DE430047C - Einrichtung zur Regelung des Zuflusses des Treibmittels bei Dampfturbinen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Regelung des Dampfzuflusses bei Dampfturbinen mit Düsenregelung und selbsttätig sich öffnenden und schließenden Einlaßorganen. Die Erfindung ist besonders geeignet, bei der Verwendung hoher Dampfspannungen (20 Atmosphären und mehr) eine möglichst genaue Anpassung des Zuflusses des Dampfes an die Belastung der Maschine herbeizuführen.

Im Gegensatz zu bekannten Regelungsverfahren ist das Verfahren nach der Erfindung einfach in seiner Wirkung und in den zu seiner Ausführung notwendigen Mitteln. Der erstrebte Zweck der Feinregelung, wie überhaupt die Verstellung der Einlaßorgane wird dabei mit großer Schnelligkeit und Zuverlässigkeit erreicht.

Nach der Erfindung wird die Regelungseinrichtung für jedes für eine Düsengruppe vorgesehene Einlaßorgan so durchgebildet, daß jedes Einlaßorgan in jeder Stellung zwischen seinen Endstellungen im'Gleichgewicht selbsttätig gehalten werden kann, daß also mit andern Worten eine besonders gute Feinregelung möglich ist. Bei bekannten Ausführungen, von Regeleinrichtungen mit einem Einlaßorgan für jede Düsengruppe findet eine so weitgehende Feinregelung nicht statt, da ein bestimmtes Einlaßorgan entweder ganz offen oder ganz geschlossen ist, nicht jedoch in einer Zwischenstellung geöffnet bleibt. Diese Feinregelung wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß das Einlaßorgan innerhalb des für die zugehörige Düsengruppe bestimmten Teiles des Regelbereiches des Drehzahlreglers durch Regeldampf beeinflußt wird, der aus dem Frischdampfraum an dem Einlaßorgan oder an einem mit dem Einlaßorgan verbundenen Kolben vorbei in eine für jede Düsengruppe gesondert vorgesehene Regelkammer strömt und dessen Abfluß aus dieser Regelkammer durch den Drehzahlregler veränderbar ist. Wird als Einlaßorgan beispielsweise ein Doppelsitzventil verwendet, so verbindet man mit diesem zweckmäßig einen besonderen Kolben, an dem der Regeldampf, der ein Teil des zur Maschine strömenden Arbeitsdampfes ist, vorbei in die Regelkammer strömt. Man kann aber auch als Becherventile ausgebildete Einlaßorgane verwenden, die dann in der Regelkammer mit Spiel gleiten. Der Abfluß des ! Regeldampfes aus der Regelkammer und da- : mit der in dieser Kammer herrschende Druck ! (im folgenden »Regeldruck« genannt) wird j unter den Einfluß des Drehzahlreglers gestellt, indem an sich bekannte, vom Drehzahlregler verstellbare Regelnadeln die Abflußöffnungen mehr oder weniger freigeben. Der aus der Regelkammer abfließende Teilstrom wird zweckmäßig einer Stufe niedrigeren. Druckes der Kraftmaschine zwecks weiterer Ausnutzung semes Arbeitsvermögens zugeführt oder außerhalb der Kraftmaschine verwertet. Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden bei der Beschreibung der Abbildüngen erwähnt, von denen Abb. 1 eine Einrichtung zeigt, bei der das Einlaßorgan als Doppelsitzventil ausgebildet ist. Abb. 2 zeigt eine Einrichtung mit als Becherventil ausgebildetem Einlaßorgan. Abb. 3 zeigt in sehematischer Darstellung die Anordnung mehrerer Einrichtungen nach Abb. 2 an einer Turbine sowie ihre Beeinflussung durch den Regler der Maschine. Abb. 4 zeigt die unter dem Einfluß des Reglers stehende, zur Verstellung der einzelnen Einlaßorgane dienende gemeinsame Vorrichtung im Schnitt.

