DE534401C - Regeleinrichtung fuer Kolbenmaschine mit nachgeschalteter Abdampfturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Regeleinrichtungen für eine Kraftanlage, bei der die Leistung der einer Kolbendampfmaschine nachgeschalteten Abdampfmaschine, insbesondere einer Abdampfturbine, auf die Welle der Hauptmaschine übertragen wird. Kraftanlagen dieser Art sind insbesondere zum Antrieb von Schiffsschraubenwellen verwendet worden. Die Erfindung verfolgt die Aufgabe, die ^Geschwindigkeit der

nachgeschalteten Kraftmaschine unabhängig von der Geschwindigkeit der Hauptantriebswelle, z.B. der Schiffsschraubenwelle, zumachen, so daß sie zum Antrieb von Hilfsmaschinen mit im wesentlichen gleichförmiger Geschwindigkeit benutzt werden kann. Weiterhin soll erzielt werden, daß der Wirkungsgrad der nachgeschalteten Kraftmaschine in solchen Fällen verbessert wird, wo es sich um eine Maschinenart (z. B. eine Turbine) handelt, deren Wirkungsgrad unterhalb gewisser Geschwindigkeiten stark abfällt.

Gemäß der Erfindung wird durch auf die Geschwindigkeit der Abdampfkraftmaschine ansprechende Regeleinrichtungen, die Leistungsabgabe der Abdampfkraftmaschine an die Hauptantriebswelle in der Weise beeinflußt, daß nur der Überschuß über die an die Hilfsmaschine abgegebene Leistung auf die Hauptwelle übertragen, diese Überschußleistung also verringert wird, sobald ihre Geschwindigkeit unter eine bestimmte Grenze abzusinken sucht.

Die gleiche oder eine zweite Regeleinrichtung kann dann einer besonderen Stufe der nachgeschalteten Kraftmaschine Frischdampf zuführen, wenn trotz stark verringerter Leistungsabgabe an die Hauptwelle die Geschwindigkeit unter einen bestimmten Wert zu sinken sucht.

Wird zur Übertragung der Leistung der Abdampfkraftmaschine auf die Hauptwelle in bekannter Weise ein Gleichstromerzeuger und Gleichstrommotor gewählt, so kann der Regler zur Veränderung der Belastung der Abdampfmaschine den Widerstand der Stromerzeugerfeldwicklung verändern, um die Geschwindigkeit des Stromerzeugers und der zweiten Kraftmaschine im wesentlichen gleichzuhalten, wenn deren Geschwindigkeit sich zu ändern sucht, beispielsweise infolge Schwankungen in der Zufuhr von Auspuffdampf von der ersten Kraftmaschine. ,

Die Abdampfkraftmaschine besteht vorzugsweise aus einer Dampfturbine, die auch außerdem Dampf von einer anderen Zufuhrquelle, beispielsweise Frischdampf, erhalten kann. In bekannter Weise kann zu diesem Zweck eine Mischdruckturbine angewendet werden, deren Hochdruckteil normal nicht arbeitet, sondern nur beaufschlagt wird, wenn die Zufuhr von Auspuff dampf nicht ausreicht.

Die Geschwindigkeit der Abdampfmaschine und etwa damit verbundener Hilfsmaschinen kann somit im wesentlichen jederzeit konstant

gehalten werden, unabhängig von den Schwankungen in der Geschwindigkeit der Hauptwelle oder der Menge des Triebmittels, das von der ersten Kraftmaschine auspufft. Wenn die an-5· geschlossenen Hilfsmaschinen von einem. Hilfsstromerzeuger gespeist werden, so läßt sich auf diese Weise eine Abgabe von elektrischer Energie bei konstanter Spannung erzielen..

Die Erfindung ist durch die Zeichnungen beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt

Fig. ι eine schematische Wiedergabe einer Schiffskraftanlage gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Regeleinrichtung mit Verwendung eines Druckölservomotors,
Fig. 3 eine elektrische Regeleinrichtung. .

Bei der Anordnung nach Fig. 1 dient eine Hauptkraftmaschine 1, die als Dreifachexpansions-Kolbenmaschine wiedergegeben ist, mit einer Hauptwelle 2 zum Antrieb einer Schiffsschraube 3; ihren Auspuffdampf gibt sie an eine Niederdruckturbine 4 ab, die ihrerseits in einen Kondensator 5 auspufft. Durch eine Umleitung 6 und ein Ventil 7 kann gewünschtenfalls der Auspuffdampf der Kraftmaschine 1 von der Turbine abgeschaltet und unmittelbar in den Kondensator 5 geleitet werden.

Die Turbine ist weiter mit einer.Stufe 8 versehen, die Frischdampf durch ein Rohr 9 von einer anderen Quelle, beispielsweise aus der Hauptdampfleitung, erhalten kann. Die Turbine 4, 8' treibt einen Gleichstromerzeuger 10, der elektrische Energie zu einem Gleichstrommotor 11 liefert, der mit der Welle der Schraube3 verbunden ist. Ein Hilfserzeuger 12 kann gleich- · falls durch die Turbine 4, 8 getrieben werden. Er liefert elektrische Energie für verschiedene Zwecke an Bord des Schiffes, einschließlich der Erregung des Stromerzeugers 10 und des Motors 11. Ein Schalter 13 gestattet die Umkehr der elektrischen Verbindungen der Feldwicklungen vom Motor 11 und Stromerzeuger 10; weiter sind veränderliche Widerstände 14, 15 in den Kreis der Feldwicklung des Stromerzeugers .. 10 eingeschaltet. Es können Ausschalter und dgl. Hilfseinrichtungen in den Stromkreisen vorgesehen sein, wie sie sich für einen zweckmäßigen Betrieb der Anordnung ergeben, "wiefür den Fachmann ohne weiteres klar.ist.

Die Turbine 4, 8 ist mit einein Regler 16 ausgestattet, z. B. einem Fliehkraftregler, der: -das Arbeiten eines Regelventils 17 zur Ein-" stellung des Dampfzulasses zum Turbinenteil 8 ' steuert. Der Regler 16 vermag weiter die Größe des Widerstandes im Feldkreise des Stromerzeugers 10 durch den Regelwiderstand 15 einzustellen. .

Der Regler 16 kann ferner auch auf das Umschaltventil 7 einwirken, welches in bekannter; ■■■ Weise einen Teil des Abdampfes oder-den gesamten Abdampf der Hauptkraftmaschine zum . Kondensator 5 strömen läßt. ' \

Statt dessen kann auch ein zweiter Regler 18 für diesen Zweck vorgesehen sein. Der Regler 18 kann auch als zusätzliche Sicherung Verwendung finden, beispielsweise um die Ventile 7 und 17 bei übermäßiger Beschleunigung der Turbine zu schließen.

Bei normaler Belastung ist das Regelventil 17 geschlossen, und die Abdampfturbine wird ausschließlich durch den Auspuff dampf getrieben; ihre Leistung wird teils auf die Hauptwelle 2 übertragen, teils erzeugt sie durch den Stromerzeuger 12 Strom für die Hilfsmaschine. Wenn die Geschwindigkeit der Kolbendampfmaschine irgendwie absinkt, so ergibt sich daraus eine verminderte Zufuhr von Auspuffdampf zur Turbine, deren Geschwindigkeit sinkt, dann spricht der Regler 16 an und.legt durch den Stellwiderstand 15 einen Widerstand in den Feldkreis des Stromerzeugers 10, wodurch dessen Leistung entsprechend sinkt und dadurch bei der zur Verfügung stehenden Abdampfmenge die gewünschte gleichförmige Geschwindigkeit erhalten bleibt. Ist schließlich die Abgabe des Stromerzeugers 10 auf Null gesunken und nimmt die zur Verfügung stehende Auspuffdampfmenge weiter ab, so wird die elektrische Energie vom Motor 11 (der dann, als Stromerzeuger wirkt) dem Stromerzeuger 10 (dann als Motor arbeitend) zugeleitet und wirkt zusammen mit der Leistung der Turbine 4, um den Hilfsstromerzeuger 12 mit der erförderHchen Geschwindigkeit zu treiben. Das wird unter Steuerung des Reglers 16 so lange andauern, bis die so erzielte verbundene Leistung nicht SS ausreicht, die verlangte Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten. An diesem Punkt ändert sich die Wirkung des Reglers 16. Jede weitere Verringerung der Auspuffdampfmenge veranlaßt den Regler, wieder zu arbeiten; jetzt aber wirkt er mit dem Reglerventil 17 zusammen auf Zulassung von Frischdampf zum Turbinenabschnitt 8, der dann in einer für Dampfturbinen mit gleichbleibender Geschwindigkeit üblichen Art geregelt wird. Bei zunehmender Dampfmenge spielt sich der im einzelnen geschilderte Vorgang im umgekehrten Sinne ab. Eine Ausführungsform eines Getriebes zur Erzielung des Zusammenwirkens zwischen Regler 16, Stellwiderstand 15 und Reglerventil 17 ist in Fig. 2 mit Verwendung des Öldruckservomotors wiedergegeben. Der Stellwiderstand 15 ist als Kurbelwiderstand dargestellt, bei dem der in dem "Stromkreis liegende Widerstand allmählich durch Bewegung eines Armes 20 über eine Mehrzahl von Kontakten 21 vergrößert" oder verringert wird. Das Ventil 17 wird durch Heben oder Senken der Spindel 22 geöffnet und geschlossen.

