Ring 20 nach unten und preßt damit die untere Feder 22 zusammen (s. Fig. 7). Die obere Feder 21 bleibt in ihrer bisherigen Lage verharren, weil sich deren Stützring 19 gegen die Verengerung des Gehäuses 17 anlehnt. Durch die einseitige Wirkung der Feder 22 befindet sich der Kolben 18 gegenüber dem Gehäuse 17 nicht mehr im Gleichgewicht, und es sucht die Feder 22 den Kolben gegenüber dem Gehäuse 17 in die in Fig. 6 gezeichnete gegenseitige Mittellage zurückzudrängen. Es wird sich nun innerhalb einer mit einem derartig ausgebildeten Katarakt versehenen Steuervorrichtung zwischen dem Fliehkraftregler 1, dem Katarakt 17 bis 22 und dem Steuerventil 2, 3 eine wechselseitige Beeinflussung so lange abspielen, bis ■ bei der neuen Belastung der Turbine sowohl das Steuerventil 2, 3 wie der Katarakt 17 bis 22 und der Geschwindigkeitsregler 1 in ihre Anfangslage zurückgekehrt sind, und die Wasserturbine dadurch ihre anfängliche Geschwindigkeit angenommen hat. Die Turbine hat auf diese Weise eine isodrome Regelung erfahren. Das Bild derselben ist in Fig. 8 wiedergegeben: Bis zur Zeit t_i herrschte der anfängliche Beharrungszustand bei einer gewissen Belastung. Die Umfaufszahl betrug hierbei M₄, und die Haupteinlaßorgane der Turbine waren um den Betrag O₄ geöffnet.

Nach der Entlastung erhöht sich die Geschwindigkeit der Turbine auf den Betrag M₆ und sinkt alsdann auf den Betrag M₀. Bis hierher ist der A^organg derselbe, wie weiter oben an Hand von Fig. 5 bis zur Zeit i₃ beschrieben wurde. Nun tritt jedoch die Wirkung der gespannten Feder 22 in Erscheinung. Das Kataraktgehäuse 17 und mit ihm der Steuerkolben 3 werden durch die Einwirkung dieser Feder so langsam, als es die kleine Bohrung im Kolben 18 erlaubt, etwas nach unten verschoben, so daß die Hilfskraftmaschine ihre Schließbewegung fortsetzt. Infolgedessen sinkt die Umlaufszahl von dem Betrag M₀ (Fig. 8), welcher dem Betrag M₃. in Fig. 5 entspricht, noch weiter, und der Steuerkolben 3 wird infolge des dadurch eingeleiteten Sinkens der Pendelmuffe wieder in die Mittellage zurückgestellt. Dieser Zustand sei zur Zeit i₇ erreicht. Die Haupteinlaßorgane sind um den Betrag O₇ geöffnet, der etwas kleiner ist, als der der neuen Belastung bei der normalen Umlaufszahl entsprechende Betrag. Die Umlaufszahl, hat augenblicklich den Wert ?f_T und ist infolge der etwas zu geringen Öffnung der Haupteinlaßorgane in fortdauerndem Sinken begriffen. Hierdurch würde sofort wieder eine Öffnungsbewegung eingeleitet, wenn nicht gleichzeitig das Kataraktgehäuse 17 mit dem Steuerkolben 3 unter dem Einfluß der Feder 22 gegenüber dem Kolben 18 weiter im Sinne des Schließens verschoben würde. Durch richtige Wahl der Bohrung im Kataraktkolben 18 kann erreicht werden, daß die durch das Sinken der Muffe des Federreglers bewirkte Bewegung des Kataraktkolbens 18 nach oben und diejenige des Kataraktgehäuses gegenüber dem Kolben nach unten sich aufheben, so daß der Steuerkolben 3 in seiner Mittellage verbleibt, bis der Ring 20.auf dem engen Teil des Kataraktgehäuses 18 wieder aufsitzt und die einseitige Wirkung der Feder 22 aufhört. In diesem Augenblick wird durch das weiter andauernde Sinken der Umlaufszahl bewirkt, daß die Haupteinlaßorgane der Wasserturbine wieder auf den der neuen Belastung entsprechenden Betrag O_s geöffnet werden, wodurch zur Zeit t_s der neue Beharrungszustand erreicht ist. Da in diesem neuen Beharrungszustand der Kataraktkolben. 18 wieder die gleiche Lage gegenüber dem Kataraktgehäuse 17 einnimmt, wie zur Zeit t_i vor Beginn des Reguliervorganges, so ist auch die Lage der Reglermuffe dieselbe, und die Umlaufszahl n_s nach beendigtem Reguliervorgang ist gleich der Umlaufszahl M₄ vor demselben.

