Einrichtung zur Regelung einer Wasserturbine Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Regelung einer Wasserturbine durch Re gelorgane, die mindestens einen Drehzahl regler aufweisen und auf mindestens ein Organ einwirken, welches den Zufluss des Betriebswassers zur Turbine beherrscht. Nach dein Patentanspruch des Hauptpatentes ist bei einer solchen Einrichtung in die Rück führverbindung der Steuerung ein Wirkungs- verzögerer eingebaut.
In weiterer Ausbildung einer solchen Re- geleinrzehtung ist. nun gemäss der Erfindung ein erster Gasraum, welcher zwangläufig mit der Verschiebung des sieh bewegenden Teils eines den Zufluss des Betriebswassers zur Turbine beeinflussenden Organs sein Volu men ändert, über eine Leitung mit einem unter Druckänderung sein Volumen ändern den und dabei die Rückführung der Steue- i-ung bewirkenden zweiten Gasraum verbun den, und es ist ferner in diese Leitung als irkungsverzögerer ein Drosselorgan einge baut.
Das als Wirkungsv erzögerer dienende Drosselorgan ist also hierbei stets von einem Gas durchflossen. Da sich die Zähigkeit der. Gase mit der Temperatur nur ganz unwesent lich ändert, bleibt die Drosselwirkung auch bei sich ändernder Betriebstemperatur stets praktisch auf dem ein für allemal eingestell ten Bestwert.
Dies steht im Gegensatz zu einem beispielsweise von Öl durchflossenen Drosselorgan, bei welchem infolge der stark temperaturabhängigen Zähigkeit des Öls die Drosselwirkung bei Veränderung der Be triebstemperatur so stark vom Bestwert ab weichen könnte, dass sogar eine Instabilität der Regelung erzeugt würde. Eine infolge hoher Zähigkeit.
der Flüssigkeit sich erge bende allzustarke Drosselwirkung des als Wirkungsv erzögerer dienenden Drosselorgans würde nämlich die Rückführwirktuzg prak tisch ganz unterdrücken, so dass die Regel einrichtung unstabil würde.
Ausser dem Vorteil wenig veränderlicher Zähigkeit bringt aber die Verwendung eines Gases auch eine Vereinfachung in der Ein richtung, da die Kompressibilität des Gases eine Federwirkung ergibt, die bei Betrieb mit Öl durch besondere Federn, also zusätzliche Organe, herbeigeführt werden müsste.
In der Zeichnung sind verschiedene Aus führungsbeispiele des Erfindungsgegenstan des vereinfacht dargestellt. Es zeigen: Fig. 1. eine Regeleinrichtung mit Kraft verbindung zwischen Drehzahlregler und Rückführung, Fig. 2 eine Regeleinrichtung mit Hub verbindung zwischen Drehzahlregler und Rückführung, Fig. 3 als Bestandteil der Regeleinrich tung gemäss Fig. 1 die Drosseleinrichtung reit zylindrischem Drosselorgan, Fig. 4 als Variante eine Drosseleinrich tung mit längs einer Schraubenlinie verlau fenden Drosselstrecken,
Fig. 5 eine Regeleinrichtung mit Drehzahl regler und Beschleunigungsregler und Fig. 6 eine Regeleinrichtung mit Dreh zahlregler und Integrator.
Bei der Einrichtung gemäss Fig. 1 wird die zufliessende Wassermenge einer Wasser turbine 1 durch einen schematisch dargestell ten Leitapparat 2 geregelt, welcher von einem Servomotor 3 mit Kolben 4 betätigt wird. Der Servomotor 3 ist. somit ein Organ, wel ches den Zufluss des Betriebswassers zur Turbine beherrscht. Über ein Steuerschieber 5 wird dem Servomotor 3 von einer Pumpe 6 geliefertes Drucköl zugeführt. Ein Drehzahl regler 7 mit Druckfeder 8 wirkt.
auf ein Steuergelenk 9 eines um einen festen Dreh punkt 11 schwenkbaren Balkens, an dessen freiem Ende 10 der Steuerschieber 5 ange- lenkt ist.
Das verschiebbare Ende eines Membran balges 12 ist mit dem Steuergelenk 9 verbun den. Das freie Ende eines weiteren Membran balges 13 ist ferner mit der Kolbenstange des Servomotors 3 verbunden. Der Membranbalg 13 umschliesst einen ersten Gasraum, welcher zwangläufig mit, der Verschiebung des sich bewegenden Teils des den Zufluss des Betriebs wassers zur Turbine beherrschenden Organs, das heisst mit der Verschiebung des Servo- motorkolbens 4, sein Volumen ändert. Der Membranbalg 12 umschliesst einen zweiten Gasraum.