In Fig. 2 sind die Teile in der Nähe der Mittelstellung wiedergegeben, Eine sinkende eschwindigkeit der Turbine veranlaßt den

Regler i6, DruckÖl zum Zylinder 23 derart zuzuleiten, daß die Stange 24 entgegen der Wirkung einer Feder gehoben wird. Im Beispiel wird die Bewegung der Stange 24 auf den Kurbelarm 20 durch einen Stift 25 und auf das Reglerventil durch einen Stift 26, auf festen Wellen 29 und 30 drehbare Winkelhebel 27 und.28 und einen Stift 31 auf der Spindel 22 übertragen, die sämtlich in der für die Einwirkung auf die arbeitenden Teile geeigneten Weise angeordnet sind. Der Winkelhebel 27 weist an einem Ende einen Anschlag 32 auf ; ist der Winkelhebel weit genug im Uhrzeigerdrehsinne geschwenkt, so trifft der Anschlag auf einen Arm 33, der drehbar auf der Welle 29 sitzt, und zwingt ihn, an einer etwaigen weiteren Schwenkung des Winkelhebels 27 im Uhrzeigerdrehsinne ,teilzunehmen. Diese weitere Drehung, wieder wird auf den Winkelhebel 28 durch einen Lenker 34 übertragen, der an die Enden der Hebel 33 bzw. 28 angelenkt ist. Dies führt zum Anheben der Ventilspindel 22 und damit zum Öffnen des Ventils τη-. Diese Öffnung erfolgt entgegen der Einwirkung einer Feder, so daß bei Drehung des Winkelhebels 27 entgegen dem Uhrzeigerdrehsinne die Feder das Ventilgetriebe und das Ventil selbst veranlaßt, der Bewegung des Anschlages 32 zu folgen. Die Stifte 25, 26 und 31 können einstellbar sein, um eine Einregelüng der verschiedenen Teile des Getriebes möglich zu machen.

Es sei nunmehr das Arbeiten der Anlage' von der Mittellage nach Fig. 2 betrachtet. Zunächst sei angenommen, daß die verfügbare Auspuff dampfmenge geringer wird. Die Geschwindigkeit der Turbine sinkt, und der Regler 16 läßt dem Kraftkolben 23 Drucköl derart zufließen, daß die Stange 24 aufwärts geht und die Hebel 20 und 27 im Uhrzeigerdrehsinne bewegt. Die Drehung der Kurbel 20 führt zur Einschaltung eines größeren Teils des Widerstandes 15 in den Feldkreis des Stromerzeu- ■ gers 10; der Anschlag 32 bleibt aber noch außer Berührung mit dem Arm 33. Ist die sich er- ; gebende Entlastung des Stromerzeugers 10 aus- ^: reichend zum Ausgleich des Ausfalls im Auspuffdampf, so 'kommt das Regelsystem zur Ruhe; sonst folgt eine weitere Aufwärtsbewegung der Stange 24 .und Einschaltung eines noch größeren Teils des Widerstandes 15 in den Feldkreis, Schließlich wird ein Punkt erreicht, bei dem. die Zusammenarbeit des Motors 11 und des Stromerzeugers 10 nicht ausreicht, die geforderte Geschwindigkeit der Turbine zu erhalten, und etwa in diesem Zeitpunkt trifft der ^; Anschlag 32 auf den Arm 33. Jeder weitere Anhub der Stange 24 infolge fortgesetzten Bestrebens der Turbinengeschwindigkeit abzusinken, verursacht nunmehr einen entsprechen-

den Anhub der Spindel 22 und Öffnung des Ventils 17 in der schon .beschriebenen Weise, so daß dem Turbinenabschnitt 8 Frischdampf zufließt. Gewünschte'nfalls kann das Umleitventil 7 entsprechend eingestellt werden, so daß die richtige Dampfmenge durch die Turbine strömt.

Für den Fachmann auf dem Reglergebiet ergeben sich leicht mannigfache Abänderungen der Regelanlage. Beispielsweise können die Stifte, Winkelhebel und Lenker durch Zahnräder und Zahnstangen ersetzt und der Totgang zwischen Winkelhebel 27 und Arm 33 durch Auslassung eines Zahnes an den Zahnrädern erzielt werden. Statt einer mechanischen Verbindung zwischen Stange 24 und Spindel 22 kann ein getrenntes Ölrelais für die Spindel benutzt werden, dessen Ölzufuhr von einem Regelventil gesteuert wird, das von der Stange 24 oder vom Kurbelarm 20 abhängig ist.

Durch die beschriebene Reglereinrichtung kann eine wesentlich gleichbleibende Geschwindigkeit des Turbo-Stromerzeugersatzes aufrechterhalten werden, so daß die Spannung am Hilfsstromerzeuger 12 gleichfalls im wesentlichen konstant gehalten werden kann. Diese Wirkung kann auch durch einen elektrischen Regler an Stelle des Fliehkraftreglers erreicht werden, beispielsweise durch die Anordnung nach Fig. 3.

Bei dieser Anordnung ist der Hilfsstromerzeuger, dessen Spannung konstant gehalten werden soll, wieder bei 12 dargestellt. Ein elektrisches Spannungsrelais 44 besitzt im dargestellten Falle eine Spule 45, die an die vom Stromerzeuger" 12 kommende Schiene angeschlossen ist. Der magnetische Zug der Spule 45 bewegt einen Kolben 46, der unter Wirkung einer Feder 47 steht, und schließt wechselnd den einen oder anderen eines Paares von Stromkreisen über Kontakte 50, 51, je nachdem der magnetische Zug größer oder kleiner ist als die entgegenwirkende Zugkraft der Feder 47. Wenn die beiden Zugkräfte gleich sind (entsprechend der richtigen Spannung des Stromerzeugers 12), so wird keiner von beiden Kreisen geschlossen. Die beiden Stromkreise, die das Relais 44 schließen kann, speisen die Schaltspulen einer Umschaltkontaktvorrichtung48, die einen Servomotor 49 im einen oder anderen Sinne umlaufen läßt. Dieser Servomotor kann die Stelle des Servomotors oder Ölrelais 23 der Fig. 2 übernehmen, indem die Stange 24 beispielsweise durch Ritzel und Zahnstange bewegt wird. Der Servomotor kann auch durch entsprechende Übersetzungsgetriebe einen der miteinander gekuppelten Winkelhebel 20, 27 treiben oder jeden für sich. Die oben erwähnte Rückstellfeder für das Getriebe kann hier wegfallen, weil durch den Servomotor 49 ein Kraftantrieb in beiden Richtungen geliefert werden kann.

Die Schaltung von oberen und unteren Kontakten 50, 51 des Relais 44, Umschaltvor-

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richtung 48 und Servomotor 49 ^:ist derart, daß bei abfallender Spannung des Stromerzeugers 12 infolge abnehmender Geschwindigkeit der Turbine 4 der Kontakt 50 geschlossen wird, worauf der Servomotor 59 in solchem Sinne läuft, daß er die Kurbeln 20 und 27 im Uhrzeigersinne dreht, was, wie bei Fig. 2 beschrieben, zu einer Entlastung des Stromerzeugers 10 führt und schließlich zur Zulassung von Frischdampf zur Turbine. Eine Zunahme in der Spannung veranlaßt den Servomotor 49, im entgegengesetzten Sinne zu laufen, und zwar gesteuert durch die Kontakte 51 des Relais 44; richtige Spannung läßt das System in Ruhe.

Die unter Bezug auf Fig. 3 beschriebene Anordnung kann abgeändert werden, beispielsweise in der Art,'daß man das Spannungsrelais 44 unmittelbar ein Ölrelaissystem steuern läßt, wie es in Verbindung mit Fig. 2 erwähnt wurde. Die Kontakte 50 und 51 wurden dann wegfallen, und an ihrer Stelle würde der Kolben 46 die beweglichen Teile eines Regelventils beeinflussen, wie es üblicherweise dem Regler eines mit Ölrelais arbeitenden Reglersystems zugeordnet ist. Die Bewegung dieses Regelventils würde dann durch die Zusammenwirkung der Spulen 45 und der Feder 47 gesteuert werden. Die Regeleinwirkung wird dann an ein Getriebe weitergeleitet, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Die Wirkungsweise würde im wesentlichen die gleiche sein wie in dem oben beschriebenen Fall, bei dem die Steuerung vom Fliehkraftregler 16 ausgeht. Bei dieser abgeänderten Anordnung wurden natürlich Umschaltvorrichtung 48 und Servomotor 49 wegfallen.

Die beschriebenen Anordnungen gestatten die Umkehr der Drehrichtung der Hauptkraftmaschine ι und der Schraubenwelle 3, wobei die elektrischen Verbindungen zwischen Motor

11 und Stromerzeuger 10 mittels des Schalters 13 umgekehrt werden. Wenn die Hauptmaschine ι nicht arbeitet, so kann der Turbine Frischdampf durch das Rohr 9 zugeführt werden, um elektrische Energie durch den Stromerzeuger

12 erzeugen zu lassen. In diesem Falle werden die Stromkreise von Stromerzeuger 10 und Motor 11 zweckmäßig getrennt, und die Geschwindigkeit der Turbine wird durch Regler in der üblichen Weise gesteuert.

Für die praktische Anwendung der Erfindung ist es vorteilhaft, eine Entkupplung der Hauptmaschine ι von der Schraubenwelle sowie Einrichtungen vorzusehen, die die Mittel zur Entlastung der Turbine von der Schiffsantriebslast unwirksam machen. Die Turbine kann dann im Notfalle allein" verwendet werden, um die Schraubenwelle zu treiben, wobei die Hauptdampfmaschine außer Tätigkeit ist. In diesem Falle wird die Turbine ausschließlich mit Dampf durch das Rohr 9 gespeist, und die Zulassung "von Dämpf kann" dann durch den dem Ventil 17 zugeordneten Regler (oder die Regler) zwischen der vollen Öffnungs- und der vollen Schließlage des Ventils bewirkt werden.

Die Erfindung ist nicht auf die geschilderte elektrische Ausführung beschränkt, und es können andere Formen von veränderlichen Kraftübertragungsmitteln benutzt werden. Beispielsweise möge eine hydraulische Kupplung erwähnt werden, durch welche die Belastung der zweiten Kraftmaschine dadurch gesteuert werden kann, daß man den Schlupf in der Kupplung durch Regeleinrichtungen beispielsweise der beschriebenen Art ändert.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Regeleinrichtung für eine Kraftanlage, * bei der die Leistung der einer Kolbenmaschine nachgeschalteten Abdampfmaschine auf die Welle der Hauptmaschine übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Geschwindigkeit der Abdampfkraftmaschine (4) ansprechende Regeleinrichtungen (16) die Leistungsabgabe der Abdampfkraftmaschine (4) an die Hauptantriebswelle (2) in der Weise beeinflussen; daß nur der Überschuß über eine an eine Hilfsmaschine (12) abgegebene Leistung auf die Hauptwelle (2) übertragen wird.
2. 2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (16) die Zufuhr von Frischdampf zu einer besonderen Stufe (8) der Abdampfkraftmaschine (4) durch ein Ventil (17) freigibt, sobald ihre Geschwindigkeit unter einen bestimmten Wert abzusinken sucht.
3. 3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Abdampfkraftmäschine mit der Hauptwelle durch. Gleichstromgeneratoren und Gleichstrommotoren gekuppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtungen (16) zur Veränderung der von der Abdampfmaschine (4) auf die Hauptwelle (2) abgegebenen Belastung regelnd auf die Feldstärke des Generators (10) einwirken.
4. 4. Regeleinrichtung nach'Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (16) auf einen Drucköl-Servomotor (23) einwirkt, der über den Antriebsteil (20) eines Regelwiderstandes (15) im Kreise der Stromerzeugerfeldwicklungen (10) und über eine Totgangverbindung (27 bis 34) auf das Regelventil (17) für die Steuerung der Triebmittelzufuhr zur Abdampfkraftmaschine einwirkt, und zwar derart, daß eine Beeinflussung des Servomotors (23) in einer Richtung zunächst vergrößernd auf den Widerstand im Kreise einwirkt, während das Spiel in der Totgangverbindung durchr laufen wird, wonach eine fortgesetzte Be-

   wegung des Servomotors in der gleichen Richtung nach Einschaltung des Gesamtwiderstandes in den Kreis vergrößernd auf den Durchlaß des Regelventils (17) einwirkt.
5. 5. Anlage nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Regeleinrichtung (Fig. 3) benutzt wird, die auf die Spannung des Stromerzeugers (12) der Hilfsmaschinen anspricht und die an die Hauptwelle (2) abgegebene Belastung der Abdampfkraftmaschine (4) in der Weise verändert, sowie auf die Zulassung von Treibmitteln zur Abdampfkraftmaschine (4) so einwirkt, daß ihre Geschwindigkeit und Spannung im wesentlichen gleichbleiben.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen