DE240973C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- M 240973 KLASSE 88^. GRUPPE

ALOYS ZODEL in ZÜRICH, Schweiz.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 10. Januar 1911 ab.

Vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung von Freistrahlturbinen mittels Schwenkdüsen, deren Wesen darin liegt, daß im Gegensatz zu bekannten Regelungsarten die Düse bei allmählich vor sich gehenden Belastungsänderungen nicht stehen bleibt, sondern ihre Lage stetig ändert, und zwar derart, daß die Mittelachse des von ihr auf das Laufrad gerichteten Wasserstrahles bei

ίο voller Auslaßöffnung, d. i. bei ganz zurückgezogener Nadel, also bei Vollast in kleinerer Entfernung von der Radmitte auf die Laufschaufeln auftrifft als bei geringerer Last, wo die Nadel einen Teil des Düsenaustrittsquerschnittes absperrt. Bei Leerlauf hat die Mitte des Wasserstrahles somit den größten Abstand von der Radmitte. Des besseren Verständnisses wegen soll die Erfindung vorerst an Hand von Ausführungsbeispielen erklärt und sodann sollen ihre Vorteile gegenüber bisherigen Regelungsverfahren an Hand von Diagrammen erläutert werden. Daran anschließend werden verschiedene Ausführungsformen besprochen.

In Fig. ι ist eine Schwenkdüse α dargestellt, welche sich um die Zapfenmitte b drehen kann und deren Wasserstrahldicke in bekannter Weise durch die Nadel c geregelt wird. Solange die Belastung sich innerhalb kleiner Grenzen und verhältnismäßig langsam ändert, . verdreht der von der Hilfskraftmaschine (Servomotor) d bewegte Doppelhebel e mittels Zugstange f den dreiarmigen Hebel H und schiebt die Nadel c in der Düse α hin und her, wodurch der Austrittsquerschnitt der 45

Düse α verkleinert oder vergrößert wird. Während nun aber bei bisher bekannten Regelungsverfahren bei diesem Vorgang die Düse a ihre Lage unverändert beibehält, soll nach vorliegender Erfindung der Abstand der Strahlmitte von der Achse A des Laufrades L größer werden, sobald die Belastung abnimmt, sobald sich also die Nadel c in der Schließrichtung bewegt (in Fig. 1 von rechts nach links). Um dieser Anforderung zu genügen, ist in dem besprochenen Ausführungsbeispiel der Hebel H dreiarmig ausgeführt. Er dreht sich gegenüber der Düse α um den an ihr befestigten Zapfen h. An seinem nach rechts gehenden Arm greift die Zugstange f an. Der nach oben gehende, am Ende gegabelte Arm verschiebt mittels Stein- und Gelenkbolzen i. