CH363945A - Einrichtung zur Begrenzung der Drehzahlsteigerung bei plötzlicher Abnahme der Belastung von Strömungsmaschinen, insbesondere von Kaplan-Turbinen - Google Patents

Description

      Einrichtung    zur     Begrenzung    der Drehzahlsteigerung bei     plötzlicher    Abnahme  der     Belastung    von Strömungsmaschinen, insbesondere von Kaplan-Turbinen    Bei Strömungsmaschinen     mit        verstellbaren        Leit-          und        Laufradschaufeln,    insbesondere bei     Kaplan-Tur-          binen,    die mit einem elektrischen Generator gekup  pelt sind, ist es im Falle     einer        plötzlichen        Abnahme     der Belastung der Turbine,

   beispielsweise     infolge     Ausfalls eines vom Generator gespeisten Netzes, be  kanntlich notwendig, das     Durchgehen    der nun     nicht     mehr voll     belasteten    Turbinen zu     verhindern.    Es  wurde daher schon versucht, durch den Drehzahl  regler der Turbine     einen        Schnellschluss    des     Leit-          apparates    herbeizuführen.

   Allerdings muss hierbei  der Nachteil in Kauf     genommen    werden, dass schäd  liche     Druckstösse    an der     Wasserzuführungsleitung          entstehen.     



  Bei den Bestrebungen, diesen     Nachteil        durch     Ausdehnung der     Schliesszeit    des Leitapparates     zu     beseitigen., ist man dann dazu     übergegangen,    an der  Turbine     zusätzliche    Schwungmassen,     beispielsweise     ein Schwungrad anzuordnen.     Diese    Lösung war aber  auch nicht zufriedenstellend.

   Soll nämlich die Dreh  zahlsteigerung     wie    üblich 30 bis 40 % der Drehzahl  bei Vollbelastung der     Turbine    nicht überschreiten,  dann     ist    ein erheblicher Aufwand an     Schwungmassen     erforderlich, der     umso    grösser wird, je grösser die  Turbinenleistung und je     kleiner    die     Betriebsdrehzahl     der Turbine ist.

   Um nun nicht     allzu    grosse Schwung  massen einbauen zu müssen, ist man auf den Aus  weg gekommen, auf die üblichen Garantien zur Ein  haltung     bestimmter        Drehzahlen    zu     verzichten.    Das  ist aber nur     möglich,        wenn    nach einer plötzlichen  Abnahme der     Turbinenbelastung    der Generator     keine     Stromverbraucher, insbesondere keine elektrisch an  getriebene Kreiselpumpen mehr zu versorgen  braucht,

   denen     eine    mit der     Drehzahlsteigerung    ver  bundene     Spannu@ngs-    und     Frequenzsteigerung    scha  den würde.    Wenn aber der     Generator        einer        Kaplan-Turbine     mit grosser Leistung     und:

          kleiner    Normaldrehzahl       mehrere    Netze, also     beispielsweise        ein    grosses Netz  und ausserdem noch     ein.    oder mehrere     kleinere    Netze  mit     verhältnismässig        geringer    Belastung speisen muss  und     wenn    das grosse Netz beispielsweise infolge  Kurzschlusses ausfällt, dann müssten zwecks Begren  zung der     Drehzahlsteigerung    die Schwungmassen aus  sergewöhnlich gross ausgeführt werden.  



  Um hier Abhilfe zu     schaffen,    wurde bereits von  der Eigenschaft der Kaplan-Turbine Gebrauch ge  macht, dass bei plötzlicher Abnahme der Turbinen  belastung der     jeweilige    Wasserdurchlass     unverändert     bleiben kann,

       wenn    unter Beibehaltung der jewei  ligen     Leitschaufelstehung    die     Laufradschaufeln        ent-          sprechend    geöffnet     werden.    Der     Lastausgleich    wird  dann lediglich durch     Abfallen        des        Turbinenwirkungsr-          grades    bewirkt. Ein     Schnellschliessen    der Druckwas  serleitung     ist    dann nicht mehr notwendig.  



  Für     eine        Einrichtung    zur Begrenzung der     Dreh-          zahlsteigerung    bei     plötzlicher    Abnahme der Bela  stung von     Strömungsmaschinen        mit    verstellbaren       Leit-    und     Laufradschaufeln,    insbesondere     von        Ka-          plan-Turbinen,

      bei     denen        die    der     Leitschaufelver-          stellung    zugeordnete     Laufradschaufelverstellung    mit  tels einer vom     Geschwindigkeitsregler    gesteuerten  Kurvenscheibe     durchgeführt    und die Zuordnung  durch zusätzliches     Öffnen    der     Laufradschaufeln    vor  übergehend aufgehoben     wird,    schlägt die Erfindung  vor,

   für das zusätzliche Öffnen der     Laufradschaufeln          zwischen    der Kurvenscheibe und der     Laufradschau-          felsteuerung,        eine    auf die bei     plötzlicher    Abnahme  der     Belastung    vom Regler     ausgelöste        starke        Schliess-          bewegung    der     Leitschaufeln        ansprechende        Verstell-          vorrichtung        vorzusehen,

      durch die die     Wirkverbin-          dung        zwischen    der Kurvenscheibe und der Laufrad-           schaufelsteuerung    aufgehoben und die     Laufradschau-          feln        zunächst        etwa        proportional    der     Schliessbewe-          gung    der     Leitschaufeln        geöffnet    und     dann        mit    Ver  zögerung bis zur     Wiederherstellung    der Wirkverbin  dung     

  in    der     Schliessrichtung        betätigt    werden.  



  Bei einer     Ausführungsform    wird die     Verstellvor-          richtung    durch     einen    Servomotor gebildet, von dem  der Zylinder bzw. der Kolben     mit    der Kurvenscheibe  und der     andere    Motorteil     (Kolben    bzw.

   Zylinder) mit  dem     Verstellgestänge    für das     Laufradsteuerorgan     verbunden ist, und dessen Zylinderräume beiderseits  des Kolbens über ein     Rückschlagventil    und einen Ka  tarakt     miteinander    in Verbindung gebracht     sind.    Ge  rade ein Servomotor eignet sich     für    die     genannte    Auf  gabe besonders gut, denn dieser ist sehr einfach     in     seiner     Bauweise    und sehr betriebssicher, ohne dass  etwa     eine    besondere Wartung notwendig     wäre.     



  Bei     einer    andern     Ausführungsform    wird die     Ver-          stellvorrichtung    aus zwei Servomotoren     gebildet.    Die  Anordnung derselben wird dann so getroffen, dass  der Kolben des einen Servomotors mit der Kurven  scheibe und der Kolben des anderen     Servomotors    mit  dem     Verstellgestänge    für das     Laufradsteuerorgan     gekuppelt sind. Die Arbeitsräume der beiden Servo  motoren sind durch eine Leitung     miteinander    zu ver  binden, die über eine Blende an den für die beiden  Servomotoren gemeinsamen     Ölsammelbehälter    ange  schlossen ist.  



  Die Erfindung ist in der Zeichnung in     zwei    Aus  führungsbeispielen schematisch dargestellt. Es zeigen       Fig.    1     eine    Einrichtung zur     Begrenzung    der Dreh  zahlsteigerung, die einen     einzigen    Servomotor auf  weist, und       Fig.    2     eine    zwei     Servomotoren    aufweisende Be  grenzungseinrichtung.  



  Auf der     Bahn    der vom Geschwindigkeitsregler  über die Welle 11 gesteuerten     Kurvenscheibe    1 für  die der     Leitradschaufelverstellung    zugeordnete     Lauf-          radsohaufelverstellung        gleitet    eine Rolle 2. Diese  Rolle ist an einem Schwenkarm     (Verstellgestänge)    3  gelagert, der über die bei 5     angelenkte    Stange 4     mit     dem Steuerschieber 6 für den     Laufradservomotor    7  verbunden ist.

   Die am     anderen    Ende des Schwenk  armes 3 gelagerte Rolle 8 gleitet auf der Kurven  bahn der Kurvenscheibe 9, die zur     Rückführung    des  Schwenkarmes und damit des     Laufradsteuerventiles     6 in die     Ausgangsstellung        (Mittelstellung)    dient. Der  Schwenkarm 3 und damit auch die beiden Rollen 2,  8 werden durch eine     im        Festpunkt    17     befestigte          Druckfeder    19 gegen die Bahnen der Kurvenscheiben  1 bzw. 9     gedrückt.     



  Mit der Welle 11 der Kurvenscheibe 1 ist ein  Hebel 12 verbunden, der am     Zylinderboden    eines  Servomotors. 13 aasgelenkt ist,     während    der Kolben       13a    dieses Servomotors     mit        seiner        Kolbenstange    13b  am     Schwenkarm    3 gelagert ist. Der     Servomotorzylin-          der    weist einen Katarakt 14 mit     einer        einstellbaren     Blende 15 auf.

