DE522119C - Regler fuer Kraftmaschinen mit Pumpwerk und einem mengenabhaengigen Regelorgan - Google Patents

Description

Es ist bekannt, den Fliehkraftregler einer Kraftmaschine durch eine hydraulische Regelung zu ersetzen in der Weise, daß eine mit der Kraftmaschine gekuppelte Pumpe einen S nlstrom fördert, von dessen Zustandsänderungen in Abhängigkeit von der Drehzahl die Regelimpulse ausgehen. Die Gründe, die zur Einführung der hydraulischen Regelung geführt haben, liegen einmal in einer konstruktiven Vereinfachung und Vergrößerung der betrieblichen Sicherung der Regelung und andererseits in der Ausschaltung der ungünstigen Massenwirkungen des Fliehkraftreglers. Bei der hydraulischen Regelung hat man zwischen zwei grundsätzlichen Systemen zu unterscheiden, nämlich der Druckregelung und der Mengenregelung. Bei der Druckregelung werden die Druckänderungen des Steuermittels, bei der Mengenregelung seine Mengenänderungen zur Tmpulsabgabe herangezogen.

Die Druckregelung weist einige Eigenschaften auf, die ihrer praktischen Verwendung hindernd entgegenstehen. Zunächst entstehen konstruktive Schwierigkeiten. Um den Änderungen des Förderdruckes das Gleichgewicht zu halten, sind Federn erforderlich, die zur Erzielung hinreichend großer Federwege sehr lang gewählt werden müssen. Weiter ist die Druckregelung entweder überhaupt nicht anwendbar, wenn das den Regler durchströmende Öl hinter diesem weiter verwendet werden soll oder es müssen Kreiselpumpen mit annähernd horizontaler Charakteristik verwendet werden, deren Bau sehr schwierig ist.

Aus diesen Gründen wird bei der vorliegenden Erfindung nicht von einer Druckregelung, sondern von der Mengenregelung Gebrauch gemacht, und zwar in der Weise, daß hinter dem mengenabhängigen Stellglied, für das in den folgenden Ausführungen der Ausdruck Mengenschieber gebraucht werden soll, ein weiteres Stellglied (Druckschieber) angeordnet ist, das den Druck hinter dem Mengenschieber konstant hält. Diese Ergänzung des Mengenschiebers durch den Druckschieber ermöglicht erst eine praktische Anwendung des Prinzips der Mengenregelung, und zwar aus folgenden Gründen:

Jeder Regler muß so gebaut sein, daß er bei einer bestimmten prozentualen Drehzahländerung eine bestimmte Energie abzugeben vermag. Die Gegenbelastung des Mengenschiebers wird bei der bekannten Ausführung durch ein Gewicht gebildet. Infolgedessen ist die bei der Drehzahländerung frei werdende Energie eine Funktion des Gewichtes. Wenn also eine bestimmte Energiemenge gefördert wird, so muß der Mengenschieber so viel Masse besitzen, d. h. eine so große Gewichtsbelastung bekommen, daß die erforderliche

"■') Von tii'm Patentsuchcr ist als der Erfinder angegeben worden:

Dipl.-Ing. Gustav Köhler in Mülheim, Ruhr.

Verstellkraft zur Verfügung steht. Die Gewichtsbelastung unterliegt bei ihrer Bewegung lediglich der Wirkung der Schwerkraft im Gegensatz zu den Schwunggewichten eines Fliehkraftreglers, bei dem Massenwirkungen eben durch die erheblich größere Fliehkraft erzielt werden. Man erkennt, daß der gewichtsbelastete Mengenschieber nicht nur keine Verbesserung des Fliehkräftreglers,

ίο sondern vielmehr eine Verschlechterung darstellt, denn um bei beiden Reglern die gleiche spezifische Änderung herbeizuführen, müssen die Massen des Mengenregler gegenüber dem des Fliehkraftreglers ganz erheblich vergrößert werden.

