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Einrichtung zur lastabhängigen Regelung der von einem Hilfsturbosatz
elektrisch angetriebenen Hilfsmaschinen eines Dampf-Turbo-Triebfahrzeuges . Verwendet
man bei Dampf-Turbo-Triebfahrzeugen Wechselstrom zur Kraftübertragung von der Hauptturbine
auf die Triebräder des Fahrzeuges, so müssen mit Rücksicht auf die dabei in Betracht
kommende Regelung der Drehzahl der Hauptturbine bzw. der Geschwindigkeit des Fahrzeuges
die Hilfsmaschinen getrennt von der Hauptturbine angetrieben werden. Dies ist auch
der Fall, wenn die Kraftübertragung von.der Hauptturbine auf die Triebräder des
Fahrzeuges mittels eines hydraulischen Strömungsgetriebes erfolgt. Bekanntlich erfolgt
die Geschwindigkeitsregelung bei der Wechselstromkraftübertragung durch Drehzahlverstellung
der Hauptturbine innerhalb eines großen Regelbereiches von etwa i : io. Ähnliche
Verhältnisse gelten auch für die Flüssigkeitskraftübertragung. Die für den Betrieb
notwendigen Hilfseinrichtungen der Dampfkraftanlage verlangen jedoch zum Teil gleichbleibende
Drehzahl, zum Teil eine Drehzahländerung, die wesentlich von jener der Hauptturbine
abweicht.
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Wie, bekannt, ist es vorteilhaft, die Hilfsbetriebe elektrisch anzutreiben.
Weiterhin erweist es sich als zweckmäßig, einen Teil der Hilfsbetriebe mit Wechselstrom,
z. B. Drehstrom, und einen anderen Teil mit Gleichstrom zu betreiben.
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Mit Gleichstrom werden alle jene Hilfsbetriebe gespeist, die zur erstmaligen
Ingangsetzung der Anlage aus einem Hilfsstromsammler mit Strom versorgt -werden.
Dies sind z. B. der Rauchgaslüfter, die Vakuumpumpe, die Umwälzpumpe für einen Zwangsumlaufkessel.
Außerdem werden zweckmäßig mit Gleichstrom auch jene Hilfsbetriebe versorgt,
deren
Drehzahl weitgehendst uriabhängig von der Drehzahlregelung der übrigen Hilfsbetriebe
sein muß. Dies ist in erster Linie der Rauchgaslüfter, der auch nicht von der Hauptturbine
angetrieben werden kann,-da seine Regelung mit Rücksicht auf die wi14' kürliche
Beeinflussung der Feuerung von dei-Regelung der Hauptturbine unabhängig sein muß.
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Mit Wechselstrom werden zweckmäßig die Hilfsbetriebe versorgt, die
angenähert gleichbleibende Drehzahl aufweisen oder eine Drehzahlregelung innerhalb
enger Grenzen verlangen. Zu diesen Hilfsbetrieben kann man die verhältnismäßig großen
Motoren zum Antrieb der Kondensatorlüfter und den Motor zum Antrieb des Bremsluftverdichters
rechnen. Der Vorteil der Stromversorgung dieser Hilfsbetriebe mit Wechselstrom liegt
hauptsächlich darin, daß die Motoren als einfache Kurzschlußläufermotoren ausgebildet
sein können, so daß Stromwender mit zugehörigen Bürstensätzen in Wegfa11 kommen,
die Maschinen also keiner Wartung und Pflege bedürfen.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur lastabhängigen
Regelung der von einem Hilfsturbosatz elektrisch angetriebenen Hilfsmaschinen eines
Dampf-Turbo-Triebfahrzeuges, bei dem die Kraftübertragung von der Hauptturbine auf
die Fahrzeugtriebräder durch Wechselstrom oder durch ein hydraulisches Strömungsgetriebe
erfolgt. Da mit Rücksicht auf einfache und billige Gestaltung des Hilfsturbosatzes
die Hilfsturbine gleichzeitig Gleichstrom- und Wechselstromerzeuger antreibt, so
ist zwangsläufig mit" der Frequenzänderung, d. h. also mit der DrehzahÄnderung der
Turbine, auch eine Drehzahländerung des Gleichstromgenerators verbunden. Da aber
die Gleichstromhilfsb:ctriebe eine andere Drehzahlabhängigkeit aufweisen als die
Wechselstromhilfsbetriebe, so muß es möglich sein, zu der entsprechenden Drehzahleinstellung
der Gleichstromhilfsbetriebe die Spannung im Gleichstromhilfsnetz unabhängig von
der Drehzahl einstellen zu können. Insbesondere ist es z. B. erforderlich, daß die
Kesselumwälzpumpe mit gleichbleibender bzw. annähernd gleichbleibender Drehzahl
durchläuft, unabhängig von den sonstigen Belastungsverhältnissen im Kessel oder
an der Hauptturbomaschine. Die Erfindung befaßt sich daher neben der Grundausbildung
der Hilfsbetriebseinrichtung vor allem mit der Kombination von Drehzahländerung
bzw. Frequenzänderung und Erregungsänderung am Hilfsturbosatz, und zwar ist nach
der Erfindung die . Drehzahlregelung mit der Erregungsregelung des gleichzeitig
Gleichstrom und Drehstrom liefernden Hilfsturbosatzes nach einer vorgegebenen Abhängigkeit
gekuppelt.
