DE691394C

DE691394C - Control device for power machines, in particular water turbines

Info

Publication number: DE691394C
Application number: DE1938K0150741
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing E H Kamillo Koerner
Original assignee: E H KAMILLO KOERNER DR ING
Current assignee: E H KAMILLO KOERNER DR ING
Priority date: 1937-10-07
Filing date: 1938-05-25
Publication date: 1940-05-25

Description

Regeleinrichtung für Kraftmaschinen, insbesondere Wasserturbinen Die selbsttätige Reglung einer Kraftmaschine hat die Aufgabe, erstens bei gleichbleibenden Betriebsverhältnissen einengegebenen B.eharrtuigszustand festzuhalten und, zweitens bei Änderung der Betriebsverhältnisse; meist des Arbeitseffekts; 'd. i. des Produkts des Drehmoments und der Winkelgeschwindigkeit, einen neuen Beharrungszustand herzustellen, wobei gewöhnlich die möglichste Beibehaltung der ursprünglich vorgegebenen Drehzahl gefordert wird.Control device for power machines, in particular water turbines automatic regulation of a prime mover has the task, firstly, of constant Operating conditions to maintain a given B. in the event of a change in the operating conditions; mostly of the work effect; 'd. i. of the product the torque and the angular velocity to establish a new steady state, usually the most possible retention of the originally specified speed is required.

