Regeleinrichtung an einer Kaplanturbine Die Erfindung betrifft eine Regeleinrich tung an einer Kaplanturbine, bei welcher ein Regler die Verstellung sowohl des Leit- apparates als auch der Laufradschaufelung beherrscht.
Bei der unter dem Namen Kaplanturbinen bekannten Bauart von Wasserturbinen sind sowohl die Leitschaufeln als auch die Lauf radschaufeln im Betriebe verstellbar ange ordnet. Die Einstellung der Leit- und Lauf schaufelöffnung erfolgt in der Regel durch einen Drehzahlregler so, dass jeder Leitrad- öffnung diejenige Laufschaufelstellung zuge ordnet wird, welche für die betreffende Was sermenge den besten Wirkungsgrad ergibt. Wir bezeichnen im folgenden eine solche Zu ordnung der Stellung des Leitapparates und der Laufradschaufelung kurz als den nor malen Zusammenhang .
Bei einem gegebenen Gefälle entspricht jeder Öffnung des Leitapparates mit im normalen Zusammenhang zugeordneter Stel lung der Laufradschaufelung bei entlasteter Gruppe eine Durchbrenndrehzahl von be stimmter Höhe. Bei gestörtem Zusammen hang zwischen der Stellung des Leitappara- tes und der Laufradschaufelung können aber bedeutend höhere Durehbrenndrehzahlen auf treten als bei normalem Zusammenhang , i und zwar sind die Durchbrenndrehzahlen immer dann höher,
wenn die Laufradöffnung kleiner oder die Leitapparatöffnung grösser ist, als dem normalen Zusammenhang ent- spricht. Das absolute Maximum der Durch- brenndrehzahl tritt dann auf, wenn das Laufrad etwa 250/9 Öffnung aufweist und der Leitapparat nahezu oder ganz offen ist.
In Fig. 1 ist als Beispiel in einem Schau bild eine Kurve c für den normalen Zu sammenhang zwischen der Öffnung des Leit- apparates a. als Abszisse und der Öffnung der Laufradschaufelung 9p als Ordinate auf getragen. Bei einer Zuordnung gemäss der Kurve c ergibt sich also im Betriebe jeweils für die betreffende Durchflussmenge der beste Wirkungsgrad.
Für Punkte im schraf fierten, unterhalb der Kurve c liegenden Be reich des Schaubildes ist bei vorgegebener Öffnung a" des Leitapparates die Öffnung der Laufradschaufelung (p kleiner bzw. bei vor gegebener Öffnung der Laufradschaufelung die Öffnung des Leitapparates grösser als dem normalen Zusammenhang entspricht. Zu ordnungen, welche durch Punkte des schraf fierten Bereiches dargestellt sind, führen also bei einer Entlastung der Turbine zu höheren Durchbrenndrehzahlen als solche im norma len Zusammenhang gemäss der Kurve c.
Die Regelorgane werden bei den bisher bekannten Einrichtungen so eingestellt, dass jeweils im stationären Zustand auf den nor malen Zusammenhang ao/cp gemäss der Kurve c hingesteuert wird. Je nachdem, ob die Ver stellung des Leitapparates oder jene der Laufradschaufelung bei einer Belastungsän derung dem Impuls des Drehzahlreglers rascher folgt, kann aber vorübergehend eine Abweichung vom normalen Zusammenhang auftreten.
Wird beispielsweise, wie dies häufig geschieht, die Verstellung der Laufradschau- felung erst von der Verstellbewegung des Leitapparates aus gesteuert und nicht un mittelbar vom Drehzahlregler, so kann bei einer raschen Belastung der Turbine die Öffnung der Laufradschaufelung beträcht- lieh hinter jener des Leitapparates nacheilen, wobei sich die Zuordnung beider zueinander bei Ausgang von einem Punkte P beispiels weise gemäss der Kurve d der Fig.1 ändern kann.
Folgt darauf eine plötzliche Abschal tung der Last, so können sich die Stellungen des Leitapparates und der Laufradschaufe- lung in einer Zuordnung gemäss einem Punkte P1 im schraffierten Bereich des Schau bildes nach Fig.1 befinden.
Dieser Lage D entspricht eine gegenüber dem normalen Zu sammenhang erhöhte Durchbrenndrehzahl. Die Erfindung bezweckt nun, höhere Durchbrenndrehzahlen, als sie bei norma lem Zusammenhang zwischen den Stellun gen des Leitapparates und der Laufrad- schaufelung auftreten können, gänzlich zu vermeiden.
Bei einer Regeleinrichtung an einer Kaplanturbine, bei welcher ein Regler die Verstellung sowohl des Leitapparates als 3 auch der Laufradschaufelung beherrscht, wird dieses Ziel erfindungsgemäss dadurch er reicht, dass Sperrvorrichtungen vorgesehen werden,
von denen die eine bei vorgege bener Stellung des Leitapparates ein weiteres s Schliessen der Laufradschaufelung als bis zu der dem normalen Zusammenhang ent sprechenden Stellung Lind die andere bei vorgegebener Stellung der Laufradschaufe- hmg ein weiteres Öffnen des Leitapparates als bis zu der dem normalen Zusammen hang entsprechenden Stellung praktisch ver hindert,
welche sonst aber dem Regler un abhängige Einwirkung auf die Verstellung des Leitapparates und der Laufradschaufe- 5 lLing gestatten.
In Fig.2 der Zeichnung ist ein Ausfüh rungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt: Ein Servomotor 1 mit Kolben 2 dient. zur Verstellung der Laufradsehaufelung und ein Servomotor 3 mit Kolben 4 zur Ver stellung des Leitapparates einer Kaplantur- bine. Die Steuerung dieser Servomotoren wird von einem Drehzahlregler 5 beherrscht. Das Fliehkraftpendel dieses Reglers wirkt auf das eine Ende 6 eines um eine Achse 7 schwenkbaren Waagebalkens 8 ein. Zwei Mit nehmerzapfen 9 und 10 dieses Balkens grei fen in Schlaufen 11 bzw. 12 ein. Federn 13 drücken diese Schlaufen stets in Richtung gegen die Mitnehmerzapfen 9 und 10.
An einer Stelle 1-1 der nach unten ver längerten Schlaufe 11 ist ein Balken 15 angelenkt, welcher an einer Stelle 16 mit einem Steuerschieber 17 gelenkig verbunden ist. Dieser dient zur Steuerung des Druck mittelzuflusses zum Servomotor 1. Die Druck flüssigkeit fliesst durch eine Leitung 18 zum Steuerschieber, und Leitungen 19 bzw. 20 stellen die Verbindung mit den beidseitig des Kolbens 2 liegenden Zylinderräumen des Servomotors 1 her. Über eine mit. der Kolben stange des Servomotors 1 verbundene Kur venscheibe 21, eine Stange 22 mit.
Rolle 23, einen um eine Achse 24 schwenkbaren Bal ken 25 und eine weitere Stange 26 wird eine Rückführverbindung zwischen dem Servo motor 1 und einem Gelenkpunkt 27 des Bal kens 15 hergestellt. Eine Druckfeder 28 sorgt dafür, dass die Rolle 23 stets gegen die Kurvenscheibe 21 angedrückt wird.
Die nach unten verlängerte Schlaufe 12 steht ihrerseits an einer Stelle 29 mit einem Balken 30 in gelenkiger Verbindung. An einer Stelle 31 dieses Hebels ist ein Steuer- sehieber 32 angelenkt, welcher den Zufluss von durch eine Leitung 33 zuströmender Steuer flüssigkeit über Leitungen 34 hziv. 35 zu den beidseitig des Kolbens -1 des Servomotors 3 liegenden Zylinderräumen beherrseht.
Eine mit der Kolbenstange des Servo motors 3 verbundene Kurvenscheibe 36, eine Stange 3 7 mit Rolle 38, ein um eine Achse 39 schwenkbarer Balken 40 und eine wei tere Stange 41 stellen die Rückführverbin- dung zwischen dem Servomotor 3 und einem Gelenkpunkt 42 des Balkens 30 her. Eine Druckfeder 43 sorgt dafür, dass die Rolle 38 stets gegen die Kurvenscheibe 36 angedrückt wird.