Da sich bei Druckänderung des Gasinhaltes der Membranbald elastisch defor miert, ändert dieser zweite Gasraum sein Volumen unter der Wirkung einer solchen Druckänderung. Die beiden Gasräume sind durch eine Leitung miteinander verbunden, in welche ein Drosselorgan 14 eingebaut ist. Der Gasraum des Membranbalges 13 ist. ausser dem über ein Drosselorgan 15 mit der Atmo sphäre verbunden.
Die Einrichtung wirkt folgendermassen: Bei einem Sinken der Drehzahl bewegt sich der Drehzahlregler 7 nach innen. Unter dem Einfluss der Druckfeder 8 bewegen sich die Gelenke 9 und 10 und damit auch der Steuerschieber 5 nach unten. Es wird der #Unterseite des Servomotorkolbens 4 Drucköl zugeleitet, so dass dieser unter Vergrösserung der "asserdurehflussmenge sieh nach oben bewegt. Dadurch wird der llenibranbal- 13 zusammengedrückt.
Der Luftdruck steigt in i Membranbalg 13, und es strömt Luft durch die mit dem Drosselorgan 14 versehene Ver bindungsleitung in den Menibranbalg 12, in welchem der Druck nun aiieh steigt.. Der Men;- branbalg 1? dehnt sich entgegen der Wirkung der Feder 8 aus und bewirkt somit eine Rück führung der Steuerung.
Die Rüekführverbin- dung der Steuerung geht über den Gasraum iin Membranbalg 13, die Verbindungsleitung mit dem eingebauten Ventil 14 und den Gas raum im Membranbalg 12.
Das Drosselorgan 14 bewirkt nun, class sieh bei einer Deformation des Meinbranbalges 13 nicht sofort ein Druekausgleieli in den beider. Membranbalgen 12 und 13 herstellt. Die Druckänderung im Meinbranbalg 12 folgt vielmehr jener im Membranbalg 13 verspätet nach. Es wird daher die Rückführung der Steuerung verzögert.
Das in die Rüekführ- verbindung eingebaute Drosselorgan 1.1 dient also als Wirkungsverzögerer. Infolge der Kompressibilität der Bestandteil der Rück führverbindung bildenden Luft kann das Drosselorgan 14 diese Aufgabe ohne das Vor sehen zusätzlicher Organe, wie Federn oder besondere Behälter, mit Gaspolster erfüllen.
Das Drosselorgan 15 hat überdies die Wir kung, dass sieh nach einem Regelvorgang, un abhängig von der Stelhing des Servomotorkol- bens 4, mit der Zeit ein Druckausgleich zwi schen den Gasräumen in den Membranbalgen 12 und 13 und der Atmosphäre herstellt. Die Rückführwirkung ist dann wieder versch uin- den. Es lässt sieh also mit einfachen Mitteln eine Isodromregelimg erhalten.
Bei der beschriebenen Einrichtung nimmt das Steuergelenk 9 bei der neutralen Stellung des Steuerschiebers 5 stets die gleiche Lage ein. Die Rüekfülirung der Steuerung erfolgt dadurch, dass die Druckänderung im Meni- branbalg 12 der Verstellkraft des Drehzahl reglers 7 das Gleichgewicht hält. Es besteht also eine Kraftverbindung zwischen Drehzahl regler und Rückführung. Bei der Einrichtung nach Fig. 2 stimmen die mit 1. bis 10 bezeichneten Teile mit jenen der Fig. 1 überein.
Die Rückführung greift aber hier nicht am Steuergelenk 9, sondern am rechten Ende 16 des Steuergestänges an. Um bei einer Drehzahlabweichung den Steuer- seliieber 7 wieder in seine Mittellage zurück zubringen, ist eine Lagenänderung des Endes 16 des Steuergestänges erforderlich.
Es be steht hier eine Hubverbindung zwischen Dreh zahlregler und Rückführung. Ähnlich wie bei der Einrichtung nach Fig. 1, geht hier die Rückführverbindung über einen mit dem Ende <B>1,6</B> des Steuergestänges verbundenen Membranbalg 17, einen mit dem Kolben 4 des Servomotors verbundenen Membranbalg 18 und eine die Gasräume in den beiden Mem- branbalgen verbindende Leitung mit einge bautem Drosselorgan 21. Ein Drosselorgan 22 verbindet ferner den Gasraum im Membran balg<B>1.7</B> mit der Atmosphäre.
