DE438868C - Regler mit Hilfskraftmaschine fuer Kraftmaschinen - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 31. DEZEMBER 1926

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 60 GRUPPE 15 (T 30337 IiSo)

g. Dieter Thoma in München. Regler mit Hilfskraftmaschine für Kraftmaschinen.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 12. Mai 1925 ab.

Die Geschwindigkeitsreglung von Wasserturbinen wird fast immer durch die Trägheit des Wassers in den Wasserzuleitungen und den Wasserableitungen gestört, bei offen eingebauten Turbinen hauptsächlich durch die

Trägheit des Wassers im Saugrohr, bei Turbinen mit Rohrleitungen außerdem (und zwar oft sehr stark) durch die Trägheit des Wassers in der Rohrleitung. Wenn beispielsweise die öffnung der Leitschaufeln bzw. der Düse

plötzlich um ein geringes verkleinert worden ist, um die Turbinenleistung einer verminderten Belastung anzupassen, wird im ersten Augenblick, infolge der Trägheit des Wassers in den Zu- und Ableitungen, die Wassermenge noch unvermindert sein; da dieser unverminderten Wassermenge jedoch nur eine geringere Durchflußöffnung zur Verfügung steht, ergibt sich eine Drucksteigerung vor der Leitvorrichtung und gegebenenfalls eine Drucksenkung im Saugrohr, also eine Erhöhung des an der Turbine wirksamen Gefälles. Von dem die Turbinenleistung bestimmenden Produkt: Wassermenge mal wirksames Gefälle, ist also zur nächst der erste Faktor unverändert geblieben, der zweite größer geworden; die Leistung der Turbine ist also zunächst gestiegen. Erst eine gewisse Zeit später, wenn die ao Wassermenge genügend abgenommen hat, tritt die beabsichtigte Leistungsverminderung ein.

Es sei nun beispielsweise angenommen, daß die von der Turbine angetriebene Maschine von der Vollast auf 0,9 der Vollast entlastet worden ist. Der Regler wird infolge des Ansteigens der Drehzahl die Leitvorrichtung schießen. Wenn er die Öffnung bis auf 0,9 verkleinert hat, ist nach obigem der Leistungsausgleich noch nicht erreicht; auch die Wassermenge wird — infolge des gestiegenen wirksamen Gefälles — noch größer sein als 0,9 der Vollmenge. Der Regler wird also die Schließbewegung fortsetzen. Nach Ablauf einer gewissen Zeit, beispielsweise wenn die Öffnung auf 0,8 verkleinert worden ist, wird die Wassermenge auf 0,9 der Vollmenge herabgegangen sein. Gleichwohl ist die Leistung jetzt noch größer als die Belastung: das wirksame Gefälle ergibt sich nämlich aus der Bedingung, daß 0,9 der Vollmenge durch 0,8 der Vollöffnung hindurchgedriickt wird als das ί ^i) =1,27 fache des Normalgefälles; die Turbinenleistung, entsprechend dem Produkt Wassermenge -mal Gefälle, ist also noch das 0,9 · 1,27 = 1,14-fache der Volleistung, also erheblich größer als die Belastung. Die Drehzahl ist somit in diese'm Augenblick noch stark im Steigen begriffen. Wenn jedoch dessen ungeachtet in diesem Augenblick der Regler — etwa von außen her durch eine alle Wirkungen überblickende Intelligenz — so beeinflußt würde, daß er die öffnung auf 0,9 vergrößert, dann wäre vollkommener Leistungsausgleich erreicht, da ja beim Durchfluß von 0,9 der Vollmenge durch eine Öffnung· gleich 0,9 der Vollöffnung das normale Gefälle auftritt und so~ mit die Leistung gleich 0,9 der Volleistung wird. (Das Herabbringen der gestiegenen ¹ Drehzahl auf den normalen Wert könnte •.dann in einem sekundären Vorgang langsam bewirkt werden.) Durch das plötzliche öffnen von 0,8 auf 0,9 ist also die Leistung auf die gewünschte Größe herabgesetzt und gleichzeitig der Beharrungszustand in" der Wasserzuleitung und Wasserableitung erreicht worden. Regler der bekannten Bauarten sind jedoch nicht befähigt, die Leitvorrichtung zu öffnen, während die Drehzahl noch im Steigen begriffen ist; eben deswegen mußte ein äußerer Eingriff vorausgesetzt werden. Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, jene Bewegung selbständig einzuleiten.

