DE643909C - Regler fuer Kraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Beherrschung der Geschwindigkeit bzw. Leistung von Kraftmaschinen geschieht gewöhnlich durch Verstellung einer Steuerung, welche z. B. die Zuführung des Treibmittels in die Maschine regelt. Das allgemein benutzte grundlegende Regulierelement, welches auf die Geschwindigkeitsänderung der Maschine anspricht, ist der Fliehkraftregler, der im Bereiche seines Ungleichförmigkeitsgrades bestrebt ist, annähernd die gleiche Umdrehungszahl bei allen Belastungen des Motors einzuhalten. Bei Steuerorganen, die eine größere Verstellkraft benötigen, ist es nicht möglich, direkt einen Fliehkraftregler zu verwenden, sondern man ist gezwungen, zu einer indirekten Regulierung überzugehen, bei welcher beispielsweise ein Hilfsmotor die Verstellung der Steuerung bewirkt, in den Drucköl von dem durch den Fliehkraftregler betätigten Steuerschieber eingeleitet wird.

Diese Regulierungsart ist nachteilig wegen der begrenzten Geschwindigkeit des Regulierverlaufes. Die Zuführung des Drucköles stellt sich nämlich erst nach Überwindung der Unempfindlichkeiten des Reglers ein, und auch die Beschleunigung der Massen, welche in Bewegung gesetzt werden müssen, erfordert eine gewisse Zeit. Diese Verzögerung des Regulierverlaufes ist geradezu unzulässig bei modernen Turboaggregaten, wo das Trägheitsmoment der rotierenden Massen im Vergleich zu den großen Überschüssen der Antriebsmomente, die im Falle einer plötzlichen Entlastung des elektrischen Generators auftreten, unbedeutend ist.

Um den Regulierverlauf zu beschleunigen, wurde bereits die Wirkung der Zentrifugalkräfte im Regler durch die Wirkung von Trägheitskräften ergänzt, wobei durch genaue Untersuchungen das günstigste Verhältnis der Trägheitsmasse zur gesamten reduzierten Masse des Reglers festgestellt werden kann, genau so wie erweisbar ist, daß eine Regelung, die bloß mit Trägheitskräften arbeitet, überhaupt unmöglich ist.

Es sind auch Regler für Kraftmaschinen bekannt, bei denen die Regulierimpulse von der gegenseitigen Winkelverdrehung der Maschinenwelle und einer mit festgelegter Drehzahl umlaufenden Synchronwelle abgeleitet werden, wobei die Umdrehungen dieser Hilfswelle entweder konstant aufrechterhalten oder je nach der Belastung der Maschine geändert werden.

Diese Differentialregler arbeiten z. B. nach einem vollkommen mechanischen oder hydraulischen Prinzip, indem sie entweder die

Steuerung direkt durch eine Bewegung verstellen, die bei auftretender Geschwindigkeitsänderung im Differentialgetriebe entsteht, oder so, daß die Verstellkräfte aus den Zarjadrücken verschieden geschalteter Schnee' ~ räder abgeleitet werden. In anderen verwendet man den Geschwindigkeitsunti schied beider Wellen bloß zum Einschalten' des elektrischen Stromes, der dann durch ίο einen Hilfsmotor die eigentliche Regulierarbeit leistet.

Der praktischen Verwendung dieser Differentialregler steht jedoch der Umstand im Wege, daß der Regulierimpuls, der z. B. durch die Beschleunigung der Maschine gegenüber der Geschwindigkeit der Synchronwelle hervorgerufen wurde, so lange dauert, als dieser Geschwindigkeitsunterschied besteht, was jedoch unvermeidlich zum Überregulieren führt. Bloß durch komplizierte Einrichtungen in Form von Geschwindigkeitsrückführung wäre es vielleicht möglich, bei diesen Differentialreglern ein unzulässiges Schwingen zu verhindern.

Die Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welcher in erster Reihe eine bedeutende Geschwindigkeit des Regulierverlaufes angestrebt wird, beruht auch auf dem Prinzip des Vergleiches der Maschinengeschwindigkeit mit der Geschwindigkeit einer besonderen HiItV oder Synchronwelle, deren Drehzahl entweder gleichgehalten oder nach vorgeschriebenen Richtlinien geändert wird. Die Erfindung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Maschinenwelle und der Synchronwelle ein selbständiger, mit einem bestimmten Trägheitsmoment ausgestatteter, umlaufender Schaltkörper angeordnet ist, der mit dem an der Maschinenwelle angebrachten Gegenschaltkörper durch eine einstellbare Feder oder ein äquivalentes !Mittel und mit der Synchronwelle durch eine einstellbare Schlupfkupplung oder ein äquivalentes Mittel verbunden ist.