Der Endpunkt 16 des Steuergestänges ist ferner mit einer Zugdruckfeder 23 verbunden.
Die Wirkungsweise der Einrichtung unter scheidet sieh nun von jener nach Fig. 1 da durch, dass die vom Membranbalg 17 ausge übte Druekkraft nicht direkt- mit der Verstell kraft des Drehzahlreglers 7, sondern mit der Feder 23 ausgewogen wird. Jeder Druck änderung im Membranbalg 17 entspricht also eine bestimmte Verschiebung des Endes 16 des Steuergestänges.
Das Drosselorgan 21 dient wieder als Wirkungsverzögerer, indem es bei einer Verstellung des Servomotorkol- bens 4 die übertragung der Druckändertmg im Gasraum des Membranbalges 18 auf den (;asraum des Membranbalges 17 verzögert. Das Drosselorgan 22 bewirkt wieder, dass sich bei einem Regelvorgang im Verlaufe der Zeit iin Membranbalg 17 wieder ein Druckaus gleich mit der Atmosphäre herstellt., und der Endpunkt 16 des Steuergestänges in seine Ausgangslage zurückgeführt wird.
Bei der Einriehtung nach Fig. 2 sind fer ner in den klembranbalgen 17 und 18 Füll körper 17-t, 181 und teilweise Ölfüllungen 19, <B><U>'</U></B>0 vorgesehen. Diese dienen dazu, bei gleichem Hub des Servomotorkolbens 4 die regelnden Druckwirkungen in den Membranbalgen 17 und 18 zu verstärken, weil die in dem durch die Füllkörper und die Ölfüllung verkleiner ten Volumen übrigbleibende Luft auf einen höheren Druck komprimiert wird.
Uin die Drosselorgane 14, 15, 21, 22 mit Luft betreiben zu können, ist eine sehr starke Drosselwirkung erforderlich, da die Zähigkeit der Luft mehrere tausendmal kleiner ist als jene von Öl. Schon bei Öl ist es schwer, durch starke Drosselung die sehr langen Zeitkon stanten herzustellen, die zur Wahrung der Stabilität bei Wasserturbinen notwendig sind. Es sind deshalb bei Luft. besondere Mittel vor zusehen, um eine vollkommen laminare Dros selstrecke herzustellen, die nicht nur starke Drosselwirkung ausübt, sondern auch leicht einstellbar und mit geringen Kosten herzu stellen ist.
Um hohe Drosselwirkung zu errei chen, wurde, in bekannter Weise Kapillaren als Drosselorgan verwendet, deren Drosselwir kung sich aber nicht verändern lässt, so dass verstellbare Luftvolumen angeschlossen wer den mussten, um hierdurch statt durch ver stellbare Drosselwirkung die Zeitkonstanten der Regelung einzustellen. Die Drosselorgane müssen ferner so hergestellt sein, dass trotz der Verstellbarkeit kleinste Undichtheiten auftreten.
Fig. 3 und 4 zeigen an Stelle der Organe 15, 22 einsetzbare Drosselorgane, bei denen Mittel vorgesehen sind, welche alle an die Drosselorgane gestellten Forderungen in ein facher Weise erfüllen.
In Fig. 3 bezeichnet 24 ein Gehäuse mit Gewinden 25, 26 in denen Spindeln 27, 28 mit Hilfe von Einstellknöpfen 29, 30 nach oben und unten verstellbar sind. Mit den Spindeln 27, 28 sind Drosselorgane 31, 32 verbunden. Bei diesen dienen im Gehäuse 24 eingeschliffene zylindrische Kolben 33, 34, 35, 36 zur Abdichtung nach aussen. Ein Anschluss 37 stellt. die Verbindung zum Membranbalg 13 bzw. 19 der Fig. 1 und 2 her, ein An schluss 38 die Verbindung zum ylembranbalg 12 bzw. 18. Eine Öffnung 39 verbindet die beiden Drosselorgane.
Die Öffnung 40 stellt die Verbindung zur Aussenluft her. 41 und 42 sind zylindrische Kolben der Drosselorgane 31, 32, deren Zylinderdurchmesser etwas ge ringer ist. als die Bohrungen des Gehäuses 24, und die an ihrem Umfang zusammen mit dem Gehäuse 24 die Drosselstrecken begren zen.
Die Drosselorgane wirken folgendermassen: Die bei 37 eintretende Luft durchströmt den Zwischenraum zwischen dem zylindri schen Kolben 41 und der Bohrung des Ge häuses 24. Da sich durch Schleifen des Kol bens 41 der Zwischenraum leicht auf z. B. 1/10o nim herabsetzen lässt, entsteht bis zur Öffnung 40 eine wirksame Drosselstrecke, da die Drosselwirkung zur dritten Potenz des Zwischenraumes zwischen Kolben 41 und Boh rung umgekehrt proportional ist. Durch die Öffnung 40 strömt die Luft ins Freie.