Die erste zu erfüllende Bedingung besteht somit darin, daß es möglich ist, zwischen dem mittleren Drehmoment der Kraftmaschine und jenem der - Arbeitsmaschine vollkommenes Gleichgevricllt herzustellen, da auch geringe Unterschiede dieser - Drehmomente dauernde Beschleunigungen oder Verzögerungen -verursachen würden. Die auffallendsten Änderungen des Betriebszustandes werden durch Wechsel des Nutzwiderstandes hervorgerufen. Dieser kann grundsätzlich -unmittelbar durch ein Schaltorgan der Kraftmaschine auf den Zufluß der Arbeitsflüssigkeit einwirken, was zur sog. dynamometrischen Reglung- führt. Hierzu kann jedes Dynamometer verwendet werden, indem dessen sonst zu Meßzwecken verwendete Lagenänderung das Schaltorgan beeinflußt, Jedoch werden hierbei Geschwindigkeitsänderungen, die von einer Änderung der Triebkraft, z. B. Dampfdruckschwankungen, Wechsel im Gefälle von Wasserkraftmaschinen, ,allmähliche oder zufällige Änderungen des Wirkungsgrades, Undichtheiten usw., herrühren, nicht, verhindert. Denn es besteht-dann zwar eine, :eindeutige Zuordnung zwischen dem Drehmöm@ent des Nutzwiderstandes und der Lage des Schaltorgans der Kraftmaschine; aber noch keine solche zwi- schen dieser Lage und dem Drehmoment der Kraftmaschine, -das ja bei gleicher Lage des Schaltorgans noch von anderen Einflüssen abhängt. Wenn also auch die genannte erste Bedingung in -einem Sonderfall erfüllt so ist doch eine praktisch brauchbare:: läng noch keineswegs .erreicht worden = @. Dieser Umstand bewirkt demnach, dai. Vif' m bereits bekannte, rein dynamometrische Reglung mittels Anwendung eines elektrischen Dynamometers, der sog. Leistungswaage, zur selbsttätigen Reglung nicht' ausreicht, wenn auch in einem Einzelfall das Gleichgewicht des Drehmoments von Kraft- und Arbeitsmaschinenerzielt werden kann, wie bei jedem andern Dynamometier. Es ist noch eine Einrichtung erforderlich, die dieses Gleichgewicht auch für den Fall unausbleiblicher Ungenauigkeit bei allen Belastungen und bei Änderungen der Triebkraft oder es Wirkungsgrades der Kraftmaschine auch bei Bleieher Lage seines Schaltorgans wiederherstellt, indem etwa eingetretene Geschwindigkeits-Änderungen auch auf das aktive Drehmoment einwirken. Es bedarf übrigens wegen der Massenträgheit und der Reibungswiderstände der Verbindungsbeile zwischen Dynamometer und -Schaltorgan stets .einer gewissen Zeit zu dessen richtiger Einstellung, so daß es einer plötzlichen Änderung des Nutzwiderstandes nicht unbedingt folgen kann.- Auch dadurch ergeben sich Änderungen der Drehgeschwindigkeit, ° ,die nur durch Einwirkung dieser selbst gutgemacht werden können. Demnach ist bei der rein dynamometrischen Reglung die Erzielung einer vorgegebenen Geschwindigkeit dauernd überhaupt nicht möglich; es ist die Hinzufügung eines taehometrisch:en Regelorgans erforderlich. Es handelt sich eben nicht nur um -das Gleichgewicht der Drehmomiente, sondern auch um die Erzielung einer möglichst gleichbleibenden Dre1@'geschg>indigkeit; d: h: ges müssen Kräfte einwirken, die bei .einer Störung in -jedem Sinne den ursprünglichen Zustand wiederherstellen, -was als statische Stabilität bezeichnet wird.The first condition to be fulfilled is that it is possible to establish perfect alignment between the mean torque of the prime mover and that of the working machine, since even slight differences between these torques would cause accelerations or decelerations. The most noticeable changes in the operating state are caused by a change in the useful resistance. In principle, this can act on the inflow of the working fluid directly through a switching element of the prime mover, which leads to what is known as dynamometric regulation. For this purpose, any dynamometer can be used in that its change in position, which is otherwise used for measuring purposes, influences the switching element. B. steam pressure fluctuations, changes in the gradient of water power machines, gradual or random changes in efficiency, leaks, etc., arise, not, prevented. Because then there is a: unambiguous assignment between the rotary capacity of the useful resistance and the position of the switching element of the engine; but there is still no such between this position and the torque of the prime mover, which is dependent on other influences given the same position of the switching element. So even if the aforementioned first condition is met in a special case, a practically useful :: has by no means been achieved = @. This circumstance therefore causes dai. Vif 'm already known, purely dynamometric control using an electric dynamometer, the so-called power balance, is not sufficient for automatic control, even if the balance of the torque of prime movers and working machines can be achieved in an individual case, as with any other dynamometer. A device is also required to restore this equilibrium even in the event of unavoidable inaccuracy with all loads and changes in the driving force or the efficiency of the engine even with Bleieher's position of his switching element, in that any speed changes that have occurred also act on the active torque. Incidentally, because of the inertia and the frictional resistance of the connecting axes between the dynamometer and the switching element, it always takes a certain amount of time to adjust it correctly, so that a sudden change in the effective resistance cannot necessarily follow. which can only be made good through the action of this itself. Accordingly, with the purely dynamometric control, it is not always possible to achieve a predetermined speed; the addition of a taehometric: en regulating organ is necessary. It is not just a question of the equilibrium of the torques, but also of achieving a speed that is as constant as possible; In other words, forces must act which, in the event of a disturbance, restore the original state in every sense, which is known as static stability.

Außerdem müssen. die Differentialgleichungen der -einzelnen Freiheitsgrade so beschaffen sein, daß ;auch Dein Aufschaukeln der auftretenden Schwingungen reintritt (dynamische Stabilität), was ,aber. die statisdhe Stabilität zur selbstverständlichen Voraussetzung hat.Also have to. the differential equations of the individual degrees of freedom be made in such a way that; your rocking of the occurring vibrations also comes into play (dynamic stability) what but. the statistical stability to be taken for granted Has requirement.

Auf Grund . dieser Erwägungen wurde die in folgendem beschriebene Erfindiuig ausgearbeitet.Because of . These considerations became the one described below Ingeniously worked out.

Die übliche Reglung von Wasserturbinen ist eine mittelbare, da das Arbeitsvermögen eines Fliehkraftreglers wegen der' für die Verstellung der Leitschaufeln erforderlichen .großen Kräfte hierzu nicht ausreicht. Diese mittelbare Reglung; bestehend, aus Fliehkraft regler, Servomotor üsw., bildet bei großen Turbinenanlagen :einen verhältnismäßig kleinen Anteil an den Baukosten, so daß die ,.Aufstellung einer so teuren Regelvorrichtung :begründet ist. Dieser Anteil wird aber sehr "`bedeutend, wenn @es sieh um die Ausnutzung von kleinen Wasserkräften handelt; es kann hier der Anschaffungspreis der mittelbaren Regelvorrichtung im Verhältnis zu dem der Wasserturbine sehr ;groß werden, wodurch die Errichtung solcher Kleinwasserkraftan.-lagen unwirtschaftlich werden würde. Ähnliche Betrachtungen gelten auch für die sonstigen Kraftmaschinen, bei denen bisher eine mittelbare Reglung benötigt wird: Die Erfindung soll auch in Fällen von bieträchtliclien Regelwiderständen eine Reglung ohne besonderen Hilfsmotor ermöglichen, und zwar dadurch, daß ein. Dynamometer den größten Teil der Widerstandsarbeit überwindet und nur ein kleiner Rest durch einen G@eschwindigkeitsregler geleistet wird. Es handelt sich hier also um die Verbindung einer dynamometrischen Reglung mit einer tachometrischen.The usual regulation of water turbines is indirect, since that Work capacity of a centrifugal governor because of the 'for the adjustment of the guide vanes required .large forces for this is not sufficient. This indirect regulation; consisting of centrifugal governor, servo motor, etc., forms in large turbine systems : a relatively small share of the construction costs, so that the such an expensive control device: is justified. But this part becomes very "" important, if @ it concerns the exploitation of small water forces; it can be here the purchase price of the indirect control device in relation to that of the Water turbine very; become large, whereby the construction of such small hydropower plants would become uneconomical. Similar considerations also apply to the others Power machines that previously required indirect control: the invention should also in cases of considerable control resistances a regulation without special Allow auxiliary motor, in that a. Dynamometer for the most part the resistance work overcomes and only a small remainder by a speed controller is done. It is therefore a question of the connection of a dynamometric Regulation with a tachometric.

Zur ausführlichen Erläuterung dienen die Zeichnungen, die beispielsweise schematische Ausführungen veranschaulichen, und zwar unter Anwendung einer Leistungswaage und eines Federdynamometers.For a detailed explanation, the drawings serve, for example illustrate schematic designs, using a power balance and a spring dynamometer.

In Abb: i bezeichnet T den Regulierring der Wasserturbine,, der durch ein Gestänge, das eine zusätzliche Verdrehungsmöglichkeit des: Regulierringes gestattet,. mit dem Hebelarm 1I der Pendeldynamo L verbunden ist. F ist eine Feder, deren Moment dem resultierenden Moment (Summe aus dem Wasserdruck auf die Leitschaufeln und abgegebener Leistung der Wasserturbine) das Gleichgewicht hält. Der Katarakt I< begrenzt die Einflüsse der Massen während des Regelvorganges. R stellt einen Hebel des Geschwindigkeitsreglergestänges dar, der bei gegebener Länge des Hebelarmes der Pendeldynamo den Regulierring der Wasserturbine zusätzlich verdreht.In Fig: i, T denotes the regulating ring of the water turbine, which is driven by a linkage that allows the regulating ring to be additionally rotated. the pendulum dynamo L is connected to the lever arm 1I. F is a spring, the moment of which keeps the resulting moment (sum of the water pressure on the guide vanes and the power output of the water turbine) in equilibrium. The cataract I <limits the influence of the masses during the regulation process. R represents a lever of the speed control linkage, which additionally rotates the regulating ring of the water turbine for a given length of the lever arm of the pendulum dynamo.