Wird zunächst von weiter nach in Fig.2 gezeigten Vorrichtungen abgesehen, so arbei tet die Regeleinrichtung folgendermassen: Bei einem Drehzahlanstieg wird durch den Drehzahlregler 5 das Ende 6 des Z'4'aage- balkens 8 angehoben. Dabei senkt sich der Zapfen 9, während der Zapfen 1O .sieh hebt. Die Schlaufe 11 wird durch die zugehörige Feder 13 nach unten gedrückt, soweit es der Zapfen 9 gestattet. Bei der damit ver bundenen Abwärtsbewegung des Steuerschie bers 17 wird der Zufluss von Druckflüssig keit über die Leitung 19 auf die linke Seite des Kolbens 2 des Servomotors 1 freigegeben.
Dieser bewegt sich dabei so weit in Pfeil- riehtung, bis der Steuerschieber durch die Wirkung des Rückführgestänges 22, 25, 26 wieder in seine Mittellage zurückgeführt ist. Die Bewegung des Servomotorkolbens 2 in Pfeilrichtung soll dabei der Schliessbewegung der Laufradschaufelung entsprechen.
Gleichzeitig mit der Abwärtsbewegung der Sehlaufe 11 wird die Schlaufe 12. durch den Zapfen 10 entgegen der Wirkung der zugehörigen Feder 13 angehoben. Dadurch wird eine Aufwärtsbewegung des Steuer- sehiebers 32 veranlasst, welcher nun den Zu fluss von Steuerflüssigkeit über die Leitung 34 zur linken Seite des Kolbens 4 des Servo motors 3 frei gibt.
Dieser bewegt sich in Pfeilrichtung so weit, bis der Steuerschieber 32 infolge der Wirkung des Rüekführge- stä.nges 37, 40, 41 wieder in seine Mittel lage zurückgeführt ist. Die Bewegung des Serv omotorkolbens 4 in Pfeilrichtung soll dabei der Schliessbewegung des Leitapparates entsprechen.
Im stationären Zustand verharren die Steuersehieber 17 und 32 in ihrer Mittellage, und es ist. jeder Stellung des Servomotors des Leitapparates eine bestimmte Stellung des Servomotors der Laufradschaufelung zu geordnet. Die Kurvenscheiben 21 und 36 seien dabei so geformt, dass die zugeordneten Stellungen der beiden Servomotoren dem ein gangs definierten normalen Zusammenhang zwischen der Stellung des Leitapparates und der Stellung der Laufradschaufelung ent sprechen.
Es besteht dabei aber stets die Möglich keit, dass Abweichungen der beiden Servo- mötorstellungen von den dem normalen Zu sammenhang entsprechenden Stellungen auf treten, sei es, dass die beiden Servomotorkol- ben der Steuerung nicht gleich rasch nach folgen, oder dass auch einer der Servomotor kolben infolge einer Betriebsstörung nicht in der Lage ist, der Bewegung der Steuerung zu folgen.
Um in solchen Fällen zu ver meiden, dass die Servomotoren und damit der Leitapparat und die Laufradschaufe- Jung in eine gegenseitige Lage gesteuert werden, bei welcher eine erhöhte Durch-* Brenndrehzahl auftritt, sind nun zwei Sperr vorrichtungen vorgesehen. Die eine dieser Sperrvorrichtungen besteht. aus der Rüekführstange 37, der mit ihr ver bundenen Rolle 44 und den Teilen 36, 38; 45. Die Stange 37 ist gleichachsig mit der Schlaufe 11 angeordnet. Jeder Stellung des Leitapparatservomotors 3 entspricht eine be stimmte Stellung der Rolle 44. Das untere Ende der Schlaufe 11 ist mit einem Teller 45 versehen.