   Ausserdem ist     am    Kolben 13a ein       Rückschlagventil    16     angeordnet,    das die Aufgabe  hat, bei den durch einen ausgezogenen     Pfeil    ange-    deuteten Schliessbewegungen der Kurvenscheibe 1  den Kolben 13a gegen den     Durchfluss,    des Öles vom  unteren in den oberen     Zylinderraum    zu sperren, da  gegen bei den Öffnungsbewegungen der Kurven  scheibe den     Öldurchfluss    freizugeben.

   Die Blende 15  des Kataraktes ist so eingestellt,     dass    bei normalen,       messt    sehr langsam und     verhältnismässig    kleinen       Schliessbewegungen    der     Kurvenscheibe    das ver  drängte Öl durch den Katarakt von einem Zylinder  raum in den anderen fliessen     kann,    ohne     17bertra-          gung    der     Verstellbewegungen    auf die Kolbenstange  13b. Es findet also kein Abheben der Laufrolle 2  von ihrer     Laufbahn    statt.

   Erst bei einem vom Regler       eingeleiteten        Schnellschluss,    also bei     schnellen    und  grossen Schliessbewegungen der     Kurvenscheibe    ge  nügt der     Durchfluss    durch den Katarakt 15 nicht  mehr, so dass diese Schliessbewegungen auf die Kol  benstange 13b unter Abhebung der Rolle 2 von ihrer  Kurvenbahn übertragen werden.  



  Die Einrichtung wirkt folgendermassen  Bei einer beispielsweise durch     Kurzschluss    in  einem der vom Turbinengenerator versorgten Netze  ausgelösten, in diesem Fall plötzlichen     Schliessbewe-          gung    des Turbinenreglers wird die     Kurvenscheibe    1  in der durch ausgezogenen Pfeil angedeuteten Rich  tung sehr schnell und weit ausgeschwenkt und damit  der Zylinder des Servomotors 13 vom Hebel 12       rasch    hochgehoben.

   Infolge der einseitig wirkenden  Sperre 16 des     Servomotorkolbens    und des in diesem  Fall den     öldurchfluss    vom unteren zum oberen Zy  linder nahezu sperrenden Kataraktes wird auch der  Kolben 13a mitgenommen und der     Schwenkarm    3  entgegen der     Druckkraft    der Feder 10     hochgehoben.     Dadurch wird das     Laufradsteuerventil    6 durch die  Stange 4 in die Öffnungsstellung verschoben,

   also ein  Öffnen der     Laufradschaufeln    etwa proportional den       Schliessbewegungen    der Kurvenscheibe 1 und     damit     der     Leitschaufeln    bewirkt und     damit    auch die Wirk  verbindung zwischen dieser Kurvenscheibe und der       Laufradsteuerung        wenigstens,        vorübergehend    gelöst.  Damit ist ein Durchgehen der Turbine nicht mehr       möglich.     



  Eine unter der Wirkung der     Druckfeder    10 ein  geleitete     Rückführung    der am Schwenkarm gelager  ten Gleitrolle 2 auf ihre Kurvenbahn kann aber nur  mit     Verzögerung    durchgeführt werden, denn bei der  gleichzeitigen     Abwärtsbewegung    des mit dem  Schwenkarm 3 verbundenen     Servomotorkolbens    13a  kann das von ihm     verdrängte    Öl infolge der Sperre  des     Rückschlagventils    16 nur durch die Blende 15  des Kataraktes 14,

   also mit     Zeitverzögerung        fliessen.     Bis zum Auftreffen der Rolle 2 auf ihre Kurvenbahn  ist aber     inzwischen    die dem neuen     Betriebszustand     angepasste Zuordnung zwischen der     Leitschaufel-          und    der     Laufradschaufelverstellung,    und zwar jetzt  langsam und damit ohne schädliche Rückwirkung  auf die     Druckwasserleitung        eingesteuert    worden.  



  Bei der     Ausführung    nach     Fig.    2 werden zwei  Servomotoren 18, 19 verwendet. Hierbei sind die  Kolbenstange     18a    des Servomotors 18 mit dem           Hebel    12 der Kurvenscheibe 1 und die Kolbenstange  19a des Servomotors 19 mit dem     Schwenkarm    3 ge  lenkig verbunden. Die     Zylinder    der beiden Servo  motoren 18, 19 sind durch     eine    Leitung 20     mitein-          ander    verbunden.

   Diese     Leitung    hat einen Abzweig  20a, der über eine einstellbare Blende 21 in     einen,     beiden Servomotoren     gemeinsamen        ölsammelbehäl-          ter    22 einmündet.  



