DE836180C - Einrichtung zur selbsttaetigen Drehzahlbegrenzung von Wasserturbinen - Google Patents

Description

• Einrichtung zur selbsttätigen Drehzahlbegrenzung von Wasserturbinen Die Erfindung bezieht sich auf Wasserturbinen und bezweckt, eine übermäßige Überschreitung der Höchstdrehzahl selbsttätig zu verhindern. Wenn auch für allgemeine Verwendung bestimmt, ist die Erfindung besonders wertvoll bei Anwendung an Turbinen mit verstellbaren Propellerflügeln, da, wie bekannt, das Problem eines Schutzes gegen Durchgehen bei solchen Turbinen besonders schwierig ist.
• Die Erfindung besteht in Mitteln zur Drehzahlbegrenzung, welche Bremsschaufeln umfassen, die an dem Turbinenläufer beweglich angebracht und so ausgebildet sind, daß sie, wenn eine vorbestimmte Überdrehzahl des Läufers überschritte wird, selbsttätig in de durch die Turbinentreibflügel gehenden Wasserstrom eintauchen.
• Vorzugsweise besteht die Einrichtung gemäß der Erfindung aus einer Drehzahlhegrenzereinheit in Form eines Ringes, der an der Nabe des Turbinenläufers neben und oberhalb der Turbinenflügel befestigt ist. An oder in diesem Ring sind Schaufeln gelenkig oder verschiebbar angebracht, die normalerweise gegen die Wirkung der Fliehkraft zurückgehalten und aus der Strömung herausgehalten werden. Wenn eine bestimmte Drehzahl überschritten wird, bringt die Fliehkraft diese Körper zum Eintauchen in die Wasserströmung, welche zu den Treibflügeln an dem Läufer geht, bevor sie diese Treibflügel erreicht, wobei diese Schaufeln durch ihre Form und Anordnung die Strömung umleiten können.
• Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung.
• Fig. i zeigt die linke Seite eines senkrechten Schnittes durch eine vollständige Wasserturbine finit verstellbaren Propellerflügeln gemäß der Erfindung; Fig. 2 ist eine vergrößerte Wiedergabe eines Teiles des oberen Endes der in Fig. i gezeigten Turbine; I# ig. 3 ist eine vergrößerte Darstellung der schwenkbaren Bremsschaufel nach Fig. i ; Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht, welche die einstellbaren Flügel und den Ring der Bremsschaufeln eines Teiles des Läufers der Turbine nach F ig. i zeigt. Fig. 4 zeigt die Schaufeln in der ganz vorspringenden Stellung; Fig. 5 ist eine der Fig. 3 entsprechende Ansicht einer etwas geänderten Form der Bremsschaufel; Fig. 6 ist eine Ansicht einer abweichenden Form einer Drehzahlbegrenzereinrichtung gemäß der Erfindung.
• In Fig. i ist die Turbine eire übliche Bauart mit verstellbaren Propellerflügeln. Der Stator umfaßt das Turbinengehäuse i, aus welchem das ankominende Wasser durch die Räume zwischen den drehbaren Leitschaufeln 2 auf seinem Weg zu den l.iiuferflügelii fließt. Diese Leitschaufeln werden in der üblichen Weise durch das bei 3 gezeigte Ilebxlgestänge unter der selbsttätigen Kontrolle des Drehzahlreglers der Turbine betätigt. Der Läufer umfaßt die senkrechte Welle 4, die durch die hohle Nabe 5 abgeschlossen ist, welche die verstellbaren Flügel 6 trägt.
• .\n der Nabe ist unmittelbar über den Flügeln 6 der hing 7 angebracht, welcher die Einrichtung zur selbsttätigen Drehzahlbegrenzung gemäß der Erfindung bildet. In "diesem Ring sind eine Anzahl voll Bremsschaufeln 8 angebracht, von denen jede, wie in Fig. i und 3 gezeigt, um einen Gelenkzapfen 9 geschwenkt werden kann, dessen Achse in einer quer zur Läuferachse verlaufenden Ebene liegt. Normalerweise wird jeder Flüge18 in der mit vollen Linien gezeigten Stellung zurückgehalten, so daß er genau mit der gekrümmten Umfangsfläche des Ringes 7 abschließt, die eine glatte Fortsetzung der Oberfläche der Nabe 5 ist. Wenn sich diese Schaufeln unter der Wirkung der Fliehkraft um ihre Drehzapfen g verdrehen, wird der M'asserdruck, sobald die Schaufelspitzen herauskommen, die Schaufeln bei ihrer Herausbewegung unterstützen. In ihrer äußeren Stellung erzeugen die Schaufeln 8 eine Behinderung der ankommenden Strömung, wodurch sie das von dem Wasser auf die Turl>inentreibflügel ausgeübte Antriebsmoment vermindert, während sie gleichzeitig ein kräftiges Brenismoinent auf den Läufer ausiil>eti können, weil sie gegen die ankoninende \\'asserströmung wirken müssen.
• Obwohl die Einrichtung wirksam ist, wenn die Schaufeln .8 parallel zu der Läuferachse sind, sind die Achsen der Drehzapfen g in der Zeichnung in Ebenen dargestellt, die zwar quer zu der Läuferachse, aber nicht horizontal, sondern in einem von 9o° abweichenden Winkel zu dei Läuferachse geneigt sind. Dadurch verlaufen die Schaufeln 8, wenn sie ausschwenken, nicht parallel, sondern geneigt zu der Läuferachse, und zwar entgegengesetzt zu der Richtung der Flügel 6, wie in Fig. 4 gezeigt, so daß ihre Flächen ein ausgeprägteres Bestreben zur Ableitung des ankommenden Wassers auf seinem Weg zu den Treibflügeln 6 haben. Es sei jedoch hervorgehoben, daß die Achsen der Drehzapfen entweder horizontal oder vertikal und die Flächen der Schaufeln entweder vertikal oder in besonderer Weise gestaltet sein können, um das Wasser umzuleiten. Fig. 5 zeigt einen teilweisen Schnitt und eine teilweise Stirnansicht einer weiteren Ausführungsform eines Ringes von Verzögerungsschaufeln 8, von deren jede in dem Ring 7 verschiebbar angebracht ist, wobei jedoch ihre Oberfläche zur Ableitung des ankommenden Wassers so gestaltet ist, wie dies aus der Stirnansicht ersichtlich ist.
• Die gelenkig befestigten Schaufeln 8 sind durch Gegengewichte, wie die Teile 8° in Fig. 3, ausgeglichen, um die Wirkung der Fliehkraft zu vermindern und dadurch die Verwendung von schwächeren Festhalteeinrichtungen zu gestatten.
• Die Schaufeln sind mit Einrichtungen versehen, welche sie normalerweise mit dem Ring 7 glatt abschließend zurückhalten, bis eine gewisse Drehzahl und folglich eine gewisse Fliehkraft überschritten wird. Diese Festhalteeinrichtungen können Federn sein. In anderer Weise können sie auch Bruchglieder sein, die durch die Fliehkraftwirkung zerbrochen werden, oder sie können eine Kombination von Federn und Bruchgliedern sein, wie dies in Fig. i und 2 dargestellt ist.
• Wie in Fig. i, 2 und 3 dargestellt, ist jede Schaufel 8 durch ein biegsames Seil io, z. B. ein Stahldrahtseil, welches über eine neben ihr am Laufrad angeordnete Rolle i i an dem Laufrad und in einer senkrechten, zwischen der senkrechten Welle 4 und ihrem üblichen Schutzmantel 12 gebildeten Rille verläuft, mit den Festhaltemitteln an dem oberen Ende der Welle verbunden, das in der vergrößerten Ansicht der Fig.2 gezeigt ist. Das obere Ende des Seiles io wird an der Trommel 13 aufgewickelt und befestigt, die an einem von mehreren Lagern 21, die von dem Läufer getragen werden, gelagert ist. Mit der Trommel 13 dreht sich eine weitere Trommel i-1, wobei an dieser ein weiteres Seil 15 aufgewickelt und befestigt ist, welches unmittelbar an einer Verbindungsstange 16 angebracht ist. Das obere Ende i6° dieser Stange besitzt einen in der Weise verkleinerten Querschnitt, daß es zerbricht, wenn auf die Verbindungsstange der gewünschte Zug ausgeübt wird. Diese Stange dient somit als Bruchglied, um die zugehörige Schaufel 8 unter der Wirkung einer vorbestimmten Fliehkraft loszulassen. Bei der dargestellten Anordnung besitzt die Trommel 14 einen

  kleineren Durchmesser als die Trommel 13, so daß

  die Kombi tiatioti eitre untersetzende Anordnung

  1» Idet, durch welche die Bewegung der zerbrochenen

  Verbindurgsstange if>. wenn die zugehörige

  Schaufel lierausspritigt, kleiner ist als die Bewe-

  gung des Seiles io. Es sei jedoch hervorgehoben,

  dal3 diese Trommeln, falls erwünscht, beide den

  gleiclieti Durchmesser haben und das Seil io direkt

  mit der Stange i6 verbunden werden könnte.

  Die Verbindungsstange 16 ist in einer Führungs-

  liiilse 17 verschiebbar, welche von dem Läufer ge-

  tragen wird, und trugt an ihrem olyeren Ende einen

  13ttnt1 18, Zwisclieti den Flanschen der Hülse 17

  und des Bundes 18 ist eine diese umgebende ge-

  wickelte Druckfeder i9 angeordnet, welche eine

  verli:iltiiisni:ißig leichte Feder ist und auf das Seil

  io nur eine solche Kraft ausübt, daß die zu-

  gehörige Schaufel bei einer verhältnismäßig

  niedrigen l_:iufer<lrelizalil zurückgehalten wird.

  Die beschriebenen Rückhalteeinrichtungen, die

  für je eine der Schaufeln 8 vorgesehen sind, sind

  in eitlem Ding uni die Welle angeordnet und

  w,:rtlen alle normalerweise hochgehalten, indem das

  obere 1'_nde jeder .Verbindungsstange 16 in eine

  Klinke 20 eingreift, die in bekannter Weise durch

  die gewöhnlich vorgesehene Drehzahlbegrenzungs-

  cinrichtung aus;elii;t wird. Die bekannte Form

  eines Bet:itigungsglictles für diese Einrichtung ist

  a1.1-; # ersichtlich. Sie besteht aus dem Mit-

  - l ig. 2

  nehinerstift 22, der sich unter der Wirkung der

  Fliehkraft (gegen die Wirkung der Feder 23) in

  dein I Iül;etiteil 2-1" des von der Welle :I getragenen

  IZitigl<i"rl>Crs 2.4 radial nach außen verschieben

  kann. Der Jlittielittiet- 22 kommt, wenn er sich bei

  I)reltzaltlülicrsclireitung nach außen lwtvegt, mit

  dein I@et:itigutigsheliel der _\tislöstieinriclitutig in

  Eingriff, ivelclu niitttls eines @tetierveiitils die Leit-

  schaufeln 2 iti I@ctvegung setzt, tini die Wasser-

  zuführung zti den 1_:ittfratIscli:tufeln 6 der Turbine

  zu uiiterlireclicti. Daher gelangt (las obere Ende

  dieses I@et:itigung@heliels, welches bei 26 in Fig. 2

  gezeigt ist, in eine solche Stellung, daß jede Klinke

  20 geliist und so die ztigeliörige Verbindungsstange

  i6 losgelassen t\-ird. Jede Klinke 20 kann, wie dar-

  gestellt, voci der Unterseite des ]-Zopfes der Verbin-

  dungsstange i (> wegbewegt werden, indem sie um

  den senkrechten 1)relizapfe11 2 ,5, der an dem Ring-

  körlrer 24 angebracht ist, gedreht wird.