In Abb. ι tritt bei Pfeil I Frischdampf in ein Ventilgehäuse i, das der Dampf in der Richtung des Pfeiles II verläßt, um zu den Düsen zu strömen. Im Gehäuse 1 ist ein als Doppelsitzventil ausgebildetes Einlaß-

*) Von dem Patentsucher sind als die Erfinder angegeben worden:

Otto Hermann Hartmann und Robert Uhde in Cassel-Wilhelmshöhe.

organ a angeordnet, dessen Spindel 3 nach oben verlängert ist., in einer Führung 4 dampfdicht gleitet und einen Kolben 5 sowie eine Feder 6 trägt. Der Kolben 6 gleitet mit etwas Spiel in einem Zylinder 7. Der Raum 8 oberhalb des Kolbens 5 steht durch eine Leitung 9 mit dem unterhalb des Ventils 2 befindlichen Raum des Gehäuses 1 in Verbindung, so daß Frischdampf in Richtung der Pfeile III und IV über den Kolben 5 treten kann. Der Raum 10 unterhalb des Kolbens öffnet in einen Kanal 11, der durch eine Regelnadel 12 ganz oder teilweise verschlossen werden kann. Die Regelnadel 12 ist in einer Kammer 13 verschiebbar, die eine Bohrung 14 aufweist. Die Verschiebung der Regelnadel kann durch Angriff eines vom Regler der Maschine betätigten Gestänges an der Kurbel 15 erfolgen.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung nach Abb. ι ist folgende: Beim Stillstand der Maschine (also ohne Dampf) ist das Ventil 2 infolge der Wirkung der Feder 6 geöffnet. Der Kanal 11 ist durch die Nadel 12 geschlossen. Beim Anfahren tritt Frischdampf durch das geöffnete Ventil zu den Düsen und gleichzeitig durch die Leitung 9 über den Kolben 5. Infolge des geringen Spielraumes zwischen Kolben 5 und Wandung des Zylinders 7 tritt der Frischdampf auch sofort in den unterhalb des Kolbens befindlichen Raum 10, der zusammen mit dem Kanal 11 die Regelkammer bildet. Dieselben Verhältnisse herrschen bei den für die übrigen Düsengruppen vorgesehenen Einlaßorganen nebst Regeleinrichtungen, die ebenfalls nach Abb. 1 ausgebildet sein können. Sobald die Maschine die Drehzahl erreicht hat, bei der der Regelbereich des Drehzahlreglers anfängt, beginnt auch der Regler durch die Regelnadel 12 die Regelkammer der ersten Düsengruppe zu öffnen, so daß ein Teil des darin befindlichen Dampfes durch Bohrung 14 ausströmen kann. Mit dem Ausströmen des Dampfes aus der Regelkammer beginnt der Druck in dieser Kammer, der Regeldruck, zu sinken. Da jedoch istets Dampf vom Druck des Frischdampfes aus dem Raum 8 in die Regelkammer durch den gleichbleibenden freien Querschnitt zwischen KoI-ben und Zylinderwandung nachströmt, kann der Regeldruck nur so weit sinken, als der jeweiligen Öffnung durch die Stellung der Regelnadel entspricht. Infolge des Sinkens des Regeldrucks schiebt der im Raum 8 herrschende Frischdampfdruck den Kolben 5 und damit das Ventil 2 nach unten, schließt also das Ventil etwas, bis wieder Gleichgewicht zwischen den auf den Kolben wirkenden Kräften (Frischdampfdruck einerseits, Regeldruck und Federdruck andererseits) herrscht. Bei weiterem Steigen der Drehzahl öffnet der Regler durch die Nadel 12 die Regelkammer mehr und mehr bis zur völligen Öffnung, der Regeldruck sinkt weiter und das Ventil wird weiter geschlossen, bis es bei genügender Öffnung der Regelkammer ganz geschlossen ist. Der Vorgang des Schließens des ersten Ventils ist nach einem Bruchteil des Regelbereichs des Drehzahlreglers beendet. Hiernach oder schon kurz vorher beginnt derselbe Vorgang bei dem zweiten zur folgenden Düsengruppe gehörenden Einlaßorgan, dann bei dem dritten und so fort, bis bei Erreichen der höchsten Drehzahl, bei der der Regler noch regelt;, sämtliche Einlaßorgane bis auf das letzte geschlossen sind.

Sinkt bei Belastung der Turbine die Drehzahl, so wird durch den fallenden Regler ein Ventil nach dem andern jetzt in umgekehrter Reihenfolge geöffnet, bis bei Vollast sämtliche Ventile offen sind. Das Öffnen eines Ventils geschieht dadurch, daß durch den Drehzahlregler und die Regelnadel 12 die ■ Regelkammer geschlossen wird und infolgedessen der Regeldruck steigt, der zusammen mit der Ausgleichkraft der Feder 6 das Ventil entgegen dem oben auf den Kolben wirkenden Frischdampfdruck anhebt.