  Bei einer vom Turbinenregler ausgelösten       Schnellschliessbewegung    der Kurvenscheibe 1     in     Richtung des ausgezogenen Pfeiles wird der Kolben  des Servomotors 18     abwärts    bewegt und dadurch das  Öl durch die Leitung 20 in den zweiten Servomotor  19 gepumpt, wobei der Ölübertritt über die     Zweig-          leitu@ng        20a    und die Blende 21 in den     ölsammel-          behälter    22 so stark     gedrosselt    ist, dass er sich auf  die     Übertragungsbewegungen    nicht auswirken kann.

    Der Kolben 19b wird etwa proportional der     Schliess-          bewegung    der     Kurvenscheibe    und damit der Leit  schaufeln hochgehoben und     damit    die Wirkverbin  dung zwischen der Rolle 2 und der     Kurvenbahn    der       Kurvenscheibe    1 vorläufig aufgehoben. Durch das       Hochheben    des Schwenkarmes 3 wird aber auch  gleichzeitig über die mit diesem Schwenkarm     gekup-          pelte    Stange 4 das Steuerventil 6 für den Laufrad  servomotor 7 im     Öffnungssinn    verstellt.

   Die ver  zögerte     Rückführung    des     Schwenkarmes    3 wird bei  dieser Ausführung so durchgeführt, dass das öl un  ter der Wirkung der über den Schwenkarm 3 auf  die Kolbenstange 19a drückenden Feder 10 über die  Leitung 20 und die Zweigleitung 20a durch die  Blende 21 also langsam in den     Sammelbehälter    22  zurückgepumpt wird, und zwar so lange, bis die  Rolle 2 wieder auf ihrer Kurvenbahn aufliegt. In  zwischen ist aber vom Regler eine neue     Kurven-          scheibenstellung        eingesteuert    worden.

   Bei     öffnungs-          vorgängen    der Kurvenscheibe 1, also beim Hoch  steigen der Kolben der beiden Servomotoren 18 und  19 wird über das nur einseitig wirkende     Ventil    23  aus dem     Sammelbehälter    22 Öl angesaugt und so die  Bildung eines Leerraumes in den Zylindern und in  der Leitung 20 vermieden.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Einrichtung zur Begrenzung der Drehzahlsteige rung bei plötzlicher Abnahme der Belastung von Strömungsmaschinen mit verstellbaren Leit- und Laufradschaufeln, insbesondere von Kaplan-Tur- binen,

   bei denen die der Leitschaufelverstellung zu geordnete Laufradschaufelverstellung mittels einer vom Geschwindigkeitsregler gesteuerten Kurven scheibe durchgeführt und die Zuordnung durch zu sätzliches Öffnen der Laufradschaufeln vorüber gehend aufgehoben wird, dadurch gekennzeichnet,

   dass für das zusätzliche öffnen der Laufradschaufeln zwischen der Kurvenscheibe und der Laufradschau- felsteuerung eine auf die bei plötzlicher Abnahme der Belastung vom Regler ausgelöste starke Schliess bewegung der Leitschaufeln ansprechende Verstell vorrichtung vorgesehen ist,

   durch die die Wirkver bindung zwischen der Kurvenscheibe und der Lauf- radschaufelsteuerung aufgehoben. und die Laufrad schaufeln zunächst etwa proportional der Schliess- bewegung der Leitschaufeln geöffnet und dann mit Verzögerung bis zur Wiederherstellung der Wirkver bindung in der Schliessrichtung betätigt werden.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung durch einen Servomotor gebildet wird, von dem der Zylin der bzw. Kolben mit der Welle der Kurvenscheibe und der andere Motorteil mit dem Verstellgestänge für das Laufradsteuerorgan (6) verbunden ist und dessen Zylinderräume beiderseits des Kolbens über ein Rückschlagventil (16) und einen Katarakt (14, 15)

   miteinander in Verbindung gebracht sind (Fig.1). 2. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung aus zwei Servomotoren (18, 19) gebildet wird, von denen der Kolben des einen Servomotors (18) mit der Welle (11) der Kurvenscheibe und der Kolben des, anderen Servomotors (19) mit dem Verstellgestänge (3) für das Laufradsteuerorgan (6)

   gekuppelt sind und dass die Arbeitsräume der beiden Servomotoren durch eine Leitung (20) miteinander verbunden sind, die über eine Blende (21) an den für die beiden Servo motoren gemeinsamen Sammelbehälter (22) ange schlossen ist (Fig. 2).