  \\'etiii citie vorl>estininite Drehzahl überschritten

  wird, wird also durch die Klinke 2o die Verbin-

  dungsstaii-c t(i frcigegelxn. Bei dieser Drehzahl

  erzrtigt die auf tlic Schaufel 8 einwirkende Flieh-

  @<raft einen Zug auf das obere Seil 15, der, wenn

  er auch nicht ausreicht. uni den verkleinerten Teil

  16° des l',ritcligliedes ib zu rerlireclien, mehr als

  ausreichend ist, uni die aufwiirtsgerichtete Kraft

  der Fc(ler ic) zu ül@crwindeti. Demgemäß wer-

  den »ach l.<isung (]er Klinkeneinrichtung alle

  Schaufeln ann:iher nd gleichzeitig unter der Wir-

  kung tIcr Fliehkraft Herausspringen, die durch die

  Wirkung tles Wassers unterstützt wird, wenn die

  Schaufeln ihre l@ewcguiig begonnen haben. In deni

  mtivabrsrlicinlirhett Fall. <laß einige Klinken 2o

  nicht auslösen, werden die betreffenden Bruchglieder 16 unter der Wirkung der Fliehkraft bei einer etwas höheren Geschwindigkeit brechen und so das Herausspringen jeder Schaufel ermöglichen. Wenn der Turbinenläufer anschließend annähernd zum Stillstand gebracht wurde, können die Federn i9 die Seile 15 und io wieder in ihre normale Lage hochziehen und die Schaufeln in. den Ring 7 zurückholen.
• Die Betätigung der Drehzahlbegrenzereinrichtung ist sichtbar, da die Klinke 20 sichtbar ist und die Abwärtsbewegung der Verbindungsstangen 16 beobachtet werden kann. Um diese Beobachtung zu erleichtern, können Marken 4° an der Welle neben dem Flansch des Bundes 18 vorgesehen werden, der sich mit der Verbindungsstange 16 nach abwärts bewegt. Auch ein Versagen einer der Rückhalteeinrichtungen, welche die Kombination des Bruchgliedes 16 und der Feder i9 umfassen, beim Zurückhalten oder Zurückziehen der zugehörigen Schaufel 8, ist sichtbar. In dem unwahrscheinlichen Fall eines Bruches eines der Seile io oder 15 wird die zugehörige Feder i9 das freie obere Ende der Verbindungsstange 16 über seine normale Lage hinausdrücken, und dies ist ebenfalls sichtbar. Die Rückhalteeinrichtungen sind, da sie sich außerhalb des Wassers befinden, leicht für die Einstellung oder für die Auswechslung der Federn i9 und für die Auswechslung der Bruchglieder 16 nach einem Bruch zugänglich. Es ist darauf hinzuweisen, daß in anderer Weise das Seil io oder 15 auch an dem unteren Ende einer Zugfeder befestigt werden könnte, dessen oberes Ende normalerweise von der Klinke 20 gehalten wird, wobei die Feder eine solche Stärke besitzt, daß die auf die zugehörige Schaufel einwirkende Fliehkraft die Kraft der Feder nur bei einer höheren Drehzahl überwindet als die, bei welcher die Auslösung der Klinke 2o eingestellt ist.
• Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführung trägt der Ring 7 eine Anzahl von flachen Blattfedern 28, die normalerweise mit der äußeren Oberfläche des Ringes abschließen und in die äußere Umfangsfläche des oberen Teiles der Turbinennabe 5 glatt übergehen. Jede Feder 28 ist an dem Ring 7 an ihrem oberen, von den Flügeln 6 entfernten Endre befestigt und an ihrem unteren Ende frei. Diese Federn biegen sich, wie strichpunktiert angegeben, unter der Wirkung der Fliehkraft nach außen durch, wenn eine gewisse Läuferdrehzahl überschritten wird. Wenn diese Federn auch eine geringere Breniswirkunghaben mögen 'als die anderen Ausführungsformen der Erfindung, so leiten sie doch die Wasserströmung zu den äußeren Spitzen der Flügel 6 in so erheblichem Maße um, daß sie diese Flügel keinesfalls unter normalen Verhältnissen erreichen kann und das Antriebsmoment sowie die Durchgangsdrehzahl sehr stark vermindert wird.

Claims (13)

1. PATENTANSPRUCIIE: i. Einrichtung zur Drehzahlbegrenzung für \Vasserturlyinen, gekennzeichnet durch an dem Turbinenläufer beweglich angebrachte Bremsschaufeln, welche bei Überschreitung einer vorbestimmten Läuferdrehzahl selbsttätig in die durch die Treibflügel der Turbine gehende Wasserströmung eingreifen.
2. 2. Drehzahlbegrenzungseinrichtung für Wasserturbinen, gekennzeichnet durch einen Ring von an dem Turbinenläufer beweglich befestigten Schaufeln, die bei Überschreitung einer vorbestimmten Läuferdrehzahl selbsttätig in den zu den Treibflügeln gehenden Wasserstrom eingreifen, bevor der Strom diese Treibflügel erreicht, wobei diese Schaufeln durch ihre Form und Anordnung die Strömung umleiten können.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch z, gekennzeichnet durch Schaufeln, die so gestaltet und angeordnet sind, daß sie der Wasserströmung Flächen darbieten, welche bezüglich der Läuferachse entgegengesetzt zu der Neigung der Treibflügel geneigt sind.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen am Läufer befestigten Tragring, in welchem die Bremsschaufeln verschiebbar angebracht sind.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen am Läufer befestigten Tragring, an welchem die Bremsschaufeln schwenkbar angebracht sind.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaufel um eine Achse in einer quer zu der Läuferachse liegenden Ebene schwenkbar gelagert ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die quer liegende Ebene nicht senkrecht zu der Läuferachse angeordnet ist, so daß die Schaufel in ihrer vorspringenden Lage parallel zu einer Ebene liegt, die bezüglich der Läuferachse entgegengesetzt zu der Neigung der Treibflügel geneigt ist. B.
8. Einrichtung nach Anspruch i oder folgenden, gekennzeichnet durch Federn, welche die Schaufeln von dem Eingreifen in die Wasserströmung zurückhalten. g.
9. Einrichtung nach Anspruch i oder folgenden, gekennzeichnet durch Schaufeln, welche das Bestreben haben, in die Wasserströmung unter der Fliehkraftwirkung einzugreifen, und durch diese Schaufeln zurückhaltende Einrichtungen, welche ein geschwächtes Glied aufweisen, das so bemessen ist, daß es bricht, wenn die einwirkende Kraft, die von einer vorbestimmtem Sicherheitsüberdrehzahl der Turbine herrührt, überschritten wird. io.
10. Einrichtung nach Anspruch g, gekennzeichnet durch Rückhaltefedern, die ein Eingreifen der Schaufeln zulassen, wenn die Rückhalteeinrichtung bricht, und die Schaufeln bei einer geringen Läuferdrehzahl wieder aus der Strömung zurückholen. i i.
11. Einrichtung nach Anspruch i oder folgendien, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, welche die Schaufeln von dem Eingreifen zurückhalten, außerhalb der Wasserströmung zugänglich angeordnet sind.
12. 12. Einrichtung nach Anspruch i i, dadurch gekennzeichnet, daß die für jede Schaufel vorgesehenen und diese von dem Eingreifen zurückhaltenden Bruchglieder oder Federn selbst durch Mittel festgehalten werden, die gemeinsam durch die Wirkung der Überdrehzahlschutzeinrichtung der Turbine bei einer Drehzahl ausgelöst werden, die geringer ist als diejenige, bei welcher die einzelnem. Federn oder Bruchglieder nachgeben.
13. 13. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Schaufeln in Form von flachen Blattfedern, die mit einem Ende an dein Läufer befestigt und an dem anderen Ende frei sind, so daß sie sich unter der Fliehkraftwirkung nach außen in die Wasserströmung durchbiegen und dadurch die zu den Treibflügeln gehende Wasserströmung umleiten.