In Fig. 9 ist gezeigt, wie gegenüber der einfacheren, in Fig. ι dargestellten Regelungsvorrichtung nicht nur statt des dort ersichtlichen Kataraktes 6, 7, der in den Fig. 6 bzw. 7 abgebildete, mit Rückdrängungsfedern ausge-

stattete Katarakt, sondern überdies in an sich bekannter Weise ein Rückführungsgestänge zwischen Hilfskraftmaschine bzw. Hauptregulierwelle 16 und Hebel 8 des Fliehkraftreglers eingebaut werden kann. . Diese Anordnung bezweckt, eine für gewisse Betriebe erforderliche Abhängigkeit zwischen der Belastung einerseits und der Umlaufszalil anderseits herzustellen. In Fig. 9 sind des leichteren Verständnisses wegen alle Teile, welche zu der in Fig. ι bzw. 6 abgebildeten Vorrichtung gleichartig sind, mit den schon dort eingeführten Ziffern versehen. Bei der Anordnung nach Fig. 9 ist die Drehachse 9 des Regulatorhebeis 8 nicht mehr im Raum fest, wie in Fig. i, sondern stützt sich auf das Rückführgestänge 24 bis 28. Durch dieses Gestänge wird der Punkt 9 bei jeder Bewegung der Hauptregulierwelle 16 verschoben, und zwar für eine gleichgerichtete Bewegung der Welle 16, z. B. im Sinn des Uhrzeigers, entweder nach oben oder nach unten, je nachdem die Lasche 27 auf der linken oder rechten Seite von der Mittelebene des um . den Punkt 23 drehbaren Doppelkniehebels 26 angreift. Die bleibende Verschiebung des Punktes 9 während eines Reguliervorganges bewirkt nun, daß die Muffe des Federregulators 1 gezwungen ist, zur Einstellung des neuen Beharrungszustandes eine veränderte Lage einzunehmen, woraus sich eine bleibende Veränderung der Umlaufszahl für die neue Belastung ergibt. Je nachdem nun der Angriffspunkt der Lasche 27 an dem horizontalen Arm des Doppelkniehebeis 26 mehr oder weniger vom Drehpunkt 23 dieses Hebels entfernt wird, wird der Unterschied in der Umlaufszahl zwischen bestimmten Belastungsgrößen ein größerer oder kleinerer sein. Bei der ausgezogen gezeichneten Lage der Lasche 27 "wird der Punkt 9 bei einer Schließbewegung der Hauptregulierwelle 16 gehoben, die Muffe des Federreglers 1 muß also nach beendigtem Reguliervorgang eine höhere Lage einnehmen, so daß der neuen kleineren Belastung eine höhere Umlaufszahl entspricht (positive Rückführung). Wird die Lasche 27 in die punktiert gezeichnete Lage 27« gebracht, so senkt sich Punkt 9 bei j eder Schließbewegung der Welle 16, so daß der Muffe des Federreglers nach dem Reguliervorgang eine tiefere Lage zugewiesen ist. Die Umlaufszahl ist alsdann bei der neuen, kleineren Belastung tiefer als vorher (negativeRückführung.)

In allen diesen Fällen wird durch die das Wesen dieser Erfindung bildende Vorrichtung ebenfalls eine, praktisch gesprochen, schwingungslose Regelungsweise erzielt. Der Regelungsvorgang spielt sich im allgemeinen ganz gleich ab, wie weiter oben für Isodromregulierung ohne Rückführung (Fig. 8) beschrieben wurde. Ein Unterschied besteht nur darin, daß während des Reguliervorganges bei sonst gleichen Verhältnissen eine kleinere oder größere Verschiebung des Kataraktkolbens 18 im Gehäuse 17 entsteht. Kleiner wird die Verschiebung, wenn die durch die Rückführung auf die Stange 10 übertragene Bewegung der vom Fliehkraftregler eingeleiteten entgegengesetzt ist, was bei positiver Rückführung der Fall ist. Größer wird die Verschiebung, wenn die Bewegungen von Rückführung und Fliehkraftregler im gleichen Sinne auf die Stange 10 einwirken.

Eine Darstellung des Verlaufes des Regelungsvorganges mit positiver und negativer Rückführung ist in Fig. 10 enthalten, wobei die ausgezogenen Kurven für positive, die strichpunktierten dagegen für negative Rückführung gelten. Bei der positiven Rückführung ist die zur Zeit t_ix erreichte Umlaufszahl M₁₁ nach beendigtem Reguliervorgang um einen gewissen Betrag höher als die Umlaufszahl w₀ vor der Entlastung. Umgekehrt ist bei der negativen Rückführung die nachherige Beharrungsumlaufszahl M₁₂, die zur Zeit f₁₂ erreicht wird, um einen gewissen Betrag geringer als diejenige vor der Entlastung.

In allen beschriebenen Fällen ist es für die Erreichung der schwingungslosen Regelung wesentlich, daß sofort nach der Umkehrung der Umlaufszahl der Steuerkolben 3 durch den Katarakt 17 bis 22 in seine Mittellage zurückgebracht wird, und daß hierfür nur eine sehr kleine rückgängige Bewegung der Umlaufszahl und eine sehr kurze Zeit erforderlich ist, wodurch erreicht wird, daß der zur Zeit der Umkehrung der Umlaufszahl stets herrschende Gleichgewichtszustand zwischen der in die Kraftmaschine eingeführten und der von derselben abgegebenen Kraft bis zur Beendigung der Regelungsvorganges wenigstens annähernd beibehalten wird.

Die in Fig. 6 ersichtliche Rückdrängungsfeder 21 tritt inTätigkeit bei einer Belastungszunähme der Turbine, wobei dann die Feder 22 in Ruhe bleibt.

Der Katarakt kann, statt mit Öl, auch mit Wasser o. dgl. gefüllt sein.

Die Federn können auch außerhalb des Kataraktgehäuses angebracht sein und an der Kolbenstange, statt am Kolben selbst, angreifen.

An Stelle des Kataraktes kann auch eine andere, in der Wirkung einem Katarakt ahnliehe Vorrichtung, z. B. eine Reibungskupplung, Verwendung finden.

Claims (2)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Vorrichtung zur Erzielung einer schwingungslosen. Regelung von Kraft-

   maschinen, · insbesondere Wasserturbinen, durch hydraulische, indirekt wirkende Geschwindigkeitsregler, dadurch gekennzeichnet, daß der Weg des Steuerorgans der Hilfskraftmaschine so gering ist, daß es an den Bewegungen des Federreglers nur innerhalb verhältnismäßig enger Grenzen teilnimmt, und daß am Steuergestänge ein nachgiebiges Glied, beispielsweise ein Katarakt, so angeordnet ist, daß der Federregler sich nach Erreichung der Endlagen des Steuerorgans weiterbewegen kann, dieses aber bei eintretender Bewegungsumkehrung augenblicklich im gleichen Sinne mitnimmt.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Katarakt Federn (21) angebracht sind, welche dessen Kolben nach jeder Verschiebung in die Mittellage zurückführen, um die zur Einhaltung einer bestimmten Umlaufsgeschwindigkeit der Kraftmaschine erforderliche bestimmte Stellung des Steuerorgans in Abhängigkeit vom Federregler nach jedem Regelungsvorgang wieder herzustellen.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.