Durch die Öffnung 39 strömt die Luft über den Zwi schenraum zwischen dem Kolben 42 und der Bohrung des Gehäuses 24 zum Anschluss 38, wobei wiederum beim Durchströmen des Zwi schenraumes die notwendige Drosselwirkung entsteht.
Da die Kolben 41 und 42 durch Betäti gung der Einstellknöpfe 29, 30 im Bereiche der Zu- oder Abströmöffnungen 40, 38 in ihrer Aehsriehtung verschiebbar sind, lassen sieh die Zeitkonstanten der Regelung durch entsprechende Wahl der Länge der Drossel strecken längs der Kolben 41, 42 beliebig und unabhängig voneinander einstellen.
Durch das Einschleifen der Zylinder 33, 34, 35, 36 wird eine bestmögliche Dichtung trotz Verstellbarkeit der Drosselorgane 31, 32 erreicht.
In Fig. 4 entsprechen die Bestandteile 24 bis 38 den in gleicher Weise bezeichneten der Fig. 3. Es bezeichnet ferner 43 eine Öffnung und 44 einen Ringkanal, der die Öffnung 43 mit dem Anschluss 38 verbindet. Eine Öff nung 45 stellt die Verbindung zur Aussenluft her. 46, 47 sind Kolben, die an ihrer Ober fläche längs einer Schraubenlinie verlaufende Drosselkanäle 48, 49 aufweisen.
Die Drosselorgane 31, 32 wirken in der Weise, dass die Luft den Kanälen 48, 49 ent lang strömt, wobei die Drosselwirkung der Länge dieser Drosselstrecken proportional ist. Durch die Einstellknöpfe 29, 30 lässt. sich die Länge der wirksamen Drosselstrecken beliebig einstellen.
Statt., wie bei den Einrichtungen gemäss den Fig. 1 und 2, eine bei allen Belastungen konstante Drehzahl dadurch herbeizuführen, dass man die Rückführwirkung mit. Hilfe der Drosselorgane 15, 22 mit derzeit wieder auf hebt, kann man auch den den Leitapparat der Turbine betätigenden Servomotor ohne Rüekfülii-ting arbeiten lassen, wie dies in Ii'ig. 5 gezeigt ist.
In Fig. 5 bezeichnet 50 ein Servomotor mit Kolben 51. 52, 53, 54, 55, 56, 57 sind Steuer gelenke, 58 ein Beschleunigungsregler. 59, 60 sind Membranbalge, 61 ein Drosselorgan und 62 eine Ztugdruckfeder. 63 ist, eine Vorsteue r ung mit. Kolben 64 und Vorsteuersehieber 65. Die Vorsteuerung 63 beherrscht. parallel mit dem Drehzahlregler 7 den Zufluss des Be triebswassers zur Turbine mittelbar über den Steuerschieber 5, den Servomotor 50 und den Leitapparat. 2.
Die R.egeleinriehtung wirkt folgender massen Der Servomotor 50 arbeitet ohne Rück führung. Seine Verstellgeschwindigkeit ist dem Hub des Steuerschiebers 5 proportional. Der Verstellhub des Servoniotors 70 ist also dem Integral des Hubes des Steuerschiebers proportional. Hierdurch wird die Wirkung des Drehzahlreglers 7, der über die Steuerge lenke 54, 53 auf den Steuerschieber 5 ein wirkt, integriert. Der Beschleunigungsregler 58 betätigt über die Steuergelenke 55, 56 den Steuerschieber 65, welcher den Zufluss der Steuerflüssigkeit zur Vorsteuerung 63 be herrscht.
Diese Vorsteuerung wirkt über das Steuergelenk 52 parallel zum Drehzahlregler 7 auf den Steuerschieber 5 des Hauptserv o- motors 50. Die Rückführung der Vorsteuerung 63 erfolgt über den mit, dein Kolben 64 ver bundenen llembranbalg 60 und den auf das Steuergelenk 57 einwirkenden 1 < Iembranbalg 59, deren Gasräume durch die Leitung mit. dem eingebauten Drosselorgan 61 verbunden sind. Der Gasraum im Balg 60 ändert. sein Volumen zwangläufig mit der Verschiebung des Kolbens 64. Das Drosselorgan 61 dient in.
gleicher Weise wie bei der Einriehtung nach Fig. 7. als Wirkungsverzögerer. Der Gasraum im Balg 59 ändert unter Druckänderung sein Volumen. Ein die Gasräume mit der Atmo- tpliäre verbindendes Drosselorgan entfällt. liier.
