Regeleinrichtung für Kraftmaschinen mit einem Drebzahlregler. Die Erfindung betrifft eine Regeleinrich tung für Kraftmaschinen mit einem Drehzahl regler, einen Katarakt zur Herstellung einer temporären Statik und mindestens einem Steuerventil zur Betätigung mindestens eines Servomotors.
17s ist bekannt, insbesondere bei Wasser turbinen, einen Katarakt zu verwenden, um durch Herstellung einer hohen temporären Statik die Stabilität. zu verbessern. Bei sehr grossen Wassermassen und kleinen Schwung- massen kann es zweckmässig sein, auf sehr hohe temporäre Statiken von 100 bis 200% überzugehen.
Der Drehzahlregler löst dann im ersten. Auäenblick, solange der Katarakt voll wirksam ist., nur ganz geringe Verstellbewe- gungen des Steuergestänges aus, indem erst einer Drehzahländerung von 100 bis 200% der Vollasthub des Servomotors entsprechen würde.
Um trotz dieser kleinen Bewegungen des Steuergestänges schon bei geringen Drehzahl änderungen die maximale Verstellgeschwin- digkeit des Servomotors, die mit Rücksicht auf den Druckstoss jeweils zulässig ist, zu erreichen, hat man bisher sehr grosse Steuer ventile verwendet und oft mehrere Steuerkan ten übereinander vorgesehen. Ist hierbei der gesamte Dureliflussquersclinitt des Steuerven tils z.
B. 50mal grösser als der der Blende, mit, der die maximale Verstellgeschwindigkeit des Servomotors begrenzt wird, so genügen theoretisch schon 50mal kleinere Steuerhübe, um die maliniale Verstellgeschwindigkeit aus- zulösen. Bei einer temporären Statik von 150% entspricht 1 :
50 aber immer noch 311/o Drehzahländerung, die es zur Herstellung der vollen Verstellgeschwindigkeit erfordert. Das Bestreben geht jedoch dahin, die Drehzahl bis auf kleine Bruchteile von 1% regeln zu, können.
Praktisch ist aber mit, noch grösseren Drehzahländerungen zur Herstellung der vol len Verstellgeschwindigkeit zu rechnen, weil bei plötzlichem Öffnen so grosser Steuerquer- , sehnitte ein hartes Regulieren und durch häufiges Hin- und Heuegeln ein zu grosser Ölverbrauch entstehen würde. Es ist deshalb üblich, z. B. durch Überdeckungen, dafür zu sorgen, dass man bei kleinen Steuerhüben von z. B. 0,2 mm nur einen kleinen Teil der Steuer kanten freigibt. Wenn aber bei einem Steuer ventil von z.
B. 80 mm Ventilkolbendurchmes- ser der volle Durehflussquerschnitt bei 20 mm Hub und bei vier Steuerkanten schon bei 5 mm Hub erreicht ist, so ist der Querschnitt einer 50mal kleineren Blende schon bei einem Öffnungshub von nur 0,1 min erreicht. Es sind praktisch also noch grössere Drehzahl änderungen notwendig, um die volle Verstell- O#lesehwindigkeit des Servomotors zu erreichen, weil ausser den 0,1 mm bei abgedeckten Steuerkanten noch der Ü berdeckungsweg von 0,2 mm zurückzulegen ist.
Der Zwang, bei den immer grösseren tem porären Statiken immer grössere Steuerventile mit. mehreren Steuerkanten verwenden zu müssen, bedeutet einen technischen Wider- Spruch, indem hinter den grossen Steuerven- til-Durchflussquerschnitten z: B. 50- bis 100mal kleinere Blendenquerschnitte einzubauen sind, iun die maximale Verstellgeschwindigkeit des Servomotors mit Rücksicht auf den Druckstoss zu begrenzen.
Wäre auf die zur Erreichung der maxi malen Verstellgeschwindigkeit notwendigen Drehzahländerungen nicht Rücksicht zu neh men, so könnten grundsätzlich die Steuerven tile gleiche Grössenordnung haben wie die zur Begrenzung der Verst,ellgeschwindigkeit die nenden Blenden. Ohne also die Drehzahlände rungen auf das gewünschte Mass herabsetzen zu können, muss man bei den bisher bekannten Bauarten Steuerquerschnitte in Kauf nehmen, die z. B. 50- bis 100mal zu gross sind. Grosse Steuerventile mit mehreren Steuerkanten sind aber teuer und bei der grossen Genauigkeit, die mit Rücksicht auf die kleinen Steuerhübe und -die übereinstimmitng mehrerer Steuer kanten notwendig ist, schwer herzustellen.