Bei dem Regler gemäß der Erfindung gelingt es, durch Einführung des Druckschiebers die Gewichtsbelastung des Mengenschiebers durch einen hydraulischen Differenzdruck zu ersetzen, also die bei einem Regelvorgang zu beschleunigenden oder zu verzögernden Massen auf einen Kleinstwert herabzusetzen. Es werden also tatsächlich die ungünstigen Massenwirkungen des: Fliehkraftreglers durch die Anordnung der Erfindung beseitigt.

Die Verringerung der Massenwirkung ist aber nur einer der Vorteile, die sich durch die neue Anordnung erzielen lassen. Der Mengenregier in seiner bisher vorgeschlagenen Form ist nämlich überall da unbrauchbar, wo mit Änderungen des Druckes hinter dem Mengenschieber gerechnet werden muß. Hiermit muß man aber praktisch in jedem Falle rechnen, gleichgültig, wie der Regler geschaltet ist. Da man als Steuermittel normalerweise Öl verwendet, so muß man mit Änderungen in der Zähigkeit rechnen, die durch Temperaturschwankungen hervorgerufen werden. Jede Änderung der Zähigkeit hat Einfluß auf den Strömungswiderstand. In gleicher Weise wird der Strömungswiderstand durch die bei der Regelung auftretenden Mengenänderungen beeinflußt, so daß sich auch bei konstanter Temperatur und konstanter Zähigkeit ein wechselnder Druck hinter dem Mengenschieber einstellen wird. Weitere Änderungen des Druckes hinter dem Mengenschieber ergeben sich je nach der Schaltung des Reglers. Nimmt man an, daß das den Regler durchströmende Öl lediglich Steuermittel ist und hinter dem Regler einem Sammelbehälter zugeführt wird, der unter Atmosphärendruck steht, so ändert sich der Druck hinter dem Mengenschieber mit dem Barometerstand. Derartige Änderungen können bekanntlich innerhalb eines sehr weiten Bereichs verlaufen. Man kann aber auch den Regler zwischen das Pumpwerk und die Ölverbrauchssteile in der Kraftmaschine schalten und erhält dann sehr starke Änderungen des Druckes hinter dem Mengenschieber, die sich aus Änderungen im Ölverbrauch ergeben. Alle diese Änderungen im Druck hinter dem Mengenschieber stören das Regelgesetz und können dazu führen, daß die Regelung überhaupt unbrauchbar wird. Wird dagegen gemäß der Erfindung hinter dem Mengenschieber ein Druckschieber angeordnet, der den Druck hinter dem Mengenschieber konstant halt, so sind alle die Einflüsse, die eben erläutert, wurden, wirkungslos. Der Regler arbeitet, wie die Betriebsverhältnisse sich auch ändern mögen, immer mit der gleichen Genauigkeit. '

Als weiterer Vorteil sei noch kurz angedeutet, daß es durch die Anordnung gemäß der Erfindung möglich ist, die Strömungsgeschwindigkeit durch Verringerung der Druckdifferenz herabzusetzen und dadurch mit kleinen Fördermengen arbeiten zu können, was vom Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit vor allem für kleine Turbinen wertvoll ist, und daß man hinsichtlich der Abmessungen und durch Stromquerschnitte zu großen Werten gelangt.

Abb. I stellt die Charakteristik einer Kreiselpumpe (Druckhöhe h in Abhängigkeit von der Fördermenge Q) dar, und zwar bedeutet Kurve α die Charakteristik der Pumpe bei einer Drehzahl n_v Kurve b diejenige nach einer Drehzahl tu. Der Drehzahlübergang von K₁ nach n₂ könnte an und für sich nach irgendeiner Kurve erfolgen, h soll hierbei jedoch gemäß der Erfindung konstant bleiben. Der Übergang verläuft also nach einer Parallelen c zur Abszissenachse. Diese Regelkurve kann baulich durch den Druckschieber gemäß der Erfindung verwirklicht werden. Bei einer Regelung nach der Kurve c entspricht ein bestimmter Zuwachs der Fördermenge A. Q eindeutig einem bestimmten Zuwachs der Drehzahl-, n. Um bei einer bestimmten Drehzahländerung einen möglichst starken Impuls zu erzielen, wird ein verhältnismäßig hohes /; gewählt.