Bei der Einrichtung nach Fig. 6 steht die Wasserturbine 1 unter dein Einfluss des Dreh- zahlreglers 7. Der Steuerschieber <B>5</B> steuert den Zufluss des Druckmittels zum Servomotor 3. weleher den Leitapparat 2 der Turbine be- tätigt. Ferner bezeielmet 66 eine Z orsteuernmg mit Kolben 67 und Steuerschieber 68.
llit 69, 70, 71., 72 sind Membranbalge bezeichnet. 73 und 74 sind Drosselorgane. 75 und 76 sind Zug(.rtiekfedern. 77 und 78 sind feste Dreh punkte, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91 Steuergelenke. 92 ist eine starre ltiiekführung des Servomotors 3.
Der Drehzahlregler 7 wirkt einerseits über die llembranbalge 71, 72 und die Steuerge lenke 79, 80, 81, 82, 83, 8.1, 91. auf den Steuer- seliieuer 5 des Servomotors 3. Die Membran balge 71 und 72 bilden zusammen mit dem Drosselor ari 74 einen Integrator. Bei einem nach unten gerichteten Hub des Drehzahl reglers 7 und damit des Steuergelenkes 88 steigt der Druck im Membranbalg 71 propor tional zu diesem Hub.
Es strömt infolge des Driiekunter:sehiedes zwischen den Membran- balgen 71 und 72 eine Luftmenge durch das Drosselorgan 7=1, die dein Druckuntersehied und damit dem Hub des Drehzahlreglers 7 proportional ist. Die Gesehwindigkeit der Drueksteigerung im Membranbalg 72 ist. der Strömungsmenge durch das Drosselorgan 7-1 und damit dem Hub des Drehzahlreglers 7 proportional.
Die Druekänderung im Mem- I)i-anbalg 72 ist wiederum proportional dieser Strömungsmenge, und der Druck selbst stellt Somit den Integralwert des Hubes des Dreh zahlreglers 7 dar. Infolge der Wirkung der Zugdruckfeder 76 ist weiter der Hub des Steuergelenkes 79 auch proportional zum Druek im Membranbalg 72.
Parallel zum Weg über die Meinbranbalge 77., <B>72)</B> wirkt aber nun der Drehzahlregler 7 auch noch über das Steuergelenk 87 und die Vorsteuerung 66 s auf den Steuersehieber 5 des Servomotors 3. Die Rückführung der Vorsteuerung geht hier über die beiden Membranbalge 69 und 70, deren Gasräume über die Leitung mit derri eingebauten Drosselorgan 73 miteinander ver- s bunden sind.
Der Gasraum im Balg 69 ändert sein Volumen .zwangläufig mit der Verschie bung des Kolbens 67. -Wie das Drosselorgan 61 der Einrichtung nach Fig. 5, dient auch hier das Drosselorgan 73 als -N#@'irkungsverzö- e gerer.
An Stelle %-on Luft kann auch ein anderes (T'as zur Herstellung der Rückführverbindting verwendet werden.
Zwischen dem den Zufluss des Betriebs- 6 Wassers zur Turbine beherrschenden Organ und den Reglern 7, 58 können zur Verstär kung der Wirkungsverbindung beliebig viele Verstärker eingeschaltet sein, die ihre Ver- stärkerwirkung auf hydraulischem, pneumati- 7 schein, elektrisehem oder elektronischem Wege ausüben.
An Stelle der hier dargestellten mechanisch arbeitenden Drehzahlregler 7 und Beschleuni gungsregler 58 können auch solche mit hy- 7 draulischer oder elektrischer Wirkungsweise treten.
An Stelle des längs einer Sehraubenlinie verlaufenden Drosselkanals des Drosselorgans gemäss Fig. =1 können auch andere Kanalfor- a men verwendet werden, z. B. ein axial ver laufender Kanal.
Statt, wie in Fig. 2 dargestellt, die regelnde Drueksteigerung im Membranbalg dadurch zu verstärken, da.ss Füllkörper 171,<B>181</B> und Flüs- a sigkeitsfüllimgen 19 und 20 das Luftvoliunen herabsetzen, kann man auch den Membran- bal- in einen ihn umgebenden Zylinder stel len, wobei der Zwischenraum zwischen dein Membranbalg und dem Zylinder als Druck- 9 kammer dient.