Der Regler gemäß der Erfindung vereinigt in sich alle Vorzüge der bekannten Regler, indem zur Erzeugung und Verteilung der richtigen Regulierimpulse der neuartige Schaltkörper dient, der die kombinierte Funktion eines Trägheits- sowie auch eines Differentialreglefs erfüllt.

Auf der Zeichnung ist in Abb. 1 und 2 als

Beispiel eine mit Drucköl arbeitende Ausführungsform dargestellt, die sich u. a. für eine Isodromregelung von Dampfturbinen eignet.

Das Öl, das beim Anlassen der Maschine durch eine (nicht gezeichnete) Hilfsölpumpe geliefert wird, strömt durch den Saugstutzen ι zur Zentrifugalpumpe 2, die Vorzugsweise direkt auf der Turbinenwelle 3 angeordnet ist. Die Pumpe 2 kann gegebenenfalls auch als Zweidruckpumpe ausgeführt werden und kann dann einerseits öl mit niedrigerem Druck für die Schmierung der t;;Lager, andererseits öl mit höherem Druck !■Tjf/ür die Steuerung liefern. Das Öl strömt durch die Bohrung 4 des Pumpenkörpers und durch die öffnungen 5 der röhrenförmigen Verlängerung 6 des Pumpenlaufrades in den Schaltkörper 7, der hier die Rolle des Impulselementes übernimmt, der mit dem Gegenschaltkörper 6 durch eine Feder 8 in Verbindung steht, die eine gegeneinander unveränderte Lage der beiden Teile 6 und 7 einzuhalten bestrebt ist. Auf der anderen Seite ist der Schaltkörper 7 mittels Reibung durch die mechanische oder hydraulische Bremse 9 mit der Scheibe 10 verbunden, welche durch den Motor oder einen anderen Apparat 14 auf annähernd konstanter Drehzahl gehalten wird, wodurch sich auf den Schaltkörper 7 ein Synchronisierungseinfluß geltend macht. Im Beharrungszustande der Maschine drehen sich also alle drei Elemente 6, 7 und 10 mit gleicher Geschwindigkeit, wobei die Turbinenregelung in Ruhe verharrt, denn der Austritt des Drucköles wird durch die Überdekkung der Kanälen und 12 zwischen dem Schaltkörper 7 und dem Gegenschaltkörper 6 verhindert (Abb. 2).

Bei einer Entlastung der Maschine beschleunigt sich zunächst der mit der Welle 3 verbundene Gegenschaltkörper 6 in der Pfeilrichtung (Abb. 2), und der durch Trägheitskräfte sowie auch durch Reibung mittels Bremse 9 vorübergehend auf konstanter Drehzahl gehaltene Schaltkörper 7 läßt Drucköl durch den Kanal 11 und die Rohrleitung 13 über den Arbeitskolben der Steuerung, wodurch ein Schließen der Ventile erzielt wird. Gleichzeitig strömt durch den geöffneten Kanal 12 das Öl von der unteren Seite des Kolbens in die Ablaufleitung. Durch das Voreilen des Gegenschaltkörpers 6 vergrößert sich jedoch die Spannung der Feder 8, welche endlich die Reibung an der Bremse 9 überwindet und nunmehr auch den Schaltkörper 7 zu beschleunigen beginnt. Durch den Einnuß der erhöhten Federspannung überschreitet schließlich die Geschwindigkeit des Schaltkörpers 7 die Geschwindigkeit des Gegenschaltkörpers 6, wodurch die Kanälen und 12 wieder geschlossen werden. Die Reibung zwischen dem Schaltkörper 7 und der Synchronisierungsscheibe 10 übt dabei einen dämpfenden Einfluß aus, und da nunmehr das Bestreben herrscht, den Schaltkörper 7 auf die ursprüngliche Geschwindigkeit zu brin- iao gen, wird infolge seiner Verzögerung und des dadurch bedingten teilweisen öffnens der

Kanäle 11 und 12 auch die Drehzahl der Maschine herabgedrückt. Durch Wahl des Trägheitsmomentes des Schaltkörpers 7 sowie Wahl des Federgesetzes der einstellbaren Feder 8 und durch Bestimmung der Reibungsgröße auf der einstellbaren Bremse 9 ist es möglich, die neuen Gleichgewichtslagen nach einer kleinen Anzahl rasch verlaufender Ausschläge zu erzielen.

ίο Bei einer Belastung der Turbine ist der Regulierverlauf ganz analog, nur daß statt einer Beschleunigung eine Verzögerung der Teile 6 und 7 gegenüber dem normalen Lauf

• in Betracht kommt.