Eine Abwärtsbewegung der Schlaufe 11 wird durch Anschlag des Tellers 45 gegen die Rolle 44 begrenzt. Die Hebel verhältnisse an den Balken 30 und 40 sind so eingestellt, dass im stationären Zustand, also bei normalem Zusammenhang zwischen der Stellung des Leitapparates und der Stellung der Laufradschaufelung, die gegen den Mitnehmerzapfen 9 angedrückte Schlaiüe 11 mit dem Teller 45 gerade zum Aufliegen auf die Rolle 44 kommt oder höchstens ein ganz geringes Spiel zwischen beiden frei lässt.
Die beschriebene Sperrvorrichtung ver hindert damit ein weiteres Schliessen der durch den Servomotor 1 betätigten Laufrad- schaufelung als bis zu der dem normalen Zu sammenhang entsprechenden Stellung, oder sie begrenzt zumindest die weitere Schliess- bewegung auf einen geringen Betrag ent sprechend einem allfällig vorhandenen gerin gen Spiel.
)fiird nämlich beispielsweise von der ge zeichneten Stellung ausgehend durch den Drehzahlregler eine Abwärtsbewegung des Mitnehmerzapfens 9 bewirkt, so bewegt sich dieser frei in der Schlaufe 11. Diese selbst ist aber an einer Abwärtsbewegung infolge des Aufsitzens des Tellers 45 auf der Rolle 44 gehindert. Es kann daher kein weiteres Schliessen der Laufradschaufelung eingeleitet werden, solange der Servomotorkolben 4 des Leitapparates sich nicht nach rechts bewegt und so über die Kurvenscheibe 36 eine Sen kung der Rolle 44 veranlasst.
Auch dann aber kann durch das Nachfolgen der Schlaufe 7.1 keine weitere Schliessbewegung der Lauf radschaufelung veranlasst werden, als dem normalen Zusammenhang bei der jeweiligen Stellung des Leitapparates entspricht.
Bei einer durch den Drehzahlregler 5 be- wirkten Aufwärtsbewegung des 14litnehmer- zapfens 9 gestattet dagegen die beschriebene Sperrvorrichtung eine ungehinderte Verschie bung der Schlaufe 11 nach oben und damit die Einleitung einer Öffnungsbewegung der Laufradschaufelung.
Die zweite, aus den Teilen 21, 23, 22, 46, 47 bestehende Sperrvorrichtung begrenzt die Verschiebung der Schlaufe 12 nach un ten; Die gleichachsig zur Schlaufe 12 ange ordnete Rückführstange 22 trägt an ihrem obern Ende eine Rolle 46. Die Schlaufe 12 ist an ihrem nach unten verlängerten Ende mit einem Teller 47 versehen.
Die Hebel verhältnisse an den Balken 15 und 25 sind so eingestellt, dass im stationären Zustand, wenn der normale Zusammenhang zwi schen der Stellung des Leitapparates und der Stellung der Laufradschaufelung besteht und die 'Schlaufen 11 und 12 an den Mit .nehmerzapfen_ 9 bzw. 10 anliegen, der Teller 47 gerade mit der Rolle 4'6 in Berührung kommt oder höchstens ein ganz geringes Spiel zwischen beiden freilässt.
Diese zweite Sperr vorrichtung verhindert bei vorgegebener Stel lung der Laufradsehaufelung bzw. des Servo- motorkolbens 2 ein weiteres Öffnen des Leit- apparates als bis zu der dem normalen Zu-, sammenhang entsprechenden Stellung, oder begrenzt zumindest die weitere Öffnung auf einen geringen Betrag entsprechend einem allfällig vorhandenen geringen Spiel.
Wird nämlich beispielsweise durch den, Drehzahlregler eine Abwärtsbewegung des Mitnehmerzapfens 14 bewirkt, so verhindert die Rolle 46 die Schlaufe 1'2, dieser Abwärts bewegung zu folgen. Der Zapfen 10 bewegt sich lose innerhalb der Sehlaufe 12. Eine Öffnungsbewegung des Leitapparates, das heisst, eine Bewegung des Kolbens 4 des Servomotors 3 entgegen der Pfeilriehtung, welche eine Senkung des Steuersehiebers 32 erfordern würde, kann nicht eingeleitet wer den, bevor sich die Laufradschaufelung wei ter öffnet, das heisst, bevor der Servomotor kolben 2 sich nach links bewegt und über die Kurvenscheibe 21 eine Senkung der Rolle 46 bewirkt.
Aber auch dann gestattet die Rolle 46 keine weitere Abwärtsbewegung der Schlaufe 12, als zur Herstellung des nor malen Zusammenhangs zwischen Leitappa- rat und Laufradschaufelung bei der jewei ligen Stellung der Laufradschaufelung er forderlich ist. Eine Aufwärtsbewegung der Schlaufe 12 wird dagegen durch die beschriebene zweite Sperrvorrichtung nicht behindert.
Wird bei spielsweise durch den Drehzahlregler eine Schwenkung des MTaagebalkens 8 gegen den Uhrzeigerdrehsinn veranlasst, so wird die Schlaufe 12 entgegen der Wirkung der zuge- liörigen Feder 13 angehoben. Es kann somit unabhängig von der Verstellung des Lauf radservomotors 1 eine Verstellung des Leit- apparates in Sehliessrichtung veranlasst wer den.
Die beschriebene Einrichtung gestattet von einer Stellung mit normalem Zusam menhang zwischen Leitapparat und Lauf radschäufelung ausgehend nur einen Ver- stellvorgang unter Beibehaltung dieses nor malen Zusammenhanges oder dann gegen über diesem eine stärkere Öffnungsbewegung der Laufradsehaufelung oder eine stärkere Sehliessbewegung des Leitapparates, das heisst,
es sind ausser Verstellvorgängen längs der Kurve c der Fig. 1 nur solche im nicht schraf fierten Bereich des Schaubildes zugelassen. Von den beispielsweise eingetragenen Kur ven c und f bezieht sich die erste auf einen Schliessvorgang mit vorauseilender Leitappa- rate erstellung und die zweite auf einen Öff nungsvorgang mit vorauseilender Laufrad- sehaufelverstellung. Auf diese Weise werden Zuordnungen zwischen Leitapparat und Lauf radschaufelung,
welche höhere Durchbrenn- (ii,elizalil ergeben als dem normalen Zusam- menhang entsprechende Zuordnungen, zu verlässig vermieden.
Die beschriebene Regeleinrichtung bringt clen Vorteil, dass die Läufer von Turbine und Stromerzeuger hinsichtlich Festigkeit nicht für die absolut höchstmögliche Durch- brenndrehzahl zu bemessen sind, sondern nur Durchbrenndrehzahlen zu berücksichtigen sind, welche bei normalem Zusammenhang zwischen der Stellung des Leitapparates und jener der Laufradschaufehzng auftreten kön nen. Da die Fliehkräfte mit dem Quadrat der Drehzahl zunehmen, ist die so erreichbare Verbilligung der Maschinen beträchtlich.
Bei der dargestellten Regeleinrichtung begrenzt das Gestänge 37 die Steuerung 11, <B>15,</B> 17 des Laufradservomotors 1 in Funktion der Stellung des Leitapparatservomotors 3 und das Gestänge 22 die Steuerung 12, 30, 32 des Leitapparatservomotors 3 in Funktion der Stellung des Laufradservomotors 1. Dies hat. den Vorteil, da.ss durch die Sperrvor richtung nur verhältnismässig geringe Kräfte zit übertragen sind.
Unter \Nahrung des Er findungsgedankens können aber beispielsweise auch die Sperrvorrichtungen auf das Kraft gestänge einwirken, wobei der eine Servo motor unmittelbar die Bewegung des andern nach einer Richtung begrenzen könnte.
Die erfindungsgemässe Einrichtung lässt sich in gleicher Weise auch anwenden, wenn die Verstellung des Leitapparates und der Laufradschaufelung unter der Wirkung eines andern Reglers als eines Drehzahlreglers, beispielsweise eines Frequenzreglers oder eines Leistungsreglers, erfolgt.
Zur Verstärkung der Stellkräfte des Flieh kraftreglers, des Frequenz- oder Leistungs reglers können zwischen diesem und dem Punkt 6 des Waagebalkens 8 in bekannter Weise Vorsteuerungen angeordnet werden.