Es sind auch grössere und damit teurere Regler notwendig, um sie zu betätigen und die bei langen Steuerkanten auftretenden, hohen und durch Kavitationserscheinungen stark wech selnden Gegenkräfte sicher zu beherrschen.
Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass ohne Störung der Stabilität das dem Servomotor zugeordnete Steuerventil den vom Drehzahlregler eingeleiteten Ver- stellbewegungen unendlich schnell, also auch sprungweise folgen darf, wenn der Drehzahl regler mit einem Katarakt zusammenarbeitet, der durch seine temporäre Statik die zur Sta bilität notwendige Verlangsamung des Regel vorganges sicherstellt.
Wenn ferner eine Blende dafür sorgt, dass die Maximalgeschwin digkeit des Servomotors mit Rücksicht auf den Druckstoss begrenzt ist, so darf dann der Servomotor unendlich schnell aus dem Still stand auf diese Maximalgeschwindigkeit über gehen, ohne dass die Stabilität beeinträchtigt wird oder ein zu grosser Druckstoss entsteht.
Deshalb lassen sich alle dargestellten Mängel beseitigen, und ferner lässt sich mit kleinen Steuerventilen bei praktisch beliebig kleinen Drehzahländerungen volle Verstell- geschwindigkeit erreichen, wenn gemäss der Erfindung ein Schaltorgan vorgesehen ist, welches bewirkt, dass das Steuerventil einen Teil seines Öffnungsweges wenigstens an nähernd sprungweise durchläuft.
Auf der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstan des in vereinfachter Darstellungsweise ver anschaulicht.
In der Figur bezeichnet 1 eine Kraft maschine, deren Zuflussorgan 2 von einem Servomotor 3 mit Hilfe eines Steuerventils 4 gesteuert wird. Die maximale Verstellge- schwindigkeit des Servomotors 3 wird durch eine Blende 4a begrenzt. 5 bezeichnet eine Vorsteuerung, die einen Stufenkolben 6 auf weist, welcher dadurch im Gleichgewicht. ge halten wird, dass auf der kleineren, untern Kolbenfläche der volle Förderdruck einer Ölpumpe 7 lastet, auf der grösseren, obern Kolbenfläche dagegen ein geringerer, durch eine Blende 8 herabgesetzter und durch ein Vorsteuerventil 9 geregelter Öldruck.
Das Vorsteuerventil 9 steht- unter dem Einfluss eines Drehzahlreglers 10 und eines Katarak tes 11. Der Zylinder 12 dieses Kataraktes 11 wird über ein Gestänge 13 vom Stufenkolben 6 betätigt. Der Katarakt,<B>11</B> weist ferner einen Kolben 14 und eine Blende 15 auf, die zum Einstellen der Isodromzeit des Kataraktes 11 dient. Im weiteren bezeichnet 16 eine Zug druckfeder, von deren Stärke die temporäre Statik abhängig ist, die der Katarakt 11 her stellt. 17 und 18 sind Teile eines Gestänges, durch das der Drehzahlregler 10 und der Katarakt 11 auf das Vorsteuerventil 9 ge meinsam einwirken.
20 ist ein Steuerorgan, das durch ein Ge stänge 19, 191, 192, 193 vom Stufenkolben 6 der Vorsteuerung 5 und durch eine Rückfüh rung 211 über das Gestänge 191, 192, 193 vom Servomotor 3 beeinflusst wird.
21 ist ein Schaltorgan mit Stufenkolben 22, der mit Überdeckungen in zwei Zylindern 23 und 24 eingepasst ist und von Federn 25 und 26 in einer Mittellage gehalten wird. Durch zwei Blenden 27 und 28, die gleich gross sind, fliessen aus der Pumpe 7 gleich grosse Öl- mengen, wenn das Steuerorgan 20 die Mittel lage zwischen zwei Ausflussöffnungen 29 und 30 einnimmt. Es sind dann auch die Drücke in den Kammern 31 und 32 des Schaltorganes 21 gleich, und der Stufenkolben 22 nimmt. gleichfalls die dargestellte Mittellage ein. Der Stufenkolben 22 steht über ein Gestänge 33 mit dem Steuerventil 4 in Wirkungsverbin dung.
Ein Handrad 34 gestattet, über eine Spindel 35 den Drehpunkt 36 des Gestänge teils 19' zu verschieben und damit das Über setzungsverhältnis der Hübe des Stufenkol bens 6, der Vorsteuerung 5 und des Steuer- organes 20 zu verändern. 37 ist ein fester Drehpunkt.
Der beschriebene Drehzahlregler wirkt fol gendermassen: Bei sinkender Drehzahl bewegt der Regler 10 das Gestänge 17, 18 und damit auch das Vorsteuerventil 9 nach unten. Da dabei der Auslassquerschnitt des Vorsteuer ventils 9 vergrössert wird, so sinkt der Druck über dem Stufenkolben 6, so dass sich dieser nach oben bewegt, bis das Vorsteuerventil 9 unter der Einwirkung des Kataraktes 12 und des Gestängeteils 17 wieder in die ursprüng liche Lage zurückkehrt. Der Stufenkolben 6 kommt dann wieder zur Ruhe.
Bei der er wähnten Aufwärtsbewegung des Stufenkol bens 6 wird das Steuerorgan 20 durch das Gestänge 19, 191, 192, 193 gegen die obere Aus flussöffnung 29 bewegt, was zur Folge hat, dass der Öldruck in der Kammer 31 steigt und der Stufenkolben 22 sich zu senken beginnt. Solange noch eine Überdeckung des Stufen 5 kolbens 22 im Zylinder 23 wirksam ist, bleibt durch die Wirkung der Federn 25 und 26 der Hub des Stufenkolbens 22 und des Steuerven tils 4 zur öldruckänderung proportional. So bald aber die Oberkante des Stufenkolbens 22 p die Unterkante des Zylinders 23 erreicht. hat, steigt der Öldruck im Zylinder 23 auf den der Kammer 31.
Da nun plötzlich die ganze Ober seite des Stufenkolbens 22 unter dem gleichen hohen Öldruck steht, senkt sich der Stufen 5 kolben 22 sprungweise und öffnet ebenso sprungweise das Steuerventil 4 vollständig. Sofort stellt sich dadurch die durch Blende 4a begrenzte, volle Verstellgeschwindigkeit des Kolbens des Servomotors 3 ein, bis die Rück führung 211 das Steuerorgan 20 wieder in die Mittellage bringt, wodurch auch der Stufen kolben 22 und das Steuerventil 4 in die Mit tellage zurückkehren und der Kolben des Servomotors 3 stehenbleibt. Bei steigender Drehzahl vollziehen sich die beschriebenen Vorgänge in umgekehrter Richtung.
Auch wenn der Durehflussquerschnitt des Steuerventils 4 von gleicher Grössenordnung ist wie der der Blende 4a, wird sprungweise die volle Verstellgeschwindigkeit des Kolbens des Servomotors 3 hergestellt, weil durch das Schaltorgan 21 der verfügbare Querschnitt plötzlich voll geöffnet, wird.
Statt dessen musste bei den bisher bekannten Bauarten der Durchflussquerschnitt des Steuerventils 4- bis 100mal grösser sein als der Durchflussquer- schnitt der Blende 4a, ohne dass es dadurch gelungen wäre, schon bei geringen Drehzahl änderungen die volle Verstellgeschwindigkeit des das Zuflussorgan 2 betätigenden Servo motors 3 zu erreichen.
Die Überdeckungen 221, 222 des Stufen kolbens 22 in den Zylindern 23 und 24 kön nen dazu dienen, eine beliebig kleine Dreh zahlzone herzustellen, innerhalb deren sich nur mit geringeren Verstellgesehwindigkeiten arbeiten lässt, damit die Regulierung, solange nur geringe Lastwechsel auftreten, weich und mit. geringem Ölverbrauch arbeitet. Während der gezeichneten Mittellage des Stufenkolbens 22 die Schliesslage des Steuerventils 4 ent spricht, ist den beiden Überdeckungen des Stufenkolbens 22 in den Zylindern 23 und 24 je ein Hub des Steuerventils 4 zugeordnet, bei dem das Steuerventil 4 den Kolben des Servo motors 3 in der einen oder in der andern Richtung bewegt.
Der Zone der überdeckun- gen 221, 222 entspricht also eine Zone kleiner Hübe des Steuerventils 4, und zwar in der einen oder andern Verstellrichtung. Zur be liebigen Herabsetzung dieser Zone sind die Übersetzungsverhältnisse der Gestänge 191,193 so vorgesehen, dass dem überdeckungsweg des Stufenkolbens 22 viel kleinere Wege der Vor steuerung 6 und der Rückführung 211 ent sprechen. Bei einer temporären Statik von z. B.
1501/o entspricht dem Vollasthub des Servo- mot.orkolbens und damit der Rückführung 211, bevor der Durchfluss von Öl durch die Blende 15 des Kataraktes 11 zustandekommt,
eine Drehzahländerung von 150%. Will man die Zone kleiner Verstellgeschwindigkeiten des Servomotors 3 auf z. B. 0,3% Drehzahlände- rung begrenzen, so sind die Überdeckungen des Stufenkolbens 22, die Kräfte der Federn 25 und 26, die Blenden 27 und 28, die Aus flussöffnungen 29 und 30 und das Überset zungsverhältnis der Gestänge 191,
193 so zu wählen, dass ein Hub des Gestänges 19, wel- cher 500mal (150 0/0 : 500 = 0,3 %) kleiner ist . als der Hub, den das Gestänge 19 zu durch laufen hat, um den Servomotor 3 von Vollast auf Leerlauf zu steuern, genügt, um den Stufenkolben 22 den Überdeckungsweg durch laufen zu lassen.
Da nach Überwindung des Überdeckungsweges des Stufenkolbens 22 das Steuerventil 4 schlagartig ganz geöffnet wird, kann man die Drehzahländerung, die zur Her stellung der vollen Verstüllgeschwindigkeit des Kolbens des Servomotors 3 schon im ersten Augenblick notwendig ist, genau auf 0,3 % begrenzen.
Das Handrad 34 dient dazu, durch Verschieben des Drehpunktes 36 mit: Hilfe der Spindel 35 das Übersetzungsverhältnis zwi- sehen Stufenkolben 6 und Steuerorgan 20 zu verändern und damit die Zone der Drehzahl änderung, die zur Herstellung der maximalen Verst:ellgeschwindigkeit notwendig ist, ein stellbar zu machen.
Indem man den festen Drehpunkt 37 für das Gestänge 33 geeignet wählt, kann man das Schaltorgan 21 mit vielfach grösseren Hüben arbeiten lassen als das Steuerventil 4. Selbst wenn man mit grossen Überdeckungen von p z. B. 0,5 mm arbeitet, ergibt dies bei einem Hubverhältnis von<B>5:</B> 1 nur 0,1, mm Hub für das Steuerventil 4. Da man statt mit dem vor stehend angenommenen 80-mm-Durchmesser für das Steuerventil 4 mit z. B. 10 mm Durch s messer auskommt, arbeitet man mit einem Hub bis zu 1/,1 dieses Durchmessers, also 2,5 mm.
Von diesem Hub macht der der Über deckungszone des Stufenkolbens 22 entspre- chende Teilhub nur l/" aus (2,5:0,1). Der überdeckungsbereich lässt sich also, im Gegen satz zu den bisher bekannten Ausführungen, auf beliebig kleine Bruchteile des nutzbaren Steuerhubes des Steuerventils 4 herunter setzen.
An Stelle von hydraulischen Steuerorga nen lassen sich auch elektrische oder elektro magnetische Steuer- oder Schaltorgane ver wenden. Statt mit Hilfe des dargestellten Stu fenkolbens 22 eine völlig sprungweise Verstel lung zu bewirken, kann man auch eine an nähernd sprungweise Verstellung bewirken, indem z. B. bei einer bestimmten Stellung ein um ein Vielfaches grösseres Übersetzungsver hältnis der Übertragungsgestänge in Kraft. tritt. An Stelle nur eines Servomotors können deren mehrere vorhanden sein. Statt durch die Vorsteuerung 6 kann der Katarakt 11 auch direkt durch den Servomotor 3 betätigt werden.