Statt des gezeichneten Doppelsitzventils 2 können auch Ventile anderer Art, beispielsweise Kolbenventile, Becherventile, verwendet werden. Die Frischdampfzuleitung 9 könnte auch in den Raum unterhalb des Kolbens 5 münden. Dann würde der Kanal 11 mit Regelnadel an den Raum oberhalb des KoI-bens angeschlossen sein und die Feder 6 müßte statt auf Öffnung des Ventils, wie in der gezeichneten Stellung, auf Schluß des Ventils wirken. Die Wirkungsweise des Ventils und der Regeleinrichtung wäre dann sinngemäß die gleiche.

Bei der in Abb. 2 dargestellten Ausführungsform ist ein Ventil 15° gezeigt, das den Frischdampfraum 16 gegen eine Bohrung 17 abschließen kann, die zur zugehörigen Düsengruppe 18 führt. In Abb. 3 sind mehrere ' solcher Düsengruppen 18 gezeigt, die am Um- : fang der Turbine angeordnet sind. Das Ventil 15° ist in Becherform ausgebildet, das in einer Kammer 19 gleitet, welche zugleich die : Regelkammer für das Ventil bildet. Zwij sehen dem Kolben des Ventils und der Wandung der Kammer 19 ist ein geringer Spiel-J raum, durch den Frischdampf aus dem Frischdampfraum 16 in die Regelkammer 19 eintreten kann. Ebenso wie bei der in Abb. 1 gezeigten Einrichtung bleibt der Querschnitt, durch den Frischdampf in die Regelkammer eintreten kann, in allen Stellungen des Ventils gleich. Die Regelkammer 19 steht durch Bohrungen 20 und 21 mit einer Bohrung 22 in Verbindung, an die in diesem Fall die Regel-

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leitung angeschlossen ist, die zur Regelnadel führt. Das Ventil 15« trägt eine im Ausführungsbeispiel lose aufgesetzte Spindel 23, die sich gegen einen Teller 24 einer Feder 25 stützt und dampf dicht in einer Büchse 26 gleitet.

Dadurch, daß für jedes Einlaßorgan einer Düsengruppe der Abb. 1 und 2 oder, wenn mehrere kleinere Einlaßorgane bei jeder Düsengruppe vorhanden sind, für alle Einlaßorgane einer Düsengruppe gemeinsam eine gesonderte Regelkammer vorgesehen ist, die nicht mit den Regelkammern der anderen Düsengruppen in Verbindung steht, kann eine empfindliche Feinregelung für Belastungsänderungen innerhalb des Bruchteils des Regelbereichs des Drehzahlreglers, der für eine Düsengruppe in Betracht kommt, vorgenommen werden, ohne daß Verschiedenheiten in den für die Betätigung der Einlaßorgane wirksamen Größenverhältnissen (Feder, Abmessungen des Kolbens und der Regelkammer) vorhanden sind. Das Einlaßorgan kann in jeder Zwischenstellung zwischen der geöffneten und der geschlossenen Stellung sowie in einer dieser beiden Stellungen dadurch festgehalten werden, daß die darauf wirkenden Kräfte des Regel- und Federdrucks einerseits und des Frischdampfdrucks andererseits im Gleichgewicht sind. Kleinste Belastungsänderungen rufen eine Verstellung der Regelnadel 12 und damit eine Veränderung des Regeldrucks hervor, wodurch ein Anheben oder Senken des Kolbens oder des Ventils um den zum Ausgleich der Belastungsänderung erforderlichen Betrag veranlaßt wird.

In den Abb. 3 und 4 ist schematisch eine Vorrichtung gezeigt, mit der man von einer einzigen Stelle aus durch ein vom Regler beeinfiußtes Gestänge den Regeldruck in den Regelkammern der Einlaßorgane aller Düsengruppen gemeinsam regeln kann. Von den Bohrungen 22 der Ventile, die mit den Regel- J kammern in Verbindung stehen, führen Rohrleitungen, z.B. enge Kupferröhrchen 26, 27, 28, 29, 30 und 31 zu einem Gehäuse 32, in dem die Regelnadeln 33, 34, 35, 36, 37 : und 38 aller Einlaßorgane angeordnet sind. : Diese Regelnadeln tragen am äußeren Ende j Kurbeln 39, die mit einem Gestänge 40 ver- j bunden sind, das von der Hülse des Reglers j

41 verstellt werden kann. Eine Abflußleitung

42 führt den Regeldampf aus dem Gehäuse 32 zur weiteren Verwendung in einer Arbeitsstufe mit geringerem Druck oder in einer Kochheizanlage ab. .43 und 44 sind Leitungen oder Öffnungen, durch die Dampf zum An;-heben der Ventile, Anfahren der Turbine, gegebenenfalls auch zum Teilbetrieb des Leerlaufes zugeführt werden kann.

Bei der Ausführungsform der Abb. 2 bis 4 tritt beim Anfahren der Maschine nach Öffnung der Hauptabsperrung in bekannter Weise Dampf durch ein Ventil mit Leitung 43 oder eine nicht verschließbare Öffnung 44 oder Düsengruppe 45 in die D.üsengruppen. Dabei sind zunächst sämtliche Regelnadeln 33 bis 38 geöffnet, die Regelräume also ohne Druck. Die Ventile 15 werden durch den in der Turbine und in den Düsenkammern tretendejn herrschenden Frischdampfdruck angehoben, und die Federn 25 werden gespannt. Ist die Drehzahl erreicht, bei der der Drehzahlregler 41 zu regeln beginnt, so steigt die Hülse dieses Reglers und senkt das Gestänge 40. Die Regelnadeln 33 bis 38 sind so eingestellt, daß während eines ersten Bruchteils des Regelbereichs des Drehzahlreglers zunächst beispielsweise die oberste Nadel 33 geschlossen wird, dann während des nächsten Bruchteils die zweite Regelnadel 34 usf., bis sämtliche Regelnadeln geschlossen sind. Dadurch wird der Druck in den verschiedenen Regelkammern erhöht, und es schließen sich nacheinander die zugehörigen Ventile 15. Der Bruchteil des Regelbereiches, der zum Schließen einer Regelnadel erforderlich ist, richtet sich nach der Anzahl der vorhandenen Düsengruppen mit geregelten Einlaßorganen, die behebig gewählt werden kann.

In der in Abb. 4 gezeichneten Stellung sind die Regelnadeln auf Leerlauf eingestellt. Die Nadeln 33 bis 37 einschließlich haben geschlossen, während die Nadel 38 den Regelraum so weit geöffnet hat, daß das zugehörige Ventil 15 den zur Deckung der Leerlaufarbeit notwendigen Dampf durchläßt. Wird die Maschine belastet und fällt der Regler 41, so hebt sich Gestänge 40, die Regelnadel 38 öffnet mehr, wodurch mehr Regeldampf aus der Regelkammer 19 ,abfließen kann und der Regeldruck fällt, bis sich bei gleichbleibender Belastung auch gleichbleibender Regeldruck einstellt und .das Ventil "15« in einer diesem Regeldruck und dem Federdruck entsprechenden mehr geöffneten Stellung gehalten wird. Dieser Beharrungszustand .dauert so lange, als die Belastung unverändert bleibt. Wächst die Belastung weiter, so öffnet die Regelnadel 38 noch mehr, der Regeldruck sinkt weiter und das Ventil ΐζ^α wird, sofern dieser neue .Belastungszustand andauert, in einer weiter geöffneten Stellung durch den neuen Gleichgewichtszustand der wirkenden Kräfte (Frischdampfdruck einerseits, Regeldruck und Federdruck andererseits) festgehalten. Bei weiter steigender Belastung öffnet schließlich die Regelnadel 38 und damit das zugehörige Ventil ΐζ^α ganz. Dann eröffnen nacheinander die Regelnadeln 37 und 33 in dieser Reihenfolge und damit die von ihnen, beeinflußten Ventile 15«. Bei jeder Nadel kann sich der geschil-

derte Vorgang der Feinregelung wiederholen, bei der ein Festhalten jedes Ventils 15« in beliebiger Stellung herbeigeführt werden kann. Statt der dargestellten Regelnadeln. können andere Regelvorrichtungen verwendet werden, sofern sie in ebenso feiner und genauer Weise die Einstellung des Regeldrucks vornehmen können. Auch diese Regelvorrichtungen können gemeinsam angeordnet werden, so daß die Regelung von einer Stelle aus erfolgen kann. Zwischen jeder Regelkammer und der Regelvorrichtung kann ein Pufferraum vorgesehen sein, dessen Inhalt ein Vielfaches des Regelraums und der Regelleitungen ist und durch den verhindert wird, daß Schwingungen, besonders des Drehkraftreglers, in zu starkem Maße auf die Einlaßorgane übertragen werden. Die Anordnung eines solchen Pufferraums sowie auch die eines Sicherheitsreglers ändern nichts am Wesen der Erfindung.

Beim Anwärmen der Turbine werden die Regelleitungen der Ausführungsform 2 bis 4 zweckmäßig durch kleine Ventile oder auch die gemeinsame Abflußleitung 42 durch ein Ventil geschlossen, um Dampfverluste zu vermeiden.

Sind mehrere Einlaßorgane für jede Düsengruppe vorhanden, so wird vorteilhaft für alle Einlaßorgane einer Gruppe eine gemeinsame Regelkammer vorgesehen und der Regeldruck durch Regelung des Abflusses des Dampfes aus dieser Kammer verändert. Gegebenenfalls kann für alle Einlaßorgane einer Gruppe eine gemeinsame Feder vorgesehen sein.

Statt durch Federn kann auch beispielsweise durch Luftpuffer, Gummipuffer, die mit dem Regeldruck zusammenwirkende Ausgleichkraft bewirkt werden. Die außenliegenden Federn sowie der dauernde Durchfluß von Dampf durch den freien Querschnitt um den Kolben oder das Ventil gewährleisten ein dauernd gutes zuverlässiges Arbeiten der Einrichtung.

Der besondere Vorteil der Einrichtung nach der Erfindung liegt in den einfachen Mitteln, die ohne besonderes Kraftgetriebe und ohne zusätzliches Druckmittel, wie. z. B. Öl, eine schnelle und sichere Regelung bewirken. Das Fehlen eines besonderen Kraftgetriebes ermöglicht eine radiale Anordnung der Einlaßorgane mit beliebiger Verteilung am Umfang des Turbinenrades.

Claims (7)

1. Patent-Ansprüche:

   ι. Einrichtung zur Regelung des Dampf-Zuflusses bei Dampfturbinen mit Düsenregelung und durch Frischdampf- und Federdruck sich selbsttätig öffnenden und schließenden Einlaßorganen, gekennzeichnet durch ein für jede Düsengruppe vorgesehenes Einlaßorgan, das zwecks Feinregelung innerhalb des für die zugehörige Düsengruppe bestimmten Teiles des Regelbereichs des Drehzahlreglers durch Regeldampf beeinflußt wird, der aus dem Frischdampfraum an dem Einlaßorgan oder an einem mit dem Einlaßorgan verbundenen [Kolben vorbei in eine für jede Düsengruppe gesondert vorgesehene Regelkammer strömt und dessen Abfluß aus dieser Regelkammer durch den Drehzahlregler veränderbar ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Regelkammer abfließende Regeldampf einer Stufe niedrigeren Druckes der Kraftmaschine zwecks weiterer Ausnutzung seines Arbeitsvermögens zugeführt oder außerhalb der Kraftmaschine verwertet wird.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die Einlaßorgane der verschiedenen Düsengruppen nacheinander geöffnet oder geschlossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die diese Bewegungen der Einlaßorgane einleitenden Regeldrücke trotz der bei Öffnung und Schluß der einzelnen Einlaßorgane verschiedenen Reglerstellungen gleich groß sind, so daß die Federn gleiche Abmessungen erhalten können.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelbereich des Einlaßorgans jeder Düsengruppe den des Einlaßorgans der nächsten Düsengruppe überdeckt.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine für jedes Einlaßorgan zur Regelung des Abflusses des Regeldampfes aus der Regelkammer vorgesehene Regelnadel (33), die unter dem Einfluß des Reglers (41) den Druck des neben dem Einlaßorgan (ιζ") austretenden Regeldampfes regelt.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet., daß die Regelnadeln (33 bis 38) mehrerer oder aller Düsengruppen zu einem Ganzen vereinigt sind und durch ein vom Regler (41) beeinflußtes Gestänge (39, 40) gemeinsam betätigt werden.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßorgane radial am Umfang der Turbine angeordnet sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.