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Verfahren und Einrichtung zur Regelung von Turbinen Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren. und eine Einrichtung zur Regelung von Turbinen,
insbesondere von axial. beaufschlagten Turbinen mit Geschwindigkeitsstufen.
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Turbinen arbeiten mit gutem Wirkungsgrad bei hoher Geschwindigkeit.
Wenn -eine veränderliche Belastung plötzlich weggenommen wird, wie bei unmittelbar
gekuppelten Turbinen. für Arbeitsmaschinen, geht der Läufer durch, sobald die Belastung
aufhört, und überschreitet leicht die zulässige Geschwindigkeit, zerspringt und
zertrümmert die Turbine. Die normalen Betriebsgeschwindigkeiten- sind so hoch, daß
die gewöhnlichen Arten von Reglern, die durch die Fliehkraft wirken, beispielsweise
Flehkraftregler oder gewichtsbelastete Regler, unverwendbar sind:. Außerdem besitzen
diese Arten von Reglern eine der Abnutzung unterworfene Verbindung zwischen einem
mit hoher Geschwindigkeit bewegten Teil und einem feststehenden Teil und neigen
daher zum Flattern oder zu ungleichmäßiger Regelung.
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Die Erfindung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß das
Einströrnungsventil der Turbine zwecks Regelung der Menge,des zuströmenden Treibmittels
durch Änderung des aus den Laufschaufeln austretenden Treib -mittelstrahls gesteuert
wird. Hierdurch soll eine einfache Art des Regelns erreicht werden, bei der eine
kleine Treibmittehnenge für Leerlauf und eine größere Menge für Lastlauf zugeführt
und die ierhöhte Menge sofort abgesperrt wird, wenn die Belastung aufhört, um das
Durchgehen der Turbine zu verhüten. Der Regler nach der Erfindung arbeitet genau
und zuverlässig und spricht schnell auf plötzliche Belastungsänderungen an.
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Hierzu wird ein entlastetes Ventil verwendet, das mit einem geringen
Kraftverbrauch arbeitet, so daß die Empfindlichkeit des wirksamen Teils des Reglers
nicht wesentlich beeinflußt wird.
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Nach der Erfindung ist ferner eine Düse zum Anlassen und für Leerlauf
angeordnet, ferner zusätzliche Düsen zum -Antrieb des Turbinenrades bei Vollast.
Ein entlastetes Abscblußventil ist in den Zulaufweg des Treibmittels zu den Vollastdüsen
eingebaut, die durch Öffnen oder Schließen seines kleinen Hilfsventils hinter dem
Abschlußventil bedient werden. Eine Feder überwacht die Bewegung des Hauptventils
zum Abschluß des Kanals. Der Druck des zuströmenden Mittels wirkt auf beide Seiten
des Hauptventils, vorzugsweise durch Anordnung einer ldeinen öffnung in seinem mittleren
Teil. Wenn das Hilfsventil offen ist, wird der Druck hinter
dem
Hauptventil teilweise aufgehoben, so daß ein Druckunterschied an entgegengesetzten,
Seiten des Hauptventils entsteht und ies sich öffnet. -Wenn das Hilfsventil geschlossen
,ist, gleicht sich der Druck auf beiden Seiten des Hauptventils aus, und die Feder
schließt das Hauptventil. Da nur eine kleine Kraft zum Öffnen oder Schließen des
Hilfsventils erforderlich, ist, können hohe Drücke durch kleine Kräfte gesteuert
werden.
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Eineinfaches Kugelventil dient als Hilfsventil des Kanals. Gegen die
Kugel .dieses Ventils drückt ein schwenkbarer Regelungshebel. Das eine Ende des
Hieb.els ist mit Schaufeln versehen. Die Lage dieses Hebelendes ist so gewählt,
daß die Schaufeln in dem Weg des .austretenden Treibmittels liegen. Am anderen Ende
des Hebels ist eine Feder angebracht, um ihn in die zum Schließen des Hilfsventils
erforderliche Lage zu bringen.
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Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ..dargestellt.
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Abb. i ist lein .Querschnitt nach der Linie i-i der Abb. 2.
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Abb. 2 ist ein Längsschnitt nach der LmIQ 2-2 der Abb. i, wobei einige
Teilte im Schnitt -und einige in Ansicht dargestellt sind.
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Abb. 3 ist !eine Innenanächt von der Linie 3-3 der Abb. i aus.
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Abb. q. stellt die Beschaufelung dar.
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Auf der Zeichnung sind mix 5, 6 und 7 die Laufräder bezeichnet, die
an der Welle 8 befestigt sind. Die Welle 8 ist drehbar im Turbinengehäuse 9 gelagert.
Die Anlaßdüse i o und die zusätzlichen Düsen i i für Lastlauf sind fest im. Gehäuse
9 an der inneren Sieite des Rades der 'ersten Stufe angebracht. Die Düsen leiten
das strömende Mittel mit hoher Geschwindigkeit im Winkel auf die radial gerichteten
Schaufeln 12 der Räder. Die Schaufeln lenken die Treibmittelströme ab. Die Leitschaufeln
13 dienen dazu, die Richtung des aus dem einen Rad ausströmenden Mittels zu ändern,
um das folgende Rad zu treiben.
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Ein Ventilgehäuse i¢ ist an dein Flansch 15 an einer Seite des Gehäusies
9 befestigst, und zwar über ;dem Ende des Zuströmkanals 2:o, der durch das. Ventil
16 abgeschlossen wird. Das Ventil gleitet in der Kammer 1;7, die mit dem Turbinengehäuse
9 aus einem Stück besteht. Auf dem Ventil 16 lastet der Druck des durch,den Stutzen
18 an der Seite des Kanals rq. zuströmenden Mittels. Ein zylinderförmiges Sieb 1,9
umschließt das. Ende des inneren Zulaufkanals 2o und wird durch eine Klappe 2i ,gehalten,
die in das Ende des Gehäuses 1q. einschraubbar isst.
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Die Anlaßdüse io wird durch. den Kanal 22 mit Treibmittel gespeist.
Diel Kanal steht unmittelbar mit der Kammer i q. in Verbindung und ist um das Ventil.
16 herumgeführt. Die Düsen i i für Lastlauf werden durch einen Kanal 23 mit
Treibmittel versorgt, der mit dein Zulaufkanal2o unter Einschaltung des Ventils
1:6 in Verbindung steht. Bei dieser Anordnung strömt :das Mittel in .die Anlaß,-düse,
sobald !das Hauptventil geöffnet wird, während der Zustrom zu den Lastdüsen mittels
des Ventils 16 geregelt wird.
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An der Rückseite ist das Ventil, 16 ausgehöhlt und gleitet
auf einer Führung 2q., die in das Außenende des Teiles 17 der Kammer i ¢
eingeschraubt ist. Die Führung 24 nimmt eine Ventilsc'hließfeder 25 auf,
die das Ventil 16 so. bewegt, da.ß der Zulaufkanal 2o geschlossen wird. Das innere
Ende der Führung 24 ist mit einer kleinen Bohrung 26 versehen, die unten einen Sitz
für eine Ventilkugel 27 hat. Eine Öffnung 28 verbindet den mittleren Raum
des Ventils 16 mit dem Zuströmkanal 2o, so. daß der Treibmitteldruck auf die Rückseite
des Ventils geleitet wird. Die Stange 29 ist in die Kappe 21 eingeschraubt und reicht
in die öfnungz8 -hinein.
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Die Wirkungsweise des Innenventils ist im wesentlichen folgende: Wenn
die Bohrung 26 geschlossen. ist, ist der Druck auf beiden Seiten des Hauptventils
16 ausgeglichen, und die Feder 25 drückt das Ventil nach vorn, so daß der Zustromkanal
2o geschlossen wird. Das Ventil. wird; durch die Feder 25 so lange geschlossen gehalten,
wie der Kanal 26 abgesperrt ist. Wenn der Kanal 26 geöffnet wird,
vermindert sich der Druck in dem: Ventil 16, und :der Druckunterschied wird:' genügend
groß, um den Gegendruck diel Feder 25 zu überwinden und das Ventil von seinem Sitz
zu heben, wodurch der Kanal 23 für den Treibnmitteizustrom geöffnet wird. - Eine
Stange 29 dient dazu, das Ventil schneller zu öffnen. Da sie in der Schließstellung
des Ventils teilweise die öffnung z-8 versperrt, wird der Druck hinter .dem Ventil
schneller fallen, als er durch den; Tneibmitteldruck von außen ersetzt werden: kann.
Wenn das Ventil 26 von seinem Sitz abgehoben ist, ist die Öffnung 28 nicht
-mehr durch die Stange 29 versperrt, aber der Geschwindigkeitsdruck des strömenden
Mittels, das nach den Düsen i i strömt, hält :das Ventil j offen bei nur einer kleinen
Ausströmmenge durch das Kugelventil 27-. Diel Hebel3o des Reglers ist drehbar an
dem nach innen liegenden Ende- des Kammerteils 17 gelagert und wird an der
!einen Seite j der Außenöffnung des Kanals 26 durch einen Bolzen 38 gehalten. Der
Hebel 3o besitzt eine kleine Einstellschraube 31, die gegen die Kugel 27 drückt:
Eine Reglerfeder 32 ist am ,einen Ende des Hiebels 30 blefestigt und mit
i dem freien Ende einer Blattfeder 33 verbunden, die mit dem anderen Emile am inneren
Teil
des Gehäuses g befestigt ist. - Der Zug der Feder 32 kann mittels. der Schraube
34 genau eingestellt werden, die durch das Gehäuse hindurchgeht und sich gegen das
freie Ende der Blattfeder 33 ,legt. Das Außenende des Hebels ist um den Rand des
ersten Rades 5 herumgebogen, so daß der Endteil 35 des Hebels 3o zwischen das erste
und das zweite Rad- zu liegen kommt, wie in Abb. 2 und 4 gezigt ist. In den Teil
35 sind im Winkel stehende Schaufeln 36 angearbeitet, die im Weg des. vom
ersten Rad ausströmenden Mittels liegen.
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Die Reglerfeder 32 zieht das Ende 35 des Hebels 3o vorwärts in Richtung
der Drehung der Turbinenräder, wobei die einstellbare Schraube 31 in dem Hebel die
Kugel 2,7
gegen ihren Sitz drückt und der Kanal z6 geschlossen wird. Wenn
der Druck weggenommen wird, -hält die. Feder 25 das Ventil 16 geschlossen, und auch
wenn die Turbine untrer Druck gesetzt wird" bleibt Glas Ventil geschlossen, weil
an der Rückseite des Ventils durch die CSffnung28 ein ausreichender Druck entsteht.
Da sich jedoch der Druck auf die Anlaßdüse i o durch den unabhängigen Kanal z2 fortpflanzen
kann, wird das Turbinenrad in Bewegung versetzt. Bei niedrigen Umlaufgeschwindigkeiten
wird das Treibmittel von der Anlaßdüse in das mit. Schaufeln versehene Ende 35 des
Reglerhebels abgelenkt. Die Wirkung auf die Schaufeln ist derart, daß das Ende in
entgegengesetzter Richtung zur Drehung des Laufrades bewegt wird, wodurch der Hebel
30 dem Uhrzeig#--rsimi entgegengesetzt schwenkt. Der Druck auf die Kugiel; 27 wird
dabei aufgehoben, :.der Kanal. 26 geöffnet und hierdurch auch das Ventil 16, so
daß nunmehr die Düsen unter Druck kommen, idie > zum Antrieb der Maschine bei Lastlauf
entsprechend bemessen sind. Die Feder 3.2 bewirkt, daß das Innenventil 16 bei Lastlauf
offen bleibt.
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Sobald sich das Ende des Armes 3o rück-5 wärts bewegt, vermindert
sich der Einfluß des ausfließenden Treibmittels, und die Gleichgewichtslage stellt
sich durch den Aufschlagwinkel und den Druck des Treibmittels sowie den Druck der
Ventilkugel 27 ein, denen der Zug der Feder 32 entgegenwirkt.
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Der Druck der Kugel 27 ist von geringerem Einfluß, da die Kugel dicht
am Lager 38 des Hebels 3o angeordnet ist. Bei höheren Geschwindigkeiten wird die
Ablenkung des Treib-5 mittels vermehrt und daher um einen größeren Betrag von dem
Rad mitgenommen, bevor es an der Seite des Rades austritt. Entsprechend wird bei
höheren Geschwindigkeiten die Wirkung auf den Hebel 30 vermindertb und der
Hebel kann in die normale Lage zurückkehren, wobei das Ventil i 6 geschlossen wird.
Dieses sperrt den Zustrom zu den Düsen i i ab und vermindert sofort ,die Geschwindigkeit
der Turbine.
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Der Reglerhat eine leinfache Farm; da,er nur aus dem kleinen, an einem:
feststehenden. Bolzen angeordneten Hebel besteht enderfordert eine kleine Feder.
Das durch das Hilfsventil gesteuerte Innenventil spricht schnell auf dieBeweg eng
des Reglerhebels an und benötigt kleine Kräfte zu seiner Bedienung, da @die Abmessung
des Kanals klein ist. Das Kugelventil liegt dicht an dem Bolzen, :der den Hebel
trägt, weil nur eine geringe Bewegung nötig ist.
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Flattern und --Schwingungen des Reglerhebels werden vermieden, da
der Hebel von dem von -der offenen Anlaßdüse ausgehenden Treibmittelstrom beaufschlagt
wird.
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Die Erfindung ist in erster Linie auf dem Gedanken aufgebaut, die
Kraftzufuhr für Turbinen entsprechend den B:elastungsanforderungen zu regeln und
dabei die Geschwindigkeit der Turbine zu steuern unter Benutzung des Rückstoßes,
der an dem Läufer auftritt, wenn die Richtung der TreibmitteIströme beim Durchgang
durch den Läufer geändert wird. Diese Ablenkung der Treibmittelströme, ist gering,
wenn die Turbine nicht unter Last läuft. Gemäß, der Neigung der Düse i o (vgl. Abb.
4) würde der Strahl, wenn er von dieser Düse nicht oder nur wenig durch den Läufer
5 abgelenkt würde, versuchen, den Hebel 3o in Richtung der Drehung des Läufers zu
bewegen. Wenn jedoch der Läufer unter Last läuft und sich daher langsam bewegt,
wird der Strahl von der Düse io durch die Schaufeln des Läufers in einem solchen
Winkel abgelenkt, daß er den Hebel 30 in entgegengesetzte Richtung treibt.
Daraus geht hervor, daß diese Wirkung zur Regelung des Treibmittelzustromes zur
Turbine in Abhängigkeit von der Belastung .nutzbar gemacht werden kann, gleichgültig,
welches Ventilgetriebe verwendet wird. Die Bewegung des Hebels 30 und des durch
ihn gesteuerten Ventils kann in Übereinstimmung mit der Belastung erfolgen.
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Weil die Ablenkung des Treibmittels dazu dienen kann, den Hebel
30 entweder vorwärts oder rückwärts zu bewegen, ist es bei einigen Anwendungsformen
der Erfindung nicht wesentlich, eine Feder anzubringen, die dien Hebel für gewöhnlich
nach einer Richtung zieht, und ferner braucht das durch diesen Hebel gesteuerte
Ventil keine schnelle Wirkung zu haben, sondern kann allmählich bewegt werden, so
daß die Vermehrung der Treibmittelzufuhr in der gleichen Weise geändert wird.
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Die Wirkungsweise des Reglers ist für die laufende Maschine beschrieben
worden, und zwar für den. Fall, daß die Maschine ohne
Last mit der
Düse ro allein läuft, und weiter, daß :eine Belastung stattfindet und das Treibmittel
den Lastlauf düsen i i zugeführt wird. Wenn die Turbine aus der Ruhelage durch Zulauf
von Treibmittel zu der Düse io anläuft, verursacht die Gegenkraft der feststehenden
Schaufeln :eine Bewegung des von dem Hebel 3o gesteuerten Ventils, so daß zur gleichen
Zeit das Treibmittel zu den Lastlaufdüsen gelangt, bis die Gegenkraft von Iden Turbinenschaufeln.
so weit vermindert ist, daß das Hüfsventil den Hebel 30 umkehrt und so das
Treibmittel von den Lastlaufdüsen abschließt. Erst wenn eine Belastung der Maschine
stattfindet, wächst die Gegenkraft so weit an, daß der Hebel 3o wieder ausschwingt.