Eine Einrichtung gemäß der Erfindung zeigt Abb. 2. Das öl der Förderpumpe wird hier durch die öffnung 3 zunächst einem Zylinder ι zugeleitet und tritt hierauf durch eine für die Steuerung wesentliche Öffnung 4 in den Zylinder 2 über. Diesen Zylinder verläßt es durch die Abflußöffnung 5. Eine weitere öffnung 10 ist vorgesehen, von der aus der Hauptanteil des geförderten Öles den Verbrauchern zufließt. Im Zylinder 1 ist ein mit einem Gewicht S belasteter Kolben 6 beweglich angeordnet, ähnlich im Zylindern ein Kolben 7, der mit einem Gewicht 9 belastet ist. Kolben 6 regelt die Größe der öffnung 4, Kolben 7 diejenige der Öffnung 5. Der Hauptkolben 6 ist durch die

Kolbenstange 11 mit dem bekannten Steuerungsorgan 12 für einen Servomotor verbunden. Der Servomotor selbst ist nicht gezeichnet, er dient zur Bewegung der Ventile der Kraftmaschine.

Bei einer bestimmten Drehzahl der Kraftmaschine sind die Kolben 6 und / im Gleichgewicht. Das Öl, das durch die Öffnung 4 hindurchtritt, wird vor und hinter der öffnung durch die beiden Kolben unter konstantem Druck gehalten, wobei natürlich, um ein Durchfließen des Öls zu ermöglichen, die auf den Kolben 7 wirkende Kraft kleiner als die auf den Kolben 6 wirkende sein muß. Wächst nun die Drehzahl der Kraftmaschine, so steigt die Fördermenge; Kolben 6 in Zylinder 1 wird jetzt so weit gehoben, bis sich die Durchtrittsöffnung 4 in dem Maße vergrößert hat, daß der Zuwachs an Fördermenge auch gleichzeitig wieder abgeführt werden kann. Ist dieser Zustand erreicht, so stellt sich ein neuer Gleichgewichtszustand ein. Die Förderhöhe ist, da das Öl unter dem konstanten Druck des Gewichts 8 steht, konstant geblieben; der Kolben 6 aber hat sich etwas verschoben, ebenso der Kolben 7. Die Bewegung des Kolbens 6 wird dem Steuerorgan 12 unmittelbar mitgeteilt. Das Maß der Verschiebung des Kolbens 6 ist zugleich ein Maß für den Zuwachs der Fördermenge Q, sofern nämlich die Durchflußgeschwindigkeit konstant ist. Dies ist hier der Fall, weil im Nachbarzylinder 2 das Öl ebenfalls unter konstantem Druck gehalten wird, so daß der Druckunterschied des Zylinders 1 gegen den Zylinder 2 konstant b'leibt.

Ändert sich der Bedarf der an die Austrittsöfrnung 10 angeschlossenen Verbraucher, so regelt der Kolben 7 durch Änderung seiner Lage gegenüber der Austrittsöffnung 5 den konstanten Öldruck im Zylinder 2 wieder ein. Die Bewegung des Kolbens 6 erfolgt daher bei dieser Anordnung entsprechend dem Zuwachs Q gemäß der Linie c in Abb. 1; deshalb ergibt die Kupplung dieses Kolbens mit dem Steuerorgan 12 die richtige Regelung.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt Abb. 3.

Die Bezeichnungen 1 bis 11 entsprechen denen der Abb. 2. Das Steuerorgan 12, das an die Welle des Hauptkolbens angeschlossen ist, ist hier nicht mitgezeichnet. Der Hauptkolben 6 ist als Stufenkolben ausgebildet, und zwar dadurch, daß die Führungsstange 13 auf der einen Seite des Kolbens stärker gehalten ist als die Kupplungsstange 11 auf der anderen Seite. Auf die obere Seite dieses Kolbens wirkt das von der Pumpe gelieferte Öl, auf die andere Seite das Öl, das nach dem Durchtritt durch die Öffnung 4 unter dem Druck des Hilfskolbens 7 steht. Zu diesem Zweck ist eine weitere Öffnung 14 vorgesehen, durch die das Öl aus dem Zylinder 2 wieder in den Zylinder 1 treten kann. Durch diese Anordnung wird ein besonderes Gewicht für die Belastung des Kolbens 6 erspart. Es sei hier noch darauf hingewiesen, daß zum Unterschiede gegen Abb. 2 die Führungsstange 13 hier entsprechend der Verlegung des Öleintritts auf die obere Kolbenseite durch eine Stopfbuchse des Zylinders 1 oben hindurchtritt. Dagegen bleiben nach Abb. 2 die beiden Zylinder 1 und 2 oben offen.

Die Anordnung nach Abb. 4 ermöglicht die Verwendung nur eines Zylinders; in diesem sind der Hauptkolben 6 und der Hilfskolben 7 untergebracht. Beide Kolben sind als Stufenkolben ausgebildet. Der Hilfskolben 7 ist ein zylindrischer Hohlkörper. Durch seinen Hohlraum 15 ist die Kupplungsstange 11 des Hauptkolbens durchgeführt. Kolben 7 hat an seiner Unterseite eine größere Ringfläche als oben. Der Zylinder 1 umschließt den Hilfskolben 7 derart, daß ein Hohlraum 16 gebildet wird, der mit Bohrungen 20 für den Zutritt der Außenluft versehen ist.

Das Öl tritt bei 3 ein und strömt durch die veränderliche, vom Hauptkolben 6 gesteuerte Öffnung 4, die von einer Kappe 17 des Gehäuses überdeckt wird, zur Unterseite des Kolbens, von dort durch die Bohrung 15 und durch die Austrittsöfrnung 5 ins Freie. Die Austrittsöffnung 5 wird von dem Hilfskolben 7 gesteuert. Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist wie folgt zu erklären:

Der Öldruck auf der Ober- und Unterseite des Kolbens 7 ist der gleiche. Auf dem überschießenden Ringraum 18 seiner Unterseite steht jedoch nur der in Pfeil richtung wirkende Druck der Außenluft. Der Kolben erhält hierdurch einen Auftrieb, der seinem Eigengewicht entgegenwirkt. Er schwebt demnach, wenn die Verhältnisse entsprechend gewählt werden, frei in der Flüssigkeit und hat, ebenso wie der Hauptkolben, bei einer bestimmten Drehzahl der Maschine eine bestimmte Lage. Das Eigengewicht des Hilfskolbens ist demnach vergleichbar dem Gewicht 9 der Abb. 3. Die übrigen Verhältnisse sind gegen Abb. 3 nicht verschieden.

Steigt die Drehzahl, so sinkt zunächst der Hauptkolben 6 und vergrößert die Durchtrittsöffnung 4. Um den Zuwachs der Ülmenge wieder abzuführen, steigt dann der Kolben 7 etwas an und vergrößert die Austrittsöft'nung 5. Hiernach wird ein neuer Gleichgewichtszustand erreicht, der sich durch eine neue Lage des Haupt- und Hilfskolbens äußert.

Durch die Kupplungsstange 11 ist der Hauptkolben auch hier mit dem Steuerorgan verbunden.

Die Geschwindigkeit des Öldurchflusses an der Öffnung 4 wird, da das Öl vor und hinter der Öffnung unter konstantem Druck steht, auch hier konstant gehalten.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Regler für Kraftmaschinen mit Pumpwerk und einem meiigenabhängigen Stellglied als Regelorgan, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem mengenabhängigen Stellglied (4, 6) (Mengenschieber) ein weiteres Stellglied (5, 7) angeordnet ist, das den Druck hinter dem Mengenschieber konstant hält (Druckschieber).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler zwischen das Pumpwerk und die Ölverbrauchsstellen der Kraftmaschine zwischengeschaltet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpendruck auf die eine Seite eines als Druckschieber dienenden Stufenkolbens (7, Abb. 4) wirkt, während auf die andere Seite desselben der Druck, den die Gewichtsbelastung des Stufenkolbens (7) erzeugt, übertragen wird.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Haupt- und Hilfskolben (6, 7) konzentrisch übereinander angeordnet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen