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Verfahren zur selbsttätigen Regelung von Kaplanturbinen auf maximalen
Wirkungsgrad und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Kaplanturbinen werden
bekanntlich doppelt geregelt, und zwar durch Verstellung der Leit- und Laufradschaufeln.
Hierbei ist die Forderung gestellt, bei allen Betriebszuständen den jeweils höchsten
Wirkungsgrad zu erreichen, d. h., es muß jeder Leitschaufelstellung ein bestimmter
Laufradschaufelwinkel zugeordnet sein. Diese Forderung muß durch eine besondere
Einrichtung des Reglers erfüllt werden.
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Es wurden schon verschiedene Lösungen dieser Aufgabe vorgeschlagen.
Bei der bekanntesten Ausführung wird die Abhängigkeit zwischen Laufradschaufel-
und Leitschaufelstellung durch eine Kurvenscheibe bestimmt, die in der Rückführung
des Laufradschaufel-Steuerventiles angeordnet ist und die zwangläufige Zuordnung
der beiden Regulierorgane herbeiführt. Diese bekannte Anordnung läßt aber eine Regelung
großer Genauigkeit auf den jeweiligen Punkt des maximalen Wirkungsgrades nur dann
zu, wenn die Kurvenscheibe einwandfrei hergestellt und außerdem das Gestänge, das
die Kurvenscheibe verstellt bzw. abtastet, genau eingestellt bleibt. Aber auch dann
ist die Regelung nur richtig, wenn auch die Betriebsbedingungen genau erfüllt sind,
für welche die Kurvenscheiben angefertigt wurden.
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Die Abhängigkeit zwischen Leit- und Laufradschaufelstellung gilt nur
für ein bestimmtes Gefälle. Wenn sich im Betrieb der Maschine beispielsweise infolge
von Hochwasser das Gefälle ändert, ist es erforderlich, eine neue Kurvenscheibe
einzubauen. Es wurde auch schon vorgeschlagen, statt mehrerer
Kurvenscheiben,
die bei verschiedenen Gefällen ausgewechselt werden, eine Walze einzubauen, welche
gewissermaßen die erforderlichen Kurvenscheiben für alle Gefälle nebeneinander aufgereiht
darstellt und die dann je nach dem Gefälle von Hand oder automatisch verschoben
wird. Bei diesen Regelverfahren ergeben sich im Betrieb insofern Schwierigkeiten,
als bei Inbetriebnahme durch Messungen meistens eine Korrektur der Kurvenscheiben
erfolgen muß. Auch ist beispielsweise durch unbeabsichtigtes Verstellen des Gestänges
bei Reparaturen usw. nicht immer eine einwandfreie Regulierung der Maschine gewährleistet.
Schwierig ist insbesondere die Kontrolle, da es nicht ohne weiteres zu ersehen ist,
wenn die Zuordnung der beiden Regulierorgane nicht mehr stimmt. Die gleichen Schwierigkeiten
treten bei Verstelleinrichtungen auf, bei denen das z. B. durch eine Kurvenscheibe
bestimmte Abhängigkeitsverhältnis zwischen Leit- und Laufradschaufelung durch ein
in die Verbindung zwischen Leitradschaufel- und Laufradschaufelgetriebe eingeschaltetes
verstellbares Glied verändert werden kann.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine derartige Verstelleinrichtung,
insbesondere auf die Art und Weise der Beeinflussung dieses verstellbaren Gliedes.
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Gemäß der Erfindung werden die im Betrieb häufig auftretenden Fehler
einer solchen Verstelleinrichtung durch ein neues Regelverfahren vermieden, bei
dem während des Betriebes der Turbine die Einstellung der Kurvenscheibe durch Messung
der Betriebsgrößen laufend überprüft . und auf Grund dieser Messung die Beeinflussung
der Regelorgane so vorgenommen wird, daß immer der maximale Wirkungsgrad erreicht
wird.
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Gemäß der Erfindung werden die Bestimmungsgrößen der Turbine, also
die Wassermenge Q, das nutzbare Gefälle H und die Leistung N fortlaufend
oder in gewissen Zeitabständen auf elektrischem, hydraulischem oder mechanischem
Wege gemessen und hieraus dann der Wirkungsgrad je nach Zweckmäßigkeit entweder
mittels einer elektrischen, einer hydraulischen oder einer mechanischen Recheneinrichtung
errechnet, dann eine vorausbestimmte Änderung wenigstens einer der Bestimmungsgrößen,
beispielsweise des Leit- oder Laufradschaufelwinkels, herbeigeführt und die hierbei
auftretende Wirkungsgradänderung durch eine elektrische, mechanische oder hydraulische
Recheneinrichtung errechnet und schließlich, ebenfalls selbsttätig, in Abhängigkeit
von dieser Wirkungsgradänderung die Regelung vorgenommen.
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Die Turbine ist zu diesem Zweck mit einer Einrichtung ausgestattet,
die es ermöglicht, die abgegebene elektrische Leistung N zu messen und in einer
für- den Reguliervorgang zweckmäßigen Meßgröße darzustellen, sei es ein Ohmscher
Widerstand oder eine Spannung im Falle einer elektrischen Beeinflussung oder eine
Länge oder ein Winkel im Falle einer mechanischen Beeinflussung oder ein Druck bei-
hydraulischer Beeinflussung. Ebenso wird die von der Turbine verarbeitete Wassermenge
Q durch eine geeignete Meßeinrichtung, beispielsweise durch Differenzdruckmessung,
innerhalb eines Beschleunigungsgebietes des Wasserstromes ermittelt. Außerdem wird
die zur Verfügung stehende Nutzfallhöhe H beispielsweise durch eine Schwimmeranordnung,
welche die Differenz zwischen Über- und Unterwasserspiegel feststellt, gemessen.
Auch diese Meßwerte werden j e nach der gewählten Einrichtung in elektrische oder
mechanische Größen umgeformt. Der Quotient aus den genannten Bestimmungsgrößen ist
ein Maß für den Wirkungsgrad ii im jeweiligen Betriebszustand. Dieser Quotient läßt
sich beispielsweise in einer elektrischen Meßbrücke errechnen, welche über Meßbrückenwiderstände
und über einen Abgleichmotor den Brückenwiderstand für den Wirkungsgrad auf Brückengleichgewicht
automatisch abgleicht.
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Wird nun mit dieser Meßgröße für den Wirkungsgrad etwa in der weiter
unten näher beschriebenen Weise der Differentialquotient nach dem Laufradschaufelwinkel
gebildet, so kann man die Regulierung so betreiben, daß das Laufrad beispielsweise
einen Impuls im Öffnungssinne bekommt, wenn dieser Differentialquotient positiv
ist, und einen Impuls im Schließungssinne, wenn dieser Wert negativ ist, und zwar
so lange, bis sich der Differentialquotient zu Null ergibt und damit der maximale
Wert des Wirkungsgrades einreguliert ist.
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Bei langsamen Regulierbewegungen, die im allgemeinen bei Kaplanturbinen
erforderlich sind, ist es zweckmäßig, die ursprünglich geschilderte Abhängigkeit
zwischen Laufrad- und Leitschaufelstellung, beispielsweise durch die Kurvenscheibe,
beizubehalten und nach einer gewissen Zeit, die durch den Regler selbst bestimmt
sein kann, mit Hilfe der geschilderten Meßapparatur eine Korrektur der Zuordnung
herbeizuführen. Es ist dann möglich, für den Fall, daß infolge von Abschaltung größerer
Belastungen schnelle Regulierbewegungen erforderlich sind, die Regelung in üblicher
Weise zu betätigen.
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Die Bildung des Differentialquotienten kann so durchgeführt werden,
daß, gesteuert durch einen Impulsgeber etwa in gewissen Zeitabständen die Laufradschaufeln
um einen vorgegebenen festen Betrag 4
verstellt werden und daß die infolge
dieser Laufradschaufelverstellung eintretende Wirkungsgradänderung dil gemessen
wird. Durch eine geeignete Schaltung oder eine geeignete Konstruktion wird das Vorzeichen
des dann gebildeten Differentialquotienten festgestellt. Damit ist es möglich,.
diese -Wirkungserkennbar gemacht und- der richtige Regelsinn gradänderung zum Steuern
heranzuziehen. Zur Bestimmung des Quotienten
aus den genannten Bestimmungsgrößen werden z. B. elektrische Meßbrücken verwendet.
Je einer ihrer Brückenwiderstände wird proportional dem Wert der ihm zugeordneten
Bestimmungsgröße eingestellt.
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Die Quotientenbestimmung ist auf zwei elektrische Meßbrücken aufgeteilt.
In der ersten Meßbrücke wird zuerst eine Rechenfunktion, z. B. die Multiplikation
zweier Bestimmungsgrößen, durchgeführt --und über einen von einem Kontaktgalvanometer
der -ersten
Meßbrücke gesteuerten Abgleichmotor auf eine
zweite Meßbrücke übertragen. Dort wird dann die aus der Verstellung beispielsweise
der Laufradschaufeln resultierende Wirkungsgradänderung errechnet. Eine dritte elektrische
Meßbrücke errechnet dann den maximalen Wirkungsgrad und bewirkt die mechanische
Einregelung, beispielsweise des Laufradschaufelwinkels. Es wird hier der Differentialquotient
des Wirkungsgrades nach dem Laufradschaufelwinkel gebildet, also und proportional
diesem Differentialquotienten
der Laufradschaufelwinkel so lange eingeregelt, bis dieser Differentialquotient
sich zu Null ergibt. Ebensogut kann in der dritten
Meßbrücke der Differentialquotient des Wirkungsgrades auch nach der Leitschaufelverstellung
gebildet werden.
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Die Zeichnung enthält eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles
für die Regeleinrichtung zur Ausübung des Verfahrens gemäß der Erfindung. Das Beispiel
zeigt die Ausübung des Verfahrens gemäß der Erfindung, und zwar angewendet auf die
Einregelung des Laufradschaufelwinkels einer Kaplanturbine. Die mechanische Regeleinrichtung
arbeitet in an sich bekannter Weise so, daß bei Punkt i des Waagebalkens ia der
Drehzahlregler der Turbine angreift, der das Steuerventil 2 der Turbinenleitschaufeln
verstellt. Die Verstellung des Servomotorkolbens 3 der Leitschaufelregulierung führt
den Steuerstift des Steuerventiles 2 zurück und betätigt über das Gestänge q. das
Steuerventil 5 der Laufradsteuerung. Die Rückführung vom Laufrad erfolgt über Hebel
und Rückführgestänge 7 auf eine Kurvenscheibe 8, welche die Rückführung des Laufradsteuerventiles
5 in Abhängigkeit von der Stellung des Laufradservomotorkolbens g bewirkt. Mit Hilfe
des Handrades 6 läßt sich eine Einstellung des Laufrades von Hand ermöglichen.
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Zu dieser bekannten Regeleinrichtung tritt nun der Korrekturregler
gemäß der Erfindung hinzu. Dabei wird das Laufradsteuerventil5 nicht direkt von
der Stange 2o betätigt, sondern von dem Ende eines Waagebalkens ig, an dessen Drehpunkt
die Stange 2o angreift. Das Laufradsteuerventil 5 ist daher nur gestrichelt, dagegen
in der Darstellung des Korrekturreglers voll eingezeichnet und dort mit 5' bezeichnet.
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Der zu der vorstehend beschriebenen bekannten Regeleinrichtung zugeschaltete
Korrekturregler ermittelt beispielsweise mit elektrischem Verfahren, und zwar mittels
einer Meßbrücke Ml, die Meßwerte, welche die Regelung bewirken. In dieser MeßbrückeMl
sind R1, R2, R3, R4 die Brückenwiderstände. Der Widerstand R1 wird proportional
der Wassermenge Q eingestellt dadurch, daß beispielsweise die Wassermenge durch
einen Differenzdruckmesser gemessen wird, der gleichzeitig mit einer Radiziereinrichtung
zur direkten Messung der Wassermenge ausgestattet ist und der den Widerstand R1
proportional Q einstellt. Der Widerstand R4 wird proportional der Differenz des
Ober- und Unterwasserspiegels, also proportional der Nutzfallhöhe H, eingestellt.
R2 ist ein konstanter Widerstand und dient zur Einjustierung des Brückenausgangswertes.
Der Widerstand R3 wird durch den von einem Kontaktgalvanometer ii gesteuerten Abgleichmotor
io auf Brückengleichgewicht, d. h. auf Spannung 0 des Kontaktgalvanometers ii einreguliert.
