DE288549C - - Google Patents
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- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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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 tx 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, ζα 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 t1} 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 iX) 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 ts 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 na 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 ti 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 ?fT
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 Os geöffnet werden, wodurch zur Zeit ts 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 ti vor Beginn des
Reguliervorganges, so ist auch die Lage der Reglermuffe dieselbe, und die Umlaufszahl ns
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 tix 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)
- 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. 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.
Publications (1)
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