An Stelle der Verbindung des Schaltkörpers 7 mittels Feder bzw. durch Reibung mit den Teilen 6 und 10 ist es möglich, auch andere Einflüsse zu benutzen. Z. B. kann die Flüssigkeit, welche durch die Kanäle 11 und 12 strömt, solche Drücke auf den Schaltkörper ausüben, welche bestrebt sind, ihn wieder in die Mittellage zu bringen, so daß die Zentrierfeder wegfallen könnte. Ebensogut kann auch ein Elektromagnet, welcher z. B.

in dem Gegenschal tkörper .eingebaut ist, Kräfte von derselben Art auf den Schaltkörper ausüben.

Die Synchronisierscheibe 10, deren Drehzahl sich in diesem Falle so wenig wie möglieh ändern soll, läßt sich auf verschiedene Art antreiben. Verwendet man einen kleinen Elektromotor, so kann dieser durch Gleichstrom konstanter Spannung gespeist werden, oder es kann in großen Drehstromzentralen eine besondere gemeinsame Stromquelle konstanter Frequenz zur Verwendung gelangen. Dort, wo eine derartige Antriebsart nicht in Betracht kommt, ist es möglich, als Antriebsquelle einen durch einen kleinen Fliehkraft- regler geregelten dünnen Flüssigkeitsstrahl zu benutzen. Mit Rücksicht auf die verschwindend kleinen Verstellkräfte kann ein derartiger Regler sehr leicht den Anforderungen in bezug -auf die Empfindlichkeit und den Ungleichförmigkeitsgrad genügen. Als besonderer Vorteil macht sich hier auch der Umstand geltend, daß das Gleichgewicht zwischen der treibenden Kraft des Strömungsdruckes und dem Widerstand der Ventilation der Scheibe 10 bloß durch die veränderliche Reibung an der Bremse 9 unterbrochen ist, die sich durch eine entsprechende Konstruktion angemessen begrenzen läßt. Außerdem kann durch Wahl eines großen Trägheitsmomentes der Scheibe 10 die Winkelbeschleunigung bzw. Verzögerung der Synchronisierwelle auf einen Bruchteil derselben Größen der Hauptwelle der Maschine herabgesetzt werden.

Dort, wo auf die Genauigkeit der Regulierung kein besonderer Wert gelegt wird, kann gegebenenfalls jede Regelung des Antriebsstrahles wegfallen, denn der selbstregulierende Einfluß der Abhängigkeit der Ventilationsverluste der Synchronwelle von der Drehzahl (n³) kann schon zur Erhaltung der Geschwindigkeitsänderungen in den zulässigen Grenzen genügen.

Mit Rücksicht auf die bequeme Drehzahländerung der Synchronisierwelle ist es mÖg-Hch, der Regelung der Maschine einen beliebigen Ungleichförmigkeitsgrad zu geben. Wird zum Antrieb ein Elektromotor verwendet, so ist es besonders leicht, seine Geschwindigkeit durch Widerstandsschaltung abhängig von der Maschinenleistung oder der Gesamtleistung der Zentrale zu ändern. Wird als treibende Kraft der Strahldruck einer Flüssigkeit verwendet, so kann" man ihre Größe z. B. durch einen Druckregler beherrschen. Dessen Impulse können von dem Druck des Auspuffdampfes bei einer Gegendruckturbine oder, im Falle eines Pumpenaggregates, von dem Druck der geförderten Flüssigkeit abgeleitet werden. In allen Fällen ist es selbstverständlieh auch möglich, durch Benutzung der gewöhnlichen Rückführung, welche die Bewegung der Regulierventile auf die Einrichtung zur Drehzahländerung der Synchronwelle überträgt, die Isodromität der Steuerung aufzuheben.

Von den verschiedenen Ausführungsmöglichkeiten der Einrichtung, die auf der Zeichnung in Abb. ι und 2 dargestellt ist, mag z. B. die Ausführung mit der Zentrifugalpumpe angeführt sein, die für einen einheitlichen niedrigeren Druck zwecks Schmierung bemessen ist, wobei die Druckerhöhung auf die für die Regulierung notwendige Größe den entsprechend ausgebildeten Kanälen im ioo Teil 15 überlassen bleibt (Abb. 3). Der Schaltkörper ist hier mit 16 bezeichnet, während der Pfeil 17 den Ölzufluß aus dem Saugraum und 18 den Ölablauf andeutet. Die Verbindung in den Raum über dem Arbeitskolben der Steuerung ist mit 19, die Verbindung mit dem Raum unter dem Arbeitskolben mit 20 bezeichnet. Die Zentrifugalpumpe kann auch als rotierender Behälter mit einem Vorrat an Druckflüssigkeit ausgebildet werden, was natürlich hauptsächlich bei größeren Entlastungen der Maschine zur Erhöhung der Geschwindigkeit des Regulierverlaufes beiträgt. In einigen Fällen wird es günstiger sein, zur Erzeugung von Drucköl eine Zahnradpumpe zu verwenden. Der Schaltkörper sowie die Synchronisierwelle werden dann für eine Drehzahl ausgeführt, die von der Maschine durch eine Übersetzung ins Schnelle oder Langsame abgeleitet wird.

Ferner ist es selbstverständlich möglich, die beschriebene Einrichtung auch in ver-

kleinertem Maßstabe zu verwenden, so ζ. B. als Impulsquelle zur Beherrschung des Steuerschiebers der eigenen indirekt wirkenden Steuerung, was hauptsächlich bei Maschinen von Vorteil ist, deren Steuerung verschiedenen Ansprüchen genügen soll, z. B. bei Entnahmeturbinen.

In Abb. 4 und 5 ist als weiteres Beispiel schematisch eine Geschwindigkeits- bzw. Leistungsregelung gezeigt, bei welcher der Teil 21 (Gegenschaltkörper) der Maschinenwelle 3 und der Schaltkörper 22, deren augenblickliche Verschiebung den Reguliereingriff bewirkt, mit elektrischen Kontakten, und zwar einem schließenden 23 und einem öffnenden 24 derart versehen sind, daß durch ein Schließen des Stromkreises der gewünschte Regelungsvorgang der Maschine stattfindet.

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung bleibt derselbe, denn auch in diesem Falle stellt der Schaltkörper 22 eine Trägheitsmasse dar, die durch Kräfte, z. B. durch eine Feder 25, einerseits mit dem Gegenschaltkörper 21 der Maschinenwelle 3, anderseits, z. B. durch eine Schlupfkupplung oder Bremse 2"j, mit der Welle des Elektromotors 2Ö in Verbindung steht.

An Stelle der Kanäle für Drucköl wirken in diesem Falle die auf dem Gegenschaltkörper 21 (vgl. auch das Schaubild gemäß Abb. 5) angeordneten elektrischen Kontakte 23 und 24 in derselben Weise wie bei der Regelungsart nach Abb. 1, 2 und 3. Daher ist der Regelungs\"erlauf hier genau so wie früher, ganz gleichgültig ob die geschlossenen Stromkreise mit Hilfe eines Elektromotors die Regelventile direkt verstellen oder ob, wie gezeichnet, mittels eines Elektromagneten 28 der Steuerschieber 29, der den Ülzurluß zum Servomotor 30 regelt, betätigt wird. Die Änderung der Drehzahl des Synchronmotors kann im Bedarfsfalle durch Schaltung von Widerständen 31 mittels Rückführung 32 von den Ventilen 33 bewirkt werden.

Bei einem Drehstrommotor wäre es auch denkbar, den Schaltkörper 22 mit dem Anker des Motors 26 direkt zu verbinden, wobei die Rolle der Schlupfkupplung von den elektromagnetischen Kräften übernommen wird, welche durch die veränderliche Winkelgeschwindigkeit des Rotors gegenüber der konstanten Geschwindigkeit des Drehfeldes des Stators entstehen.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   i. Regler für Kraftmaschinen, dessen Regulierimpulse von der gegenseitigen Winkelverdrehung der Maschinenwelle und einer mit festgelegter Drehzahl umlaufenden Synchronwelle abgeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Maschinenwelle (3) und der Synchronwelle (Motor 14 bzw. 26) ein selbständiger, mit einem bestimmten Trägheitsmoment ausgestatteter, umlaufender «5 Schaltkörper (7 bzw. 22) angeordnet ist, der mit dem an der Maschinenwelle (3) angebrachten Gegenschaltkörper (6 bzw. 21) durch eine einstellbare Feder (8 bzw. 25) oder ein äquivalentes Mittel und mit der Synchronwelle (Motor 14 bzw. 26) durch eine einstellbare Schlupfkupplung (9, 10 bzw. 27) oder ein äquivalentes Mittel verbunden ist.
2. 2. Regler nach Anspruch 1 mit einer unmittelbar von der Maschinenwelle angetriebenen Schleuderpumpe zur Erzeugung des der Regelung dienenden Flüssigkeitsdruckes, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (2) der Pumpe mit dem Gegenschaltkörper (6 bzw. 21) aus einem Stück besteht.
3. 3. Regler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (33) der Maschine durch Rückführungsgestänge (32) an sich bekannter Art mit dem Drehzahlregler (31) der Synchronwelle (Motor 26) verbunden ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen