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Mittelbar wirkende Regeleinrichtung für vielstufige Dampf- und Gasturbinen
Bei den bekannten Reglern für die Zufuhr des Treibmittels zu Dampf- oder Gasturbinen,
die z. B. in Abhängigkeit von der Drehzahl, dem Gegendruck oder anderen Betriebsgrößen
wirken, ist -°s üblich, die zur stabilen Regelung erforderliche Rückführung des
Reglers von dem Hub. bzw. der Üffnung des Stellgliedes des oder der Regelventile
abzuleiten. Diese Anordnung hat z. B. bei Turbinen mit mehreren Regelventilen, die
nacheinander öffnen. und das Treibmittel in einer entsprechenden Anzahl von Teilströmen
mehr oder weniger gedrosselt der Turbine zuführen, den Nachteil, daß -es nur mit
erheblichenSchwierigkeitenmöglich ist,-eine stetige, möglichst lineare Abhängigkeit
zwischen. der Regelgröße, z. B. der Drehzahl, und der Dampfzufuhr oder Leistung
zu erreichen. Eine solche Stetigkeit ist aber erwünscht, um im Parallelbetrieb mehrerer
Turbinen oder Kraftwerke eine gleichmäßige Verteilung von Lastschwankungen auf die
einzelnen Turbinen zu erreichen.
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In Abb. r stellt z. B. die Kurve a den Hub der Muffe des Drehzahlreglers
und im Beharrungszustand den Hub irgendeines Teils des Regelgestänges oder bei Steuerungen
mit veränderlichem Steueröldruck diesen Öldruck inAbhängigkeit von der Drehzahl
n dar. Die Kurven bi bis b3 zeigen den Hub der einzelnen, nacheinander öffnenden
Regelventile, von denen hier drei angenommen sind, in Abhängigkeit vom Hub des Reglers,
wobei diese Abhängigkeit durch die Art der Rückführung, die Form
etwaiger
Nocken oder durch die Hubcharakteristik federbelasteter Ölkolben bedingt ist. Die
Kurve c ergibt dann die Abhängigkeit der Treibmittelmenge in Abhängigkeit vom Reglerhub,
Kurve c;! die Treibmittelmenge oder die Leistung N der Turbine in Abhängigkeit von
der Drehzahl. Wenn nun zwei Turbinen z. B. von angenähert gleicher Leistung parallel
untereinander oder auf ein Drehstromnetz arbeiten, so beteiligen sie sich an den
Laständerungen im Netz, die sich zunächst als Änderungen der Frequenz auswirken,
nach Maßgabe der Neigung der Kurven N= f (n.) in dem jeweiligen Betriebspunkt.
1Tach Abb. z wird z. B. bei einer Schwankung der Frequenz um d za die Turbine
mit der Charakteristik i ihre Leistung um AN" die Turbine z um
d 11T2 ändern. Bei dem Beispiel der Abb-. z übernimmt also die Turbine i,
die gerade in einem steilen Bereich der Kurve N = f (n) arbeitet, einen wesentlich
höheren Anteil an den Lastschwankungen als die Turbine 2, die im flachen Teil ihrer
Kurve arbeitet. Die Lastverteilung auf die einzelnen Maschinen ist also, wenn deren
Charakteristik solche Unstetigkeiten; aufweist, stark veränderlich, je nachdem,
in welchem Bereich ihrer Charakteristik, die einzelnen Turbinen zufällig arbeiten.
Eine gleichmäßige Verteilung von Laständerungen auf die einzelnen parallel arbeitenden
Turbinen ist nur möglich, wenn die Kurve N = f (n) wenigstens in dem Hauptarbeitsbereich
der Maschine linear, d. h. mit gleichbleibender Ungleichförmigkeit verläuft. Um
dieser an sich bekannten Forderung gerecht zu werden, wurde schon vorgeschlagen,
bei der üblichen Ausführungsweise der Rückführungen durch besondere Form der Nocken,
die z. B. bei größerer Ventilöffnung einen steileren Verlauf haben müssen, und durch
besondere Ausbildung von Drosselringen oder -kegeln an den Sitzen der Regelventile
eine möglichst weitgehend geradlinige Abhängigkeit der durchfließenden Treibmittelmen:ge
vom Hub des Reglers zu erreichen,. Dies ist aber deswegen schwierig, weil der Treibmitteldurchfluß
sich nur bei überkritischen Druckgefällen am Ventil linear mit der freien Durchtrittsfläche
des Ventils ändert, dagegen bei unterkritischem Druckgefälle am Ventil nach einer
Kurve zweiten Grades. Es muß daher für jede Größe der den einzelnen. Regelventilen
nachgeschalteten Düsen oder Beschaufelungsflächen eine ganz bestimmte Form der Nocken
und Drosselringe bestimmt und ausgeführt werden, was in der Praxis dazu führt, daß
man sich meist mit mehr oder weniger .groben Annäherungen an die linearen Regulierkurven
begnügt, um Normalteile hierfür verwenden zu können.
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Zur Behebung dieser Schwierigkeiten hat man schon versucht, die Rückführung
nicht mehr in Abhängigkeit von irgendwelchen Größen zu machen, die dem Hub der Regelventile
zugeordnet sind, sondern von einem Stufendruck der Turbine.
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Abb.3 zeigt als Anwendungsbeispiel dieses Gedankens die Drehzahlregelung
einer Dampfturbine i, die den Generator a antreibt und der der Dampf durch die Leitung
3 über das Regelventil 4. zugeführt wird. Letzteres wird vom Kraftkolben 5
be-
tätigt, der vom Steuerschieber 6 in bekannter Weise in Abhängigkeit vom
Drehzahlregler 7 verstellt wird. Bei ° den bekannten Reglern wird nun, das Gestänge
-des Steuerschiebers 6 oder die Riickfiilirbüchse 8 von 'der Bewegung des Kraftkolbens
5 so zurückgeführt, daß im Beharrungszustand jeder Stellung des"Drehzahlreglers
7 eine bestimmte Stellung des Kraftkolbens 5 und Ventils 4. zugeordnet ist.
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Hierbei wird nun diese Rückführung nicht vom Kraftkolben 5, sondern
von einem Stufendruck der Turbine .i bewirkt, der über die Leitung io auf eine federbelastete
Membran g geleitet wird, die die Rückführbüchse 8 z. B. mit zunehmendem Stufendruck
nach oben verschiebt. Sinkt z. B. die Drehzahl, so wird zunächst der Steuerschieber
6 vom Drehzahlregler nach oben verschoben, wodurch der Kraftkolben 5 abgesenkt und
das Ventil 4. geöffnet wird. Dadurch steigt der Stufendruck in. der Turbine, der
auf die Membran, g wirkt und durch dies.-die Rückführbüchse 8 nach oben schiebt,
bis di,2 Steuerkanten. am Steuerschieber 6 wieder zum Al;-schluß .gelangen und dadurch
eine weitere Öffnung des Ventils q. verhindern. Jeder Stellung des Drehzahlreglers
ist. damit direkt ein bestimmter Stufendruck der Turbine. und eine bestimmte Dampfmeng:
zugeordnet. Da sich aber einerseits der Hub des Drehzahlreglers innerhalb des Regelbereiches
von etwa 5 °/a mit guter Annäherung linear, wenn auch nicht verhältnisgleich mit
der Drehzahl ändert, sich andererseits aber der Stufendruck bei mehrstufigen Kondensationsturbinen
und mit genügender Genauigkeit auch bei mehrstufigen Gegendruckturbinen linear mit
der Leistung ändert, so wird auf diese Weise die gewünschte geradlinige Abhängigkeit
zwischen Drehzahl und Leistung in einfachste:-Weise erzielt. Besondere Formen von
Rückführnocken oder Drosselkegeln, die'bisher für die besonderen Dampfverhältnisse,
Düsen- oder Beschaufelungsquerschriitte jeweils besonders bestimmt werdenmüssen,
sind dann nicht mehrerforderlich.
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Um den gleichen Gedanken bei der gestängelosen Öldrucksteuerung für
Turbinen anwenden und die hierdurch bedingten Vorteile ausnutzen zu können, wird
gemäß der Erfindung der Kraftkolben 5 mit dem Regelventil q. gemäß der Abb. .a.
von dem Steuerschieber 6 gesteuert, der von dem Rückfüh:--druckwandler i i betätigt
wird. Dieser besteht aus einem Ölkolben, auf dessen Oberseite eine Membran angeordnet
ist, auf die durch Leitung io ein Stufendruck der Turbine gesetzt wird. Unter den
Ölkolben wird ein Öldruck pst geleitet, der in bekannter Weise durch eine Blende
12 und einen Abfluß am Drehzahlregler 7 so gesteuert wird, daß er sich z. B. angenähert
geradlinig mit der Drehzahl ändert, und zwar z. B. mit zunehmender Drehzahl abnimmt.
Die Flächen des Ölkolbens und der Membran am Rückführwandler ii sind erfindungsgemäß
so abgestuft, daß z. B. der höchstmögliche Steueröldruck dem Stufendruck bei Höchstlast
der Turbine das Gleichgewicht hält. Zum Ausgleich des bei kleinen Dampfmengen entstehenden
Vakuumzuges ist über dem Kolben eine Feder angeordnet. Die
Wirkungsweise
ist folgend:: Sinkt z. B. die Drehzahl, so schließt der Drehzahlregler 7 den Ölabfluß.
Dadurch steigt der Steueröldruck pst und hebt den Rückführwandler i i und den Steuerschieber
6. Hierdurch wird Drucköl über den Kraftkolben 5 gegeben und das Ventil d. geöffnet,
bis der mit zunehmender Dampfmenge steigende Stufendruck über die Membran des Rückführwandlers
i i den Steuerschieber 6 wieder nach unten drückt und zum Abschluß bringt. Auch
in diesem Falle wird durch die Benutzung des Stufendruckes pT zur Rückführung eine
geradlinige Abhängigkeit zwischen Leistung und Steueröldruck erreicht. Da man auch
die Abhängigkeit des Steueröldruckes von der Drehzahl etwa geradlinig gestalten
kann, so erlaubt die An-Ordnung nach der Erfindung auch in. diesem Falle die Einhaltung
einer geradlinigen Abhängigkeit zwischen Drehzahl und Leistung, ohne daß besondere
Bedingungen, für die Gestaltung der Durchlaßquerschnitte am Ventil 4. erfüllt sein
müssen. Auch vom Frischdampfdruck wird damit die Regelung weitgehend unabhängig.
Statt des Drehzahlreglers ; kann natürlich auch ein anderer Regler, z. B. ein Druckregler
oder ein Leistungsregler, verwendet werden.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung wird der Grundsatz der Rückführung
durch einen Stufendruck der Turbine auf die Regelung von Entnahme-oder Mehrdruckturbinen
angewendet. Abb. 5 zeigt z. B. die Regelung einer Entnahmeturbine. Die einzelnen
Ziffern bedeuten dasselbe wie in Abb. 3, wobei der Fußzeiger a. für den Hochdruckteil,
der Fußzeiger 6 für den Niederdruckteil der schematisch als Zweizylindermaschine
gezeichneten Turbine gilt. Der Entnahmedruckregler 13, der unter dem Einfluß des
Entnahmedruckes in der Leitung 15 steht, wirkt in an sich bekannter Weise gemeinsam
mit dem Drehzahlregler 7 auf ein Vorsteuergestänge 14., dessen Hebelübersetzung
auf Grund der Wärmegefälle und der Dampfmengen der beiden Turbinenteile gewählt
ist. Der Drehzahlregler verstellt dabei die beiden Steuerschieber 6a und 6b und
damit auch die Ventile da und d. b im gleichen Sinne, z. B. im Öffnungssinne bei
fallender Drehzahl, während der Entnahinedruckregler 13 sie im entgegengesetzten
Sinne verstellt, so daß z. B. mit steigendem Entnahmedruck das Hochdruckventil .Ia
öffnet und das N iederdruckventil 4.b schließt.
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Bekanntlich ist es bei solchen Entnahmeregelungen erwünscht, die Änderungen
der Hoch- und Niederdruckdampfmen.gen d Ga und d Gb bei Regelvorgängen
in einem ganz bestimmten Verhältnis einander zuzuordnen, so daß bei Änderungen der
Drehzahl stets d Ga = d Gb ist und dadurch der Entnahmedruck unverändert
bleibt, während bei Änderungen des Entnahmebedarfs d Ga - H" = --d
Gb - Hb sein soll, wobei Ha und Hb das verarbeitete Wärmegefälle im Hoch-
bzw. Niederdruckteil bedeuten. Im letzteren Falle soll die Leistung trotz Änderung
der Entnahmemenge unverändert bleiben. Dies wird bei den üblichen Entnahmeregelungen
z. B. durch ein geeignetes Übersetzungsverhältnis am Vorsteuergestänge 1d. angestrebt,
jedoch nur sehr unvollkommen. erreicht, da dabei vorausgesetzt wird, daß der Hub
der Steuerschieber 6a und 6b bei allen Lasten verhältnisgleich den von ihnen gesteuerten
Dampfmengen Ga und Gb ist.
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Diese Voraussetzung trifft, wie oben erläutert, bei den üblichen Regelungen
nicht zu, besonders auch bei Änderungen des Frischdampfdruckes oder des Entnahmedruckes.
Erst durch die Rückführung mit Hilfe der Stufendrücke an den. beiden Teilturbinen
ia und ib nach der Erfindung ist es möglich, dieses Ziel mit guter Genauigkeit zu
erreichen. Insbesondere gilt dies für beide Turbinenteile, je größer ihre Stufenzahl
und das in ihnen verarbeitete Druckverhältnis ist. Die Rückführung durch den Stufendruck
hat dabei noch den weiteren Vorteil, daß di: Regler 7 und 13 nebst Vorsteuergestänge
14. und Steuerschieber 6 mit Rückführungsbüchse 8 und Membran 9 räumlich nicht mehr
an die Ventile d. und Kraftkolben 5 gebunden sind, sondern unabhängig von diesen
und ohne mechanische Gestängeverbindung mit ihnen, aufgestellt werden! können. Dieser
Vorteil ist. besonders wichtig zur Vermeidung von Klemmungen oder Veränderungen
in der Einstellung bei großen Turbinen mit räumlich weit verzweigten Gestängeanordnungen.
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In Ab.b.6 ist die Anwendung des Grundsatzes der Rückführung durch
den Stufendruck der Turbine auf die Regelung von Zweidruckturbinen gezeigt. Die
bisher übliche Rückführung des Regelgestänges durch den Ventilhub ist bei Zweidruckturbinenr
besonders dann unzulänglich, wenn an. den N iederdruckventilen .4b, die den Zusatzdampf
durch Leitung 3b dem Niederdruckteil ib der Turbine zuführen, unterkritisches Gefälle
herrscht. In diesem Falle ist die Öffnung der Niederdruckventile selbst bei besonderer
Wahl des Ouerschnittverlaufs kein völlig eindeutiges Maß mehr für die einströmende
Zusatzdampfmenge Gz, weil z. B. bei unveränderter Öffnung der Niederdruckven:tile
um so weniger Zusatzdainpf einströmt, je größer die Hochdruckdampfmenge ist und
je .höher infolgedessen bereits der Druck vor der Niederdruckturbine, d. h. hinter
den Ventilen ,4P ist. Der Hub der Niederdruckventile ist daher streng genommen zur
Rückführung ungeeignet; wenigstens ist damit eine Gleichwertregelung in dem Sinne
unmöglich, daß bei Änderungen der Zusatzdampfmenge die Frischdampfventile genau
um so viel geschlossen werden, daß die Leistung unverändert bleibt. Auf dieser Erkenntnis
beruhend wird auch hier die Rückführung durch -den Stufendruck mit besonderem Vorteil
angewendet, wobei jedoch zu beachten ist, daß der Stufendruck im Hochdruckteil ein
Maß für die Hochdruckdampfme ge, der Stufendruck im Niederdruckteil ein Maß für
die gesamte Niederdruckdampfmenge ist. Da die Zusatzdampfmenge die Differenz beider
Dampfmengen, ist, so wird nach Abb. 6 die Rückführbüchse 8b durch zwei gegeneinandergeschaltete
Membranen 17 und 18 betätigt, von denen die obere Membran 17 durch die Leitung iol
mit .einem Stufendruck des Hochdruckteils ia, die untere Membran i8 durch die Leitung
iöb mit
dem Niederdruckteil in Verbindung steht. Die Querschnitte
der beiden Membranen sind so zueinander abgestuft, daß bei geschlossenem Ventit4b,
also bei G, = o, die beiden Stufendrücke in den. Leitungen io° und iob, die bei
reinem Frischdampfbetrieb bei allen Belastungen einander verhältnisgleich sind,
sich an den Membranen das Gleichgewicht halten. Bei mehr oder weniger geöffnetem
N1 iederdruclcventil 4b steigt bei gleichbleibender Hochdruckdampfmenge nur der
Druck auf die Membran 18 und bewirkt hier eine Überschußkraft, die der Zusatzdampfmenge
verhältnisgleich ist. Dadurch macht auch die Rückführbüchse 8b unter dem Einfluß
des federbelasteten Membransystems 17 und 18 einen Hub, der gleichfalls der Zusatzdampfmenge
verhältnisgleich ist, und zwar unabhängig von der Frischdampfmenge, vom Druckgefälle
am Ventil 4.b sowie vom Frischdampf und Zusatzdampf. In, Abb. 6 kennzeichnen die
einzelnen Ziffern sinngemäß die entsprechenden Teile wie in Abb. 5. Das Vorsteuergestänge
1q. wird in bekannter Weise einerseits vom Drehzahlregler 7, andererseits vom Zusatzdampfdruckregler
16 betätigt. Die Regelung hat die Aufgabe, die Drehzahl und den Zusatzdampfdruck
P, in der Leitung 3b so zu regeln, daß bei Änderung der Leistung nur die Frischdampfventile
4a, nicht aber die N iederdruckventile qb betätigt werden, während bei Änderung
des Druckes P" das oder die Niederdruckventile 4b z. B. mehr öffnen und gleichzeitig
die Frischdampfventile q.a um einen, solchen Betrag schließen sollen, daß die abgegebene
Leistung unverändert bleibt. Dies wird zunächst in bekannter Weise durch das Übersetzungsverhältnis
am Rückführgestänge angestrebt. Während. jedoch bei den üblichen Regelungen die
Rückführung in der oben erläuterten unvollkommenen Weise vom Hub der Ventile 4.9
und 4P abgeleitet wird, wird nach der Erfindung diese Rückführung durch die Membranen
9a bzw. 17 und 18 unter dem Einfluß der entsprechenden Drücke an den Teilturbinen
bewirkt. Dadurch wird der Hub der Rückführbüchse 8a und damit auch des Steuerschiebers
6a im Beharrungszustand verhältnisgleich der Frischdampfmenge Ga und der Hub der
Rückführbüchse 8b und des Steuerschiebers 6b verhältnisgleich der Zusatzdampfmenge
GZ. Erst hierdurch wird bei allen Leistungen und Dampfmengen die angestrebte Gleichwertregelung
vollkommen erreicht.
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Da die Stufendrücke an der Turbine wegen der kleinen Dampfspeicherräume
sich praktisch gleichzeitig mit dem Ventilhub ändern, ist in der Regel die Rückführung
durch den Stufendruck in zeitlicher Beziehung gleichwertig mit der Rückführung durch
den Ventilhub selbst. Sind jedoch größere Speicherräume an der Turbine angeschlossen.,
so können sie verzögernd auf die Druckänderungen an den einzelnen Turbinenstufen
einwirken. Um auch in solchen Fällen die Stabilität zu sichern, kann eine vorübergehende
Rückführung in Abhängigkeit von der Bewegung des Ventils eingeschaltet werden, die
im Beharrungszustand umvirksam und durch die vom Stufendruck abhängige Rückführung
ersetzt wird. Abb. 7 zeigt die Anwendung dieses Gedankens auf eine Turbine mit nur
einer Ventilgruppe ähnlich Abb. i. Der Kraftkolben 5 betätigt hierbei noch einen
Kolben i9, während an der Rückführbüchse 8 ein Kolben 2o befestigt ist. Die entsprechenden
Kolbenseiten vors i9 und 2o sind durch ölgefüllte Leitungen miteinander verbunden.
Bei einer Bewegung des Kraftkolbens 5 nach oben wird der Kolben 2o und damit die
Rückführbüchse 8 nach unten verschoben. Im Beharrungszustand kehrt die Rückführbüchse
8 in diejenige Lage zurück, die durch das federbelastete Membransystem 9 unter dem
Einfluß des Stufendruckes bedingt ist. Dies. wird dadurch ermöglicht, daß die einstellbare
Umlaufdrossel2i den Druck über und unter den Kolben i9 und 2o nach kurzer Zeit wieder
ausgleicht. In sinngemäßer Weise kann man diese vorübergehende Rückführung, die
gleichfalls ohne Gestänge erfolgt, auch bei der Regelung von Entnahme- und Mehrdruckturbinen
nach den Abb. 5 und 6'anwenden.
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Abb. 8 zeigt diese vorübergehende Rückführung bei Anwendung auf eine
Regelung nach Abb. 4.. Bei den Regelungen nach Abb. 3 bis 8 kann die Ölleitung zu
der federbelasteten Seite der Kraftkolben. 5 bzw. 511 und 5b auch wegfallen,, so
daß auf der entgegengesetzten Kolbenseite ein mit der Last veränderlicher Öldruck
pst a sich einstellt. Bei Verwendung mehrerer nacheinander öffnender Ventile wird
dann die Öffnungsfolge durch verschiedene Vorspannung der Kraftkolbenfedern eingestellt.
Man kann dann den Kolben i9 nach Abb-. 7 und 8 von dem Kraftkolben 5 der eigentlichen
Düsenventile q. trennen und mit einem eigenen fe.derbelasteten Kolben durch den
gleichen Öldruck pstii so be-tätigen, daß bei Laständerungen die gleiche
vorübergehende Rückführung erreicht wird, als ob der Kolben i9 mit dem Ventil q.
verbunden wäre.