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Eine Ausführungsform der Regeleinrichtung nach der Erfindung ist auf
der Zeich-:nurig schematisch dargestellt.
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=' , Ab b. r, 2 und 3 sind verschiedene Schau-7 Bilder.
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Abb.4 zeigt in ihrer linken Hälfte den Hilfsturbosatz und rechts die
Meßeinrichtungen, die den Regelimpuls für den Hilfsturbosatz liefern.
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Aus Abb. z ist der Verlauf des Kondensatordruckes Pk in Abhängigkeit
von der Leistung Na, des Hauptgenerators zu entnehmen, der die Fahrmotoren
des Dampf-Turbo-Fahrzeuges speist. Abb. 2 zeigt nun, wie hierbei die Drehzahl des
Hilfsturbosatzes in Abhängigkeit von der auf der Abszisse aufgetragenen Leistung
Na, des Hauptgenerators, des Dampfverbrauchs D der Hauptturbine oder des
Kondensatordruckes Pk geregelt werden muß. Auf der Ordinate ist die Drehzahl des
Hilf sturbosatzes xH aufgetragen. Dabei ist es ziemlich gleichgültig, ob die Hilfsgeneratoren
als getrennte Maschinen ausgebildet sind, eine für Gleichstrom, die andere für Wechselstrom,
oder ob eine Doppelstrommaschine vorhanden ist. Die lastabhängige Drehzahlregelung
wird dargestellt durch die Linie iaö -iai-n2. Dabei kann, wie genauere Untersuchungen
gezeigt haben, mit genügender Annäherung eine lineare Abhängigkeit zugrunde gelegt
werden. Selbstverständlich ist es, wie die späteren Ausführungen zeigen, ohne weiteres
möglich, jeden gewünschten anderen Verlauf dieser Kennlinie durchzuführen, man braucht
zu diesem Zweck nur die entsprechenden Widerstandsabstufungen an dem Regelgerät
vorzunehmen. Bei der angegebenen lastabhängigen Drehzahlregelung ist es nun zweckmäßig,
Grenzen nach oben und nach unten hin festzulegen, so daß z. B. unterhalb einer gewissen
Belastung N1 der Hauptmaschine die Drehzahl .des Hilfsturbosatzes gleichbleibt,
wie die Linie nl-@ao zeigt. Ebenso ist es zweckmäßig, bei einer Grenzlast nach oben
hin eine weitere Drehzahlsteigerung des Hilfsturbosatzes zu verhindern, was z. B.
bei der Leistung N2 angedeutet ist, zu welcher die höchste Drehzahl n2 des Hilfsturbosatzes
gehört. Gerade weil die Leistungsaufnahme der Lüfterinotoreri mit der dritten Potenz
der Drehzahl zunimmt, hat es keinen Zweck, für kurzzeitige, rasch vorübergehende
große Lastspitzen die Lüftermotoren unnötig zu überlasten bzw. die Motoren- für
diesen Grenzfall gesondert auslegen zu müssen.
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Abb. 3 zeigt die gleichzeitig mit der Drehzahlregelung selbsttätig
verbundene Einstellung der Erregung an den Hilfsgeneratoren bzw. an dem Hilfsgenerator,
sofern er als
Doppelstromgenerator ausgelegt ist. Die bei dieser
Regelung zu lösende Aufgabe besteht darin, die Spannung der Gleichstromhilfsbetriebe
unabhängig von der Drehzahl des Hilfsturbosatzes angenähert gleichzuhalten. Wie
Abb. 3 zeigt, ist einer kleinen Leistung am Hauptgenerator eine große Erregung am
Hilfsgenerator zugeordnet, und umgekehrt. Dabei gehört sinngemäß wie bei Abb.2 zu
dem unteren Grenzwert iVl der Generatorleistung der obere Grenzwert il des Erregerstromes,
-der bds i" gleichbleibt; ic ist dabei der auf der Ordinate aufgetragene Wert des
Erregerstromes. Ebenso gehört zum oberen Grenzwert N2 der Leistung des Hauptgenerators
der untere Grenzwert i2 der Erregung. Wie im einzelnen die Einrichtung zur selbsttätigen
Regelung von Drehzahl und Erregung abhängig von der Leistung des Hauptgenerators
ausgebildet sein kann, zeigt als Ausführungsbeispiel die Abb. q..
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Der Hilfsturbine i strömt der Dampf durch die Leitung io über das
regelbare Einlaßventil ii zu. Über das Getriebe 12, treibt die Hilfsturbine i den
Hilfsgenerator; an. Dieser ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Doppelstromgenerator
ausgebildet, der über den Stromwender 23 das Gleichstromhilfsnetz 2o und über die
drei Schleifringe 24 das -Drehstromhilfsnetz Zoo speist, wobei angenommen ist, daß
dreiphasiger Wechselstrom verwendet wird. Selbstverständlich kann auch jede andere
Phasenzahl für das Wechselstromhilfsnetz vorgesehen werden, soweit sich nur ein
symmetrisches Drehfeld ergibt. Auf der gleichen Achse mit dem Hilfsgenerator sitzt
die Hilfserregermaschine 3, die zur Speisung der Erregerwicklung 31 Nebenschlüßerregung
hat und .die Feldwicklung 21 des Hilfsgenerators 2 mit Strom versorgt. An diesen
Turbosatz ist noch eine kleine Drehzahlmeßdynamo q. angebaut, die an den Klemmen
400 eine der jeweiligen Drehzahl verhältnisgleiche Gleichstrommeßspannung abgibt.
Der Hilfsgenerator 2 hat außerdem noch eine Verbundwicklung 22, die zusätzlich dafür
sorgt, daß unabhängig von der jeweiligen Belastung die Spannung am Stromwender gleichbleibt.
Das Gleichstromnetz 20 speist z. B. den Rauchgaslüfter2oi, dieBeleuchtungseinrichtung2o2
USW. Die sonstigen zugehörigen Hilfsbetriebe sind der Einfachheit halber
weggelassen. Das DrehstromhilfsnetzZoo speist z. B. die zwei Lüftermotoren 2001
und 2002. Auch hier sind die weiteren anzuschließenden Hilfsbetriebe weggelassen.
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Wie schon erwähnt, kann an die Stelle des Doppelstromgenerators auch
je ein Gleichstrom- und Drehstromhilfsgenerator treten, wobei dann die gleichzeitige
Beeinflussung der Erregung hauptsächlich nur am Gleichstromhilfsgenerator vorgenommen
wird.
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Die Regelung der Drehzahl des Hilfsturbosatzes erfolgt über den Drehzahlregler
5, der angetrieben wird und an der Reglel-muffe 52 durch das Getriebe 51 von der
Turbine i aus die Verstellung des Regelventils i i bewirkt. Um nun die Drehzahl
des Hilfsturbosatzes i, 2 in Abhängigkeit von der Leistung oder dem Dampfverbrauch
der nicht dargestellten Hauptturbine oder dem Kondensatordruck zu regeln, kann entweder
der Gelenkpunkt 56 des Reglergestänges unter dem Einfluß eines entsprechenden Regelimpulses
verschoben werden, oder es kann bei fester Lage des Gelenkpunktes 56 die Vorspannung
der Reglerfeder 53 unter der Einwirkung eines solchen Impulses verstellt werden.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die letztgenannte Möglichkeit verwirklicht.
Zu diesem Zweck ist das obe'r'e Widerlager der -Reglerfeder 53 als eine verstellbare
Haube 54. ausgebildet. An die Haube 54. greift ein Verstellgestänge 5o6 an, das
der Reglerfeder 53 über die Rolle 55 je nach der Belastung des nicht dargestellten
Hauptgenerators oder je nach dem Dampfverbrauch der nicht dargestellten Hauptturbine
oder j e nach dem Kondensatordruck eine verschiedene Federvorspannung gibt. Die
Verstellung der Federvorspannung geschieht durch die Verstellvorrichtung 6. Diese
besteht in der Hauptsache aus einem Verstellrad 61 und einer zugehörigen Zahnstange
62. Angetrieben wird das Verstellrad 6i durch eine Schnecke 611, die über eine Rutschkupplung
6i2 von dem Verstellmotor 613 gedreht wird. Die Energie für die jeweilige Verstellung
wird dem Verstellmotor 613 über die Klemmen 60o- zugeführt. Zur Begrenzung
der unteren und oberen Drehzahl ' des Hilfsturbosatzes sind bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel an der Zahnstange 62 zwei mit dieser fest verbundene
Anschläge 63 und 64 vorgesehen. Der Anschlag 63 dient z. B. zur Festlegung der oberen
Drehzahlgrenze des Hilfsturbosatzes. Diese Grenze wird durch das Sperrglied
631 festgelegt, das z. B. durch ein Handrad632 über eine Schraubspindel je
nach den gewünschten Betriebsverhältnissen verschieden eingestellt werden kann.
Die untere Drehzahlgrenze wird z. B. durch das Sperrglied 641 festgelegt, das ähnlich
wie das Sperrglied 631 entsprechend den gewünschten Betriebsbedingungen willkürlich
verstellt werden kann.
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Die gemäß Abb.3 gleichzeitig mit der Drehzahl vorzunehmende Erregungsänderung
des bzw. der Hilfsgeneratoren wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls
mit der Drehzahlverstellvorrichtung bewirkt.
Dies ist schematisch
durch die Welle 65 des Verstellrades 61 angedeutet, die einen Gleithebel 66 auf
einem Verstellwiderstand 33 entsprechend der gewünschten Erregungsänderung in Abhängigkeit
beispielsweise von der Belastung des nicht dargestellten Hauptgenerators oder vom
Dampfverbrauch der nicht dargestellten Hauptturbine oder vom Kondensatordruck verschiebt.
Der Regelwiderstand 33 liegt im Nebenschlußstromkreis der Erregung des Hilfsgenerators.
In diesem Stromkreis ist außerdem noch ein willkürlich von Hand oder auch selbsttätig
einstellbarer Zusatzregelwiderstand 32 vorhanden, der z. B. über das Regelgerät
32o nach irgendwelchen Bedingungen verstellt werden kann. An Stelle dieser angedeuteten
Regelung der Erregung kann z. B. auch so vorgegangen werden, daß der Hilfsgenerätor
eine zusätzliche Erregerwicklung erhält, .die z. B. über den Widerstand 33 -aus
einem Stromsammler gespeist wird. Es kann also jede sonstige der bekannten Ausführungsformen
zur Veränderung der Erregung verwendet werden.
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Abb.4 zeigt eine Einrichtung, die in einfachster und übersichtlichster
Weise die gewünschte Regelung der Drehzahl des Hilfsturbosatzes 1,:2 und der Erregung
des Hilfsgenerators 2 in Abhängigkeit von der Lüftung oder dem Dampfverbrauch der
nicht dargestellten Hauptturbine oder in Abhängigkeit vom Kondensatordruck bewirkt.
Bei dieser Einrichtung wird von der bekannten Maßnahme Gebrauch gemacht, alle Meß-
und Regelgrößen in Gleichstromhilfsgrößen umzuwandeln und dabei eine den Regelbedingungen
unmittelbar verhältnisgleiche Regelleistung an den Verstellmotor 613 über die Klemmen
6oo abzugeben. Bei dieser Einrichtung ist ein Meßorgan 702 vorgesehen, dessen Zeiger
703 verhältnisgleich der Leistung des Hauptgenerators oder des Dampfverbrauches
der Hauptturbine" oder dem Kondensatordruck ausschlägt. Es kann dies z. B. ein Wattmeter
sein, dem die entsprechenden Meßgrößen über die Leitungen 701 zugeführt werden.
Der Zeiger 703 dieser Meßvorrichtung gleitet auf einem Spannungsteiler 704
und gibt an den Klemmen 705 eine Meßgröße ab, die einer der genannten Betriebsgrößen
verhältnisgleich ist. Gespeist wird der Spannungsteiler aus einem kleinen Gleichstromnetz
8oo. Diese an den Klemmen 705 erhältlichen Meßgrößen kann man als Istwert
der Regeleinrichtung ansehen. Als Sollwert bildet man zweckmäßigerweise eine ähnliche
Meßgröße aus, die verhältnisgleich der Drehzahl des Hilfsturbosatzes ist. Dies kann
man beispielsweise mit einem Spannungsmeßgerät 4o2 erreichen, dessen Zeiger 403
verhältnisgleich der von der Meßdynamo 4 angegebenen Spannung ausschlägt, die von
den Klemmen 40o der Meßdynamo den Klemmen 401 des Meßgerätes 402 zugeführt wird.
Der Zeiger 4o3 spielt ebenfalls auf einem Spannungsteiler 4o4, wobei an den Klemmen
4o5 eine der Drehzahl des Hilfsturbosatzes verhältnisgleiche Gleichstrommeßgröße
abgenommen werden kann. Zweckmäßig schaltet man die von den beiden Spannungsteileranordnungen
gelieferten Meßgrößen gegeneinander, wobei man die zwischen diesen Meßgrößen fließenden
Ausgleichströme von den Klemmen 6oi den Klemmen 6oo des Verstellmotors
613 zuführt. Der Verstellmotor arbeitet dann in der Weise, daß er diese an
den Klemmen 6oi auftretenden Differenzgroßen immer auf Null einstellt, d. h. Ist-
und Sollwert werden in Übereinstimmung gebracht. Um nun die Drehzahlkennlinie des
Hilfsturbosatzes trotz ihrer Abhängigkeit von 'einer der genannten drei Betriebsgrößen
beliebig einregeln zu können, sind Regelwiderstände 67 und 87 vorgesehen. Wie schon
erwähnt, kann der Drehzahlkennlinie durch entsprechende Bemessung der Widerstände
an den Spannungsteilern gemäß Abb.2 jede gewünschte Form gegeben werden. Außerdem
kann die Begrenzung der Drehzahl des Hilfsturbogenerators nach oben und nach unten
auch unmittelbar durch entsprechende Anschläge oder Bemessung der Spannungsteileranordnung
gemäß Abb. 4 erfolgen.
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An Stelle einer leistungsabhängigen Regelung kann sinngemäß eine Regelung
in Abhängigkeit vom Dampfverbrauch D* der Hauptturbine oder vom Druck Pk im Kondensator
treten. Eine derartige Abhängigkeit kann betrieblich dann erwünscht sein, wenn es
darauf ankommt, mit möglichst günstigen Dampfverbrauchszahlen zu arbeiten, oder
wenn die Kraftübertragung von der Hauptturbine des Triebfahrzeuges auf dessen Triebräder
nicht in Form von Wechselstrom, sondern mittels eines hydräulischen Strömungsgetriebes
-erfolgt. In den Abb. 2 und 3 tritt dann an Stelle der auf der Abszisse aufgetragenen
Generatorleistung Na, entweder der Dampfverbrauch D oder der Druck
Pk im Kondensator. Die Regeleinrichtung selbst kann, gemäß Abb. 4 unverändert beibehalten
werden. Nur bei der Meßeinrichtung gemäß Abb. 4 ist an Stelle eines wattmetrischen
Meßgerätes 7o2 ein solches zu setzen, das eine Meßgröße liefert, die verhältnisgleich
dem Dampfverbrauch D oder dem Druck Pk im Kondensator ist. Der Dampfverbrauch kann
z. B. - abgebildet werden als eine Meßgröße, die verhältnisgleich ist dem Hub des
Regelventils an der Hauptturbine. Ein derartiger Meßw ert kann erreicht werden,
indem mit
dem Ventilgestänge gleichzeitig ein Widerstandsabgriff
verbunden ist, der eine dem Hub des Ventils verhältnisgleiche Gleichstrommeßgröße
liefert. Dieser Widerstand kann z. B. der Spannungsteiler 704 der Meßeinrichtung
nach Abb.4 sein. Eine entsprechende Regelmeßgröße, die dem Kondensatordruck verhältnisgleich
ist, kann z. B. über eine Druckmeßvorrichtung unter Verwendung der bekannten -Kohlewiderstände
geliefert werden. Die Kohlewiderstände nehmen dabei die Rolle des Spannungsteilers
704 der Meßeinrichtung nach Abb. 4 ein.