In Abb. a bedeutet a Moment des Wasserdruckes auf die Leitschaufeln, b Moment der Pendeldynamo; c resultierendes Moment; f Moment der Federspannung, cp Drehwinkel der Pendeldynamo: Die Einrichtung arbeitet folgendermaßen: Bei gleichbleibender Belastung halten sich einerseits das genannte resultierende Moment und anderseits das Moment der. Federkraft das Gleichgewicht. Die Federkraft hängt von der Länge der Feder F in der betreifenden Läge ihres Aufhängepunktes ab, die ihrerseits auch die Lage des Dynamohebels festlegt. Durch geeignete Schränkung im Verbindungsgestänge dieses Hebels mit dem Regulierring der Turbine kann erreicht werden, daß# das Drehmoment der Dynamo in jeder Lage nahe gleich dem von der Turbine abgegebenen Drehmoment wird.In Fig. A a moment of the water pressure, b moment of the pendulum dynamo means on the guide vanes; c resulting moment; f Moment of spring tension, cp angle of rotation of the pendulum dynamo: The device works as follows: If the load remains the same, on the one hand the mentioned resulting moment and on the other hand the moment of the. Spring force equilibrium. The spring force depends on the length of the spring F in the respective position of its suspension point, which in turn also determines the position of the dynamo lever. By suitable twisting in the connecting linkage of this lever with the regulating ring of the turbine, it can be achieved that # the torque of the dynamo in every position is close to the torque output by the turbine.

Es -wird nun angenommen, daß im Punkte i (Abb, 2) dieses Gleichgewicht zwischen dem Pendeldynamomoment und dem Moment der Turbine herrsche. Bai Belastungsänderung, z. B. bei Leistungsabnahme und der dazugehörigen Verminderung des Statormornentes, -würde zunächst bei derselben Leitschaufelöffnung die Drehzahl steigen. Infolge des kleineren Statormomentes wird ein Überschuß an Federkraft frei, welcher den Hebelarm der Pendeldynamo und damit auch den Regulierring, der Wasserturbine so weit dreht (Punkt 2), bis wieder Gleichgewicht zwischen dem Moment der Federspannung und dem resultierenden Moment des Stators besteht. In dieser Stellung 2 entspricht aber das resultierende Moment nahezu einer Leitschaufel-@öffnun,g, welche bei der verlangten ,geringeren Leistung die konstante Drehzahl ergibt (dynamometrischie Reglung).It is now assumed that at point i (Fig. 2) this equilibrium prevail between the pendulum dynamo moment and the moment of the turbine. Bai load change, z. B. in the event of a decrease in power and the associated reduction in the stator torque, - the speed would initially increase with the same guide vane opening. As a result the smaller stator torque is an excess of spring force free, which the Lever arm of the pendulum dynamo and thus also the regulating ring, the water turbine like that rotates far (point 2) until equilibrium between the moment of spring tension is restored and the resulting moment of the stator. In this position 2 corresponds but the resulting moment of almost a vane opening, g, which occurs in the required, lower power the constant speed results (dynamometrischie Regulation).

Es ist aber nicht möglich, die Kurve. des Momentes der Federspannung mit der des Turbinenmomentes bei jeder Stellung zur Deckung zu bringen; es - wurde z. B. das resultierende Moment im Punkte 2 (Abb. 3) einer Fedierspannung im Punkte 3 entsprechen. Da jedoch im Punkte 3 die Leitschaufelöfnung größer als im Punkte 2 ist, daher die Leistung in diesem Punkte nicht der neuen Belastung entspricht, so würde die Drehzahl C fortwährend wachsen. Um nun die konstante Drehzahl bei der verlangten Leistung zu- erzielen, muß ein Zusatzregelorgan die Fedierspannun,g im Punkte 3 so weit er höhen, -daß die Leitschaufeln weiter schließen, bis durch die dadurch hervorgerufene Leistungsabnahme das Gleichgewicht mit der Dynamobelastung und damit die konstante Drehzahl erreicht ist. Dies wird erzielt, indem ein Fliehkraftregler den Regulierring der Turbine zusätzlich verdreht. Der Regler hat dabei nur eine sehr kleine Verstellarbeit zu leisten, während die Hauptarbeit der Reglung von der Pendeldynamo geleistet wird. Der Fliehkraftregler ist auch erforderlich, weil bei gleichbleibender Belastung die gegebene ' Drehzahl erhalten werden muß, wenn kleine Störungen auftreten. Die Pendeldynamo braucht nicht die ganze Leistung der Maschine aufzunehmen; nur muß die aufgenommene Energie mit jener der Maschine gleichmäßig wachsen. Die in Abb, i dargestellte Ausführungsform zeigt gewissermaßen fein vom Geschwindigkeitsregler'in seiner Länge becinfiüßtcs Verbindungsgestänge zwischen dem Hebel des Dynamometers und dem Leitapparat der Turbine. Die ;gleiche Wirkung -kann auch dadurch erzielt werden, daß der hier feste Aufhängepunkt der Belastungsfeder des Dynamometerhebels oder, wenn mehrere solche angeordnet sind, eines derselben vom Gieschwindigkeitsregler verschoben und damit das von der Federspannung -bestimmte Drehmoment geändert wird.But it is not possible to curve. to bring the moment of spring tension with that of the turbine moment in each position to coincide; it - was z. B. the resulting moment in point 2 (Fig. 3) corresponds to a spring tension in point 3. However, since the guide vane opening in point 3 is larger than in point 2, and therefore the power at this point does not correspond to the new load, the speed C would increase continuously. In order to achieve the constant speed at the required power, an additional control element must increase the spring tension, g in point 3, so that the guide vanes continue to close, until the resulting decrease in power equilibrates with the dynamo load and thus the constant Speed is reached. This is achieved by a centrifugal governor additionally turning the regulating ring of the turbine. The controller only has to do a very small amount of adjustment work, while the main control work is done by the pendulum dynamo. The centrifugal governor is also necessary because the given speed must be maintained at constant load if small disturbances occur. The pendulum dynamo does not need to take up the entire power of the machine; only the energy absorbed must grow steadily with that of the machine. The embodiment shown in Fig, i shows, so to speak, the length of the speed regulator because of the connecting linkage between the lever of the dynamometer and the nozzle of the turbine. The; same effect - can also be achieved in that the solid here suspension point of the loading spring of the dynamometer lever or, where such a plurality are arranged, one of them is shifted from Gieschwindigkeitsregler and thus changed -Some of the spring tension torque.

Ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem statt der ,elektrischen Leistungswaage ein mechanisches Federdynamometer verwendet wird, zeigen Abb.. q. und 5. Der Antrieb durch die Turbine erfolgt von- der Welle A aus. Die Welle B führt zu -den Arbeitsmaschinen und ist mit der Welle A durch die Biegungsfeder E derart verbunden, daß bei 'Änderung des Widerstandsmomentes :eine relative 'Drehung der Wellen g gegeneinander auftritt, die durch die auf der Scheibe S sitzenden unrunden Flächen G mit Hilfe der Rollen hl -und der Winkelhebel N auf die Reglerhülse Y und von da auf die Leitschaufeln der Turbine einwirkt. Der auf der angetriebenen Welle B sitzende Achsenregler ergänzt und -korrigiert bei vorübergehender Drehzahländerung mittels der Reglerpendel P und der Reglerfedern f die' Einstellung der Scheibe S und damit der Hülse Y. 'Another exemplary embodiment, in which a mechanical spring dynamometer is used instead of the electrical power balance, is shown in Fig. Q. and 5. The turbine is driven from shaft A. The shaft B leads to the working machines and is connected to the shaft A by the flexure spring E in such a way that when the moment of resistance changes: a relative rotation of the shafts against each other occurs, which is caused by the non-circular surfaces G sitting on the disk S. The help of the rollers hl and the angle lever N acts on the regulator sleeve Y and from there on the guide vanes of the turbine. The axis controller sitting on the driven shaft B supplements and corrects the 'setting of the disk S and thus the sleeve Y.' in the event of a temporary change in speed by means of the controller pendulum P and the controller springs f.

Claims

PATENT CLAIM: Control device for prime movers, in particular Water turbines, in which the reaction part of one of the prime mover performed dynamometric control device, for example a power balance or a Federdynanfömeters, occurring moment of force via an adjustment linkage on the control element the engine acts, with the .jeweiligen load condition required Equilibrium by, for example, one on the adjustment linkage directly applied spring resistance is guaranteed due to the adjustment rod engaging, a correspondence between the force and moment of resistance inducing and also the rotational speed of the prime mover sustaining cruise control. -