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Gleichzeitig mit der Verstellung des Widerstandes R3 wird vom gleichen
Verstellmotor io der Widerstand R3' einer zweiten Meßbrücke M2 eingestellt. Der
Widerstand Rl' dieser zweiten Meßbrücke wird proportional der elektrischen Leistung
N ... eingeregelt. Der Widerstand R4' ist ein konstanter Brückenwiderstand.
Ein zweiter von einem Kontaktgalvanometer iii gesteuerter Abgleichmotor iio stellt
das Brückengleichgewicht durch Verstellung des Brückenwiderstandes R2' her, so daß
bei abgeglichener MeßbrückeM2 der Quotientenwert
= k - 77 gebildet wird.
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Es ist nun die Aufgabe gestellt, ein Maximum des Wirkungsgrades einzuregulieren.
Dies wird dadurch ermöglicht, daß in einer dritten Meßbrücke M3 der Differentialquotient
gebildet wird und proportional diesem Differentialquotienten der Laufradschaufelwinkel
9p so lange verstellt wird, bis der Wert
0 ist. Zu diesem Zweck wird mit Hilfe der elektromagnetischen Kupplungen 12 und
13 eine starre Verbindung zwischen dem Laufradservomotorkolben g und dem Verstellglied
des Brückenregulierwiderstandes R6 und weiter zwischen dem Brückenwiderstand R2'
und dem Brückenwiderstand R" über die Welle des Verstellmotors iio hergestellt.
Durch die Federn 14 und 15 sind die Verstellglieder der Brückenwiderstände R6 und
R6 der Meßbrücke M3 vor dem Kuppeln mit dem Laufradservomotor g bzw. dem Verstellmotor
io in die Ausgangslage gestellt worden. Nun wird, durch ein Zeitschaltwerk ausgelöst,
das Laufrad um einen bestimmten vorgegebenen Betrag beispielsweise durch Verstellen
am Handrad 6 mit Hilfe eines geeigneten Stellgliedes um einen gewissen Winkel dgg
verstellt. Entsprechend verstellt sich der Brückenwiderstand R6. Infolge der Veränderung
der Wassermenge Q, der Leistung N und des Gefälles H wird der Brückenwiderstand
R2' der Meßbrücke M2 proportional dem nun für den veränderten Laufradwinkel geltenden
Wirkungsgrad eingestellt und damit der Brückenwiderstand R, der Meßbrücke M3 proportional
der Wirkungsgradänderung d?7 eingestellt. Die Brücke bekommt nun Spannung, und das
Kontaktgalvanometer 16 stellt durch den Verstellmotor 17 den Widerstand R, der Meßbrücke
M3 so ein, daß, da der Widerstand R8 konstant bleibt, der Widerstand R, der Meßbrücke
M3 proportional dem Wert
also proportional dem gesuchten Wert
ist. Gleichzeitig wird durch die Welle des Verstellmotors 17 der Punkt 18 des Waagebalkens
ig und damit das Laufradsteuerventil5' verstellt. Die Verstellung des Laufradservomotorkolbens
g erfolgt nun, da bei geeigneter Einstellung von Ra der Wert
positiv oder negativ und damit die Drehrichtung des Verstellmotors 17 nach der einen
oder
anderen Richtung erfolgt, im Sinne einer Korrektur des Laufradwinkels nach dem Wert
= 0.
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Die Einschaltung der Brückenschaltungen erfolgt über den gleichen,
hier nicht weiter bezeichneten Zeitschalter, der die Betätigung des Handrades 6,
das Schließen der beiden Kupplungen, 12 und 13 und ebenso wieder das Ausschalten
der gesamten Reguliereinrichtung bewirkt. Der Zeitschalter wird so eingestellt,
daß er erst nach einer gewissen Zeit, beispielsweise nach 5 bis io Minuten Ruhe
der Turbinenregelung, die Korrekturregelung freigibt und in den gleichen Intervallen
die Laufradschaufelstellung nachkontrolliert und nachregelt. Es ist ohne Schwierigkeiten
möglich, bei Betätigung der Drehzahlverstellung oder Öffnungsbegrenzung von der
Warte aus diesen Korrekturregler außer Betrieb zu setzen, um eine schwingungsfreie
Einstellung der Maschine, z. B. bei der Parallelschaltung, zu gewährleisten.