Sofern die plötzliche Belastungsänderung nicht so groß ist, daß die Hubbegrenzungen des Steuerorgans zur Wirkung kommen, muß, unabhängig von der speziellen Größe der Belastungsänderung, die Umkehrung der Bewegungsrichtung der Leitvorrichtung immer eine bestimmte Zeit nach dem Eintritt der Belastungsänderung erfolgen. Es wird deswegen nach der vorliegenden Erfindung in die Steuerteile ein zeitempfindliches Element derart eingeschaltet, daß nach einer Entlastung und der zuerst eingetretenen Schließbewegung der Leitvorrichtung eine Wiederöffnung derselben bei noch steigender Drehzahl und umgekehrt nach einer Belastungsvergrößerung und der zuerst eingetretenen Öffnungsbe\vegung eine Schließbewegung bei noch fallender Drehzahl hervorgerufen wird. Die in dem oben beschriebenen Idealfalle vorausgesetzte Plötzlichkeit dieser Bewegungen wird dabei nicht verwirklicht, da sie praktisch weder erreichbar noch erwünscht ist; in Wirklichkeit greifen die einzelnen Phasen der Bewegung übereinander, so daß ein ausgeglichenes, von Unstetigkeiten befreites Ab- 1°° bild des gedachten Idealfalles entsteht.

Um die konstruktive Ausbildung der Neuerung deutlich hervortreten zu lassen, sei zunächst der Zusammenhang der Steuerungsteile bei einem Regler bekannter Bauart mit nachgiebiger Rückführung beschrieben. In Abb. ι bedeutet a das Fliehkraftpendel, dessen Muffe durch den Rückführhebel b das Steuerventil c betätigt. Das Steuerventil leitet Drucköl auf die obere oder die untere Seite des Arbeitskolbens d. Die Kolbenstange ist bei e an die Leitvorrichtung der Turbine angeschlossen. Die Einrichtung ist dabei so getroffen, daß durch ein Anheben des Steuerventils der Arbeitskolben d nach unten gedrückt und dadurch die öffnung der Leitvorrichtung der Turbine verkleinert wird. Auf der nach oben durchgeführten Kolbenstange ist das Nachgebegetriebe f angeordnet, welches hier als Reibradgetriebe angenommen ist. In das obere Ende der Kolbenstange ist nämlich ein Gewinde eingeschnitten, in welches

die hülsenförmige Mutter g eingreift, die oben durch ein Kugelgelenk (welches auch die Drehung der Mutter um ihre eigene Achse zuläßt) mit dem rechten Endpunkt des Rückführungshebels verbunden ist. Die Mutter g trägt die kreisförmige, in der Abbildung im Schnitt erscheinende Reibrolle h. Gegen die Reibrolle h wird die Reibscheibe / durch einen auf ihrer Welle k wirkenden Federdruck

ίο (Pfeil rechts) dauernd angedrückt. Die Reibscheibe läuft, durch ein nicht gezeichnetes Getriebe angetrieben, dauernd um; die Lager sind fest. Der Drehsinn muß dem eingezeichneten Pfeil entsprechen, wenn das Gewinde ein Rechtsgewinde ist.

Die Wirkungsweise dieser Steuerung ist bekanntlich folgende. Nach einer Entlastungeiner Turbine steigt die Muffe des Fliehkraftpendels, der Arbeitskolben wird durch den vom Steuerventil geschalteten Öldruck nach abwärts geschoben und verkleinert die Leitradöffnung der Turbine. Die Mutter g wird zunächst nach unten mitgenommen, dabei wird die Reibrolle h durch die Reibscheibe i in Drehung versetzt, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die ihrer Abweichung aus der Mittellage proportional ist; sie schraubt sich deswegen allmählich in ihre Mittellage zurück.

Um . sich davon zu überzeugen, daß ein solcher Regler beispielsweise nach einer Entlastung der Turbine die Bewegungsrichtung des Kraftkolbens immer erst dann umkehrt, wenn die Drehzahl das Maximum bereits überschritten hat und wieder zurückgeht, darf man die vereinfachende Annahme machen, daß der Hub des Steuerventils verschwindend klein bleibt; diese Annahme ist zulässig, weil bei der üblichen Bauart der Steuerventile schon sehr kleine Hübe genügen, um sehr große Geschwindigkeiten des Kraftkolbens auszulösen, somit die Abweichung des Steuerventils aus der Mittellage im Vergleich zu den Bewegungen der anderen Steuerungsteile vernachlässigt werden darf. Der Mittelpunkt des Rückführhebels b bleibt somit mit großer Annäherung in Ruhe. Man betrachte nun den Augenblick, in welchem die Drehzahl ihren höchsten Wert erreicht hat: dann ist die Muffe des Fliehkraftpendels in Ruhe und deswegen auch der "rechte Endpunkt des Rückführhebels b, wobei die Pendelmuffe oberhalb, der rechte Endpunkt des Rückführhebels um ein entsprechendes Stück unterhalb der gezeichneten Stellung stehen. Die Reibrolle ist deswegen in Drehung begriffen, und die Mutter g verschiebt sich relativ zur Kolbenstange nach oben. Da die Höhenlage der Mutter nach obigem in diesem Augenblick gleichbleibend ist, kann dieser Zustand nur dadurch eintreten, daß die Kolbenstange noch ' eine nach unten gerichtete Absolutgeschwin- digkeit hat, die Turbinenöffnung also noch im Abnehmen begriffen ist. Die Geschwin- ; digkeit des Kraftkolbens wird erst dann Null, wenn die Drehzahl bereits mit einer bestimmten Schnelligkeit abfällt. Zu demselben Ergebnis gelangt man übrigens, wenn man die Annahme, daß die Hübe des Steuerventils \-erschwindend klein seien, fallen läßt.

Die Regler der bekannten Bauart bewirken also hinsichtlich der Bewegungsumkehr des j Kraftkolbens gerade das Gegenteil dessen, was für eine möglichst gute Regelung erwünscht .ist, indem sie die Bewegungsumkehr nach dem Durchschreiten des Extremwertes der Drehzahl, statt vor demselben, einleiten. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der bei den Reglern der bekannten Bauart vorhandenen (positiven) Rückführungsbewegung noch eine zweite im umgekehrten Sinne wirkende (negative) Rückführungsbewegung hinzugeführt. Abb. 2 zeigt schematisch eine beispielsweise Ausführungsform der neuen 'Steuerung. Die Bezeichnungen α bis einschließlich f haben dieselbe Bedeutung wie bei Abb. ι. Der rechte Endpunkt des Rückführhebels b ist durch einen Lenker mit dem mittleren Punkte des gleicharmigen Hebels Z verbunden. Der linke Endpunkt des Hebels I wird durch das Nachgebegetriebe f von der Kolbenstange des Kraftkolbens in ähnlicher Weise bewegt wie bei dem Regler nach Abb. 1 der rechte Endpunkt des Rückführhebels h. An die Kolbenstange ist ferner der Hebel in angeschlossen, welcher die Spindel η und damit das Nachgebegetriebe 0 im umgekehrten Sinne betätigt. Die hülsenförmige Mutter des Nachgebegetriebes 0 ist .unter Zwischenschaltung eines Kugelgelenkes und eines Lenkers an den rechten Endpunkt des Hebels I angeschlossen. Das Nachgebegetriebe ο ist für schnelleres Nachgeben bemessen als das Nachgebegetriebe /, d. h. die Proportionalitätskonstante, die, mit der Abweichung der Reibrolle aus ihrer Mittellage multipliziert, deren Nachgebegeschwindigkeit relativ zu der Spindel angibt, ist beim Getriebe 0 größer als beim Getriebe f. Damit die Stabilität der Regulierung erhalten bleibt, muß die positive Rückführungsbewegung größer sein als die negative, d. h. in dem Schema der Abb. 2 muß der Hebel m in dem aus der Abbildung ersichtlichen Sinne ungleicharmig sein, wenn der Hebel I gleicharmig ist.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende. Nach einer plötzlichen Entlastung der Turbine bewegen sich zunächst die Kraftkolben d und die Gewindespindel des Nachgebegetriebes f nach oben, die Spindel des Nachgebegetriebes 0 nach unten. Zunächst sind die Reibrollen der beiden Nachgebege-

triebe noch wenig aus ihrer Mittelstellung verschoben, so daß die Relativgeschwindigkeiten der beiden Hülsenmuttern zu den Schraubenspindeln vernachlässigt werden können, die Bewegung des Hebels I also fast ebenso erfolgt, als ob die Nachgebegetriebe durch starre Verbindungen ersetzt wären. Es besteht deswegen nur ein verhältnismäßig kleines Übersetzungsverhältnis zwischen dem ίο Kraftkolben und dem rechten Endpunkt des Rückführhebels b, d. h. der Regler wirkt zunächst ebenso wie ein gewöhnlicher Regler mit kleinem UngleichfÖrmigkeitsgrade und beginnt die Turbinenöffnung mit großer Geschwindigkeit zu schließen. Im weiteren Verlauf der Bewegung werden die Reibrollen der Nachgebegetriebe erheblich aus der Mittellage verschoben; dies hat besonders bei dem Nachgebegetriebe 0, welches für schnelleres Nachgeben bemessen ist, die Folge, daß die Absolutverschiebung der Hülsenmuttern und damit auch die Bewegung des rechten. Endpunktes des Hebels I sich erheblich verlangsamen, während bei dem Nachgebegetriebe/ infolge seiner kleineren Nachgebegeschwindigkeit die Wirkung des Nachgebens nicht so stark bemerkbar wird. Der Einfluß der negativen Rückführung geht somit stark zurück, und der Regler arbeitet jetzt annähernd so, als ob der rechte Endpunkt des Hebels I fest wäre, d. h. ähnlich wie ein gewöhnlicher Regler mit großem UngleichfÖrmigkeitsgrade; die Geschwindigkeit des Kraftkolbens wird somit abnehmen. Sobald aber die Geschwindigkeit des Kraftkolbens abnimmt, wird natürlich auch die Aufwärtsbewegung der Gewindespindel η des Nachgebegetriebes 0 langsamer. Da die Reibrolle dieses Getriebes durch die im vorigen Zeitabschnitt vorhanden gewesene große j Spindelgeschwindigkeit aus ihrer Mittellage erheblich nach oben verschoben worden ist, überwiegt nunmehr die der Hülsenmutter j durch die Reibscheibe aufgeprägte, nach j unten gerichtete ' Relativgeschwindigkeit (relativ zur Gewindespindel) die Absolutgeschwindigkeit der Spindel, so daß der rechte Endpunkt des Hebels I herabzugehen ' beginnt. Dadurch wird das Steuerventil c nach unten verstellt und die Öffnungsbewegung des Kraftkolbens eingeleitet.

