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Vorrichtung zur Drehzahlregulierung bzw. -überwachung, insbesondere
bei Dampfturbinen Es sind Drehzahl- bzw. Schnellschlußregler bekanntgeworden, bei
denen als Fliehkraftpendel eine in der Wellenachse angeordnete stabförmige Biegungsfeder,
kurz Stabfeder genannt, verwendet wird. Diese Stabfeder hat gegenüber den üblichen
Fliehkraftreglern den Vorteil, daß sie keinerlei Hebel, Gelenke, Schneiden, Muffen
oder Wälzbahnen besitzt und daher frei ist vbn unliebsamen Spielen, Reibungen und
Abnutzungen. Außerdem kann sie im Gegensatz zu fast allen anderen Drehzahlreglern
in schnellaufende Wellen, bei Dampfturbinen z. B. in die eigentliche Turbinenwelle,
ohne Zwischenschaltung eines Getriebes eingebaut werden, was die Betriebssicherheit
weiterhin erhöht. Bei den bekanntgewordenen Ausführungen dieser Stabfederregulierung
erfolgt die Übertragung des die Drehzahl messenden Stabfederausschlages auf das
Stellorgan, beispielsweise . das Dampfdrosselventil einer Dampfturbine unter Zwischenschaltung
von Öldruck als Hilfskraft. In Fig. i und 2 ist schematisch eine solche Anordnung
dargestellt, und zwar für eine stabile Drehzahlregulierung. i ist die Stabfeder
mit beispielsweise rechteckigem Querschnitt, die mit ihrem Zapfen :2 in der Welle
12 eingespannt ist. Am freien Ende der Feder sitzt exzentrisch die Masse 3, der
gegenüber sich die feststehende Düse q. befindet, die durch einen Ansatz am Stabfederende
im Ruhezustand überdeckt
wird. Zwischen rotierender Stabfeder und
feststehender Düse 4 ist ein Spalts. Die Düse 4 ist durch eine Leitung 5 mit dem
Zylinderraum 6 des Kraftkolbens 7 verbunden, der andererseits durch die Feder 8
belastet ist. Über die Stange 9 wird das nicht dargestellte Regulierventil betätigt.
Das Drucköl fließt durch die Leitung io über eine Drossel i i der Düse bzw. der
Leitung 5 zu. Der Druck in dieser Leitung und damit im Zylinderraum 6 des Kraftkolbens
ist abhängig von der Größe des Ausflußquerschnittes aus der Düse 4, der von der
Stabfeder mit stabiler Charakteristik in stetig steigendem Maße mit steigender Drehzahl
freigegeben wird (vgl. Fig.2). Entsprechend der Charakteristik der Feder 8 gehört
zu jedem Druck im Zylinderraum 6 eine bestimmte -Stellung des Regelventils.
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Die Stabfeder wird auch im Dampfturbinenbau als Schnellschlußregler
verwendet. Durch - entsprechende Bemessung , der Exzentrizität der Masse 3 und Anbringung
einer Vorspannung ist es möglich, der Stabfeder_ eine labile Drehzahl-Charakteristik
zu geben, so daß sie bis 'zu einer gewissen Drehzahl in ihrer Mittelstellung bleibt
und die Düsenöffnung 4 ganz überdeckt, bei einer vorbestimmten Sclmellschlußdrehzahl
aber plötzlich in Ausschlagendstellung geht und den ganzen Querschnitt freigibt,
so daß das Schnellschlußventil- sofort geschlossen wird. - ' -Die Stabfederregelung
verbürgt, wie schon oben erläutert, höchste Sicherheit gegen ein Versagen. Man kann
daher bei Verwendung der Stabfeder für die Drehzahlregulierung beispielsweise bei
Dampfturbinen auf den sonst üblichen zusätzlichen Schnellschlußregler mit gesondertem
Schnellschlußventil verzichten, ohne daß ein Durchgehen der Turbine zu befürchten
ist. In vielen Fällen ist es aber erwünscht, bei über den normalen Leerlauf hinausgehender
Entlastung der Turbine diese nicht mit erhöhter Drehzahl weiterlaufen zu lassen,
sondern sofort still zu setzen. Dies kann z. B. der Fall sein bei Abreißen der Strömung
einer von der Turbine angetriebenen Kreiselpumpe oder bei Bruch ,der Kupplung' zur
Arbeitsmaschine. Auch bei anderen Maschinen kann es erwünsdht sein, eine Vorrichtung
zu haben, die als Regulierung und Schnellsehluß im eben beschriebenen Sinne arbeitet
oder auch in Abhängigkeit von der Drehzahl in einem gewissen Bereich einen anderen
Vorgang steuert und außerhalb dieses Bereiches bei einer bestimmten Drehzahl einen
Aus- oder Einschaltvorgang bewirkt.
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Die Erfindung löst .die Aufgabe, unter Verwendung .der- Stabfeder
in abgewandelter Form ein Regelorgan zu schaffen, das die stabile Charakteristik
der Drehzahlregulierung mit der labilen eines Schnellschlusses verbindet. In einem.gewissen,
durch die Stabilität der Regulierung bedingten Drehzahlbereich zwischen Leerlauf
und Vollast erfolgte Drehzahlregulierung. Bei einer bestimmten, am Ende oder außerhalb
dieses Bereiches liegenden Drehzahl tritt die labile Sehnellschlußwirkung ein. Dies
wird. dadurch erreicht, daß die Stabfeder aufgeteilt wird in zwei in der Ebene der
Drehachse angeordnete neben- oder ineinanderliegende Stabfedern, die an einem Ende
gemeinsam fest mit der Welle verbunden sind und am anderen freien Ende sich mit
Vorspannung in radialer Richtung gegeneinanderlegen. Beide Federteile tragen am
freien Ende eine exzentrische Masse. Eine der beiden Federn steuert mit ihrem freien
Ende den Ausfluß aus der Öldüse.
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In Fig.. 3 und 4 ist die Regelvorrichtung gemäß der Erfindung an einem
Beispiel im Aufriß und Grundriß in vereinfachter Darstellung aufgezeichnet. r2 ist
die Maschinenwelle, in der die Doppelfeder 21, 22 mit ihrem einen Ende eingespannt
ist. Dabei ist diese in-dem gezeichneten Beispiel so angeordnet, daß der Federstab
22 in der gleichen durch die Drehachse gehenden Ebene zwischen den zwei parallelen
Schenkeln des Federstabes 21 liegt. Der Teil 22 trägt am freien Ende eine Masse
23, die mit ihrem Ansatz 24 je nach Ausschlag in radialer Richtung die Düsenöffnung4
mehr oder weniger freigibt. Der Federstab 22 liegt mit dem freien Ende- unter -
Vorspannung gegen einen Anschlag 25 an. Dieser wird gebildet durch' eine Schraube,
die in der Masse 26 eingeschraubt ist. Die Masse 26 befindet sich am freien Ende
des Federteiles 21. Um die gewünschte Charakteristik zu erhalten, 'hat der Federteil
:2i eine wesentlich größere Steifheit als der Teil 22 und die Masse 26 ist größer
als die Masse 23. Der Schwerpunkt der Masse 26 ist gegenüber der Mittellinie des
Federstabes 21 exzentrisch angeordnet, und zwar nach der Richtung, in der der Ausschlag
erfolgt infolge der Zentrifugaikräfte. Diese ist durch den Pfeil A angedeutet. Die
Masse 23 ist an dem Federteil 22 mit einer Exzentrizität gegenüber von dessen Mittellinie
angebracht, die entgegen dieser Richtung A liegt. Die Feder 22 erhält durch die
mit dem Anschlag 25 gegebene Vorspannung stets eine größere Durchbiegung als die
Feder 21, und zwar ist diese im Betriebszustand so groß, daß der .Schwerpunkt der
Masse 23 von der Drehachse der Welle 12 aus gesehen auf der Seite des Ausschlages
A liegt.
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Innerhalb eines gewissen, durch die Wahl der entsprechenden Federkonstanten,
Massen und Exzentrizitäten gegebenen Drehzahlbereiches bleibt der Teil 22 fest an
dem Anschlag 25 anliegend und die Massen 26 und 23 mit dem Ansatz 24 bewegen sich
in gleichem Maße in stetig mit der Drehzahl steigendem Ausschlag in Richtung A,
die Düsenöffnung 4 nach und nach freigebend. Die Endstellung innerhalb dieser der
stabilen Drehzahlregulierung entsprechenden Phase ist in Fig.5 ausschnittweise in
vergrößertem Maßstab dargestellt. Hierbei ist die Düse 4 noch nicht ganz freigegeben.
Bei weiterer Drehzahlerhöhung wird eine Stellung erreicht, in der der Federteil
22 mit der Masse 23 sich in labilem Gleichgewicht befindet und schlagartig in die.
Endstellung. d. h. an den Anschlag 27 geht, während Federteil 2i.mit der Masse 26
in ihrer innegehabten Lage bleiben. Fig. 6 zeigt diese Stellung, bei der. die Düsen-
Öffnung
4 ganz freigegeben ist. Die Drehzahl, bei der diese Schnellschlußwirkung eintritt,
kann durch Verstellung der Anschlagschraube 25 in der Masse 26 eingestellt werden.
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Die Düse 4 in Fig. 3 und 6 entspricht im wesentlichen der Düse 4 in
Fig. i. An sie ist ein Druckölsystem für die Steuerung des Kraftkolbens 7 des Regulierventils
angeschlossen (vgl. Fig. i). Dabei sind die Querschnitte der Drossel i i, der Düse
4 mit der Öffnung durch den Ansatz 24 (in Fig. 3) sowie die Charakteristik der Feder
8 im Servomotor in Verbindung mit den Kräften am Regulierventil so abgestimmt, daß
für den stabilen Dreh, zahlbereich die Stellung des Regulierventils von voller Öffnung
bis Leerlaufstellung geht. Bei ganz freigegebener Öffnung 4 dagegen (Fig. 6) sinkt
der Öldruck soweit ab, daß das Ventil ganz geschlossen und die Maschine stillgesetzt
wird.
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Es ist auch möglich, in der durch die vorbeschriebene Regelvorrichtung
beeinflußten Druckölleitung ein Relais einzubauen, das ein getrenntes Schnellschlußventil
für die Absperrung der Dampfzufuhr betätigt. Dieses Relais spricht nicht an, solange
der Öldruck in dieser Leitung in den Grenzen bleibt, die für die stabile Drehzahlregulierung
nach Fig. 3 bis 5 festgelegt sind. Bei voller Öffnung dagegen (Stellung nach Fig.
6) und unter die untere Grenze für die Regulierung abgesenktem Öldruck läßt das
Relais das Drucköl aus einem zweiten Leitungssystem ab, das ein getrenntes Schnellschußventil
offen gehalten hat. Dieses Schnellschlußventil wird also jetzt geschlossen.
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In manchen Fällen wird verlangt, daß das zusätzliche Schnellschlußventil
nicht von dem Ölablauf aus der Düse 4 abhängig ist, durch den gleichzeitig das Regulierventil
gesteuert wird. In solchen Fällen wird die Vorrichtung nach der Erfindung zweckmäßig
durch die in Fig. 7 dargestellte zusätzliche Einrichtung erweitert. Fig. 7 stellt
einen Seitenriß zu Fig. 3 in Richtung B gesehen unter Weglassung der Düse 4 dar.
Neben der rotierenden Masse 23 ist am Gehäuse 31 eine feststehende Klinke 32 angeordnet,
die bei der gezeichneten Regulierstellung der rotierenden Masse 23-außerhalb von
deren Drehbereich liegt. Tritt die Schnellschlußfunktion der Vorrichtung ein, d.
h. geht die Masse 23, in die gestrichelt gezeichnete Endstellung, wobei ihr äußerster
Punkt den Kreis C beschreibt, so wird die Klinke aus ihrer Raststellung geschlagen
und gibt den unter Federkraft der Feder 33 stehenden Steuerschieber 34 frei. Das
in der Leitung 35 befindliche Drucköl läuft ab und ein durch dieses Drucköl offen
gehaltenes, in der Zeichnung nicht dargestelltes 'besonderes Schnellschlußventil
für das Treibmittel der Turbine schließt sich. Schnellschlußvorrichtungen mit Klinke
und Öldrucksteuerung sind zwar bekannt. Das Neue an der erfindungsgemäßen Einrichtung
ist aber, daß diese in Verbindung mit dem Drehzahlregler so gestaltet ist, daß für
beide Funktionen - Drehzahlregulierung und Schnellschluß - nur ein Regelorgan an
der Welle angebracht wird und dabei die gleiche Sicherheit erreicht wird, wie bei
anderen getrennten Drehzahlreglern und Schnellschluß reglern.
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Die Zeichnungen stellen nur Ausführungsbeispiele der beschriebenen
Erfindung dar, die entsprechende Abänderungen erfahren können. Die Vorrichtung ist
zur . Drehzahlregulierung bzw. -überwachung besonders bei Dampf- und Gasturbinen,.
aber auch bei allen anderen Kraftmaschinen, bei denen entsprechende Einrichtungen
gefordert werden, verwendbar. Sie kann aber auch mit entsprechenden Abwandlungen
bei Arbeitsmaschinen und anderen Anlagen verwendet werden, um drehzahlabhängige
Regulierungen und Schaltungen im beschriebenen Sinne vorzunehmen. Es ist auch möglich,
die Federungen,. Massen und zentrizitäten der Vorrichtung so zu bemessen, daß eine
labile Schnellschlußauslösung bei einer Drehzahl unterhalb des labilen Regulierbereiches
erfolgt. Es kann z. B. mit dieser Einrichtung eine Maschine auf konstante Drehzahl
geregelt und andererseits automatisch abgestellt werden, wenn infolge Überlastung
die Drehzahl bis auf einen bestimmten unterhalb des Regelbereiches liegenden Wert
absinkt.