Um den Zustand im Augenblick der Bewegungsumkehr des Kraftkolbens einfach zu beschreiben, sei zur Vereinfachung angenommen, daß die Nachgebegeschwindigkeit des Nachgebegetriebes f verschwindend klein sei. Dann ist in jenem Augenblick der linke Endpunkt des Hebels I in Ruhe (da der Kraftkolben in Ruhe ist), während der rechte End- ! punkt des Hebels I sich, infolge des Nach- . gebens des Getriebes 0 nach abwärts bewegt; somit hat auch der rechte Endpunkt des Hebels b eine nach abwärts gerichtete Geschwindigkeit. Da — bei vernachlässigbar kleinem Steuerventilhub — der mittlere Punkt des Hebels b in Ruhe bleibt, haben der linke Endpunkt des Hebels b und mit ihm die Muffe des Fliehkraftpendels eine nach oben gerichtete Geschwindigkeit, d.h. die Drehzahl ist noch im Steigen begriffen. Die Steuerung bewirkt also, wie gewünscht, die Umkehrung der Bewegungsrichtung des Krafkolbens auf »Öffnen« schon zu einer Zeit, bei der die Drehzahl noch steigt.

Die im obigen in einzelnen Abschnitten beschriebenen Bewegungsvorgänge greifen in Wirklichkeit stetig übereinander. Um die Bewegungen zahlenmäßig genau zu ermitteln, kann man die Bewegung der Steuerungsteile und den Verlauf der Drehzahlschwankungen der Turbine für eine kleine Schwingung um eine Gleichgewichtslage nach bekannten Methoden rechnerisch verfolgen.

Eine noch bessere Wirkung der Steuerung wird dadurch erreicht, daß man die negative Rückführungsbewegung durch zwei hintereinandergeschaltete Nachgebegetriebe hindurchleitet. Ein Ausführungsbeispiel eines derartigen Reglers ist in Abb. 3 schematisch dargestellt. Die Bezeichnungen α bis einschließlich 0 haben dieselbe Bedeutung wie in Abb. 2. Die hakenförmige Mutter p des Nachgebegetriebes 0 ist hier jedoch durch ein Kugelgelenk mit der Schubstange q verbunden, welche in der Führung r verschiebbar, jedoch an einer Drehung um ihre Längsachse verhindert ist. Die Schubstange q trägt oben das Gewinde für das Nachgebegetriebe s. Die hülsenförmige Mutter dieses Nachgebegetriebes betätigt, unter Zwischenschaltung eines Kugelgelenkes und eines Lenkers, das rechte Ende des Hebels I.

Während bei der Steuerung nach Abb..2 nach einer Entlastung eine Abwärtsbewegung des rechten Endpunktes des Hebels I an die Voraussetzung geknüpft ist, daß die Schließgeschwindigkeit des Kraftkolbens abgenommen hat, tritt bei der Anordnung nach Abb. 3 die Abwärtsbewegung auch bei gleichbleibender Kolbengeschwindigkeit ein. Um ein Bild über die Bewegungsverhältnisse der beiden hintereinandergeschalteten Nachgebegetriebe zu erhalten, sei angenommen, daß bis zur Zeit t=o Beharrungszustand vorhanden war und daß zur Zeit t=o die Gewindespindel des unteren Nachgebegetriebes plötzlich die nach oben gerichtete, in der Folgezeit gleichbleibende Geschwindigkeit ν annimmt. Nimmt man nun der Einfachheit halber an, daß die beiden Nachgebegetriebe ο und s· gleich sind, und 'bezeichnet die obenerwähnte Proportionalitätskonstante für die Nachgebe-

geschwindigkeit jedes einzelnen Getriebes mit c, die Abweichung der Stange q aus der Mittelstellung mit x, die Abweichung des rechten Endpunktes des Hebels I aus der Mittelstellung mit y, so ergibt eine einfache Rechnung

und

vte-^ct

.(β = 2,718...).

Der Verlauf von χ und y ist in Abb. 4 angegeben. Man ersieht, daß y zur Zeit £ = —

ein Maximum erreicht und dann wieder abnimmt. Somit tritt eine Abwärtsbewegung des rechten Endpunktes des Hebels Z auch bei gleichbleibender Kolbengeschwindigkeit ein.

Damit die Stabilität der Regulierung erhalten bleibt, muß, ebenso wie bei einem Regler nach Abb. 2, die positive Rückführungsbewegung größer sein als die negative, d. h. der Hebel m muß in dem aus Abb. 3 er- |

sichtlichen Sinne ungleicharmig sein, wenn der Hebel / gleicharmig ist. Dagegen brauchen bei einem Regler nach Abb. 3 die Nachgebegeschwindigkeiten der Nachgebegetriebe 0 und s, einzeln betrachtet, nicht unbedingt größer zu sein als die Nachgebegeschwindigkeit des Getriebes /, da durch das Zusammenwirken von 0 und s ein schnelles Nachgeben erreicht wird.

Es ist bekannt, bei Reglern der bekannten Bauarten neben der durch ein Nachgebegetriebe übertragenen vorübergehenden Verstellung noch eine kleine bleibende Verstellung anzuwenden, beispielsweise um einen bestimmten bleibenden Unterschied der Drehzahlen bei Leerlauf und bei Vollast zu erreichen. Es ist selbstverständlich, daß eine solche zusätzliche Einrichtung auch bei den Reglern der vorliegenden Bauart angebracht werden kann.

Als Nachgebegetriebe können selbstverständlich statt der in den Ausführungsbeispielen angenommenen Reibradgetriebe auch gleichwertige Einrichtungen benutzt werden, wie z. B. die bekannte Verbindung einer Öl-So bremse mit einer Feder.

Die Rückführung wird bei den Reglern der bekannten Bauarten bisweilen, statt wie bei dem Schema der Abb. ι, durch Verstellung eines Punktes des Rückführhebels, auch durch eine auf die Muffe des Fliehkraftpendels ausgeübte Kraft bewirkt: sogenannte Muffenrückdrängung. Es ist selbstverständlich, daß auch die den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildende negative Rückführung durch eine entsprechende negative Muffenrückdrängung bewirkt werden kann.

Obwohl die Vorteile der neuen Steuerungsanordnung bei Wasserturbinen, bei denen die Trägheitswirkung des Wassers in den Zu- und Ableitungen erheblich ist, besonders stark hervortreten, bleibt auch bei Abwesenheit dieser Trägheitswirkungen ein erheblicher Vorteil bestehen. Der bei Beginn des Regulierungsvorganges bestehende kleine Ungleichförmigkeitsgrad ermöglicht einen sehr schnellen Leistungsausgleich, während das Abklingen der Wirkung der negativen Rückführung im späteren Verlauf des Regulierungsvorganges eine schnelle Dämpfung der Schwingungen bzw. aperiodischen Verlauf bewirkt. Die neue Steuerungsanordnung ist deswegen ganz allgemein für indirekte Regler, wie z. B. für elektrische Spannungsregler, mit Vorteil anwendbar.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Regler mit Hilfskraftmaschine für Kraftmaschinen mit einer durch ein Nachgebegetriebe vermittelten positiven Rückführungsbewegung, dadurch gekennzeichnet, daß dieser positiven Rückführungsbewegung des Nachgebegetriebes (/) eine

(z. B. durch den Hebel m) von der Hilfskraftmaschine (d) abgeleitete negative Rückführungsbewegung mit Benutzung eines Nachgebegetriebes (0, Abb. 2) hinzugefügt wird, dessen Nachgeben schneller erfolgt als das Nachgeben des positiven Nachgebegetriebes (/):

2. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Rückführung durch zwei oder mehrere hintereinandergeschaltete Nachgebegetriebe (0, s, Abb. 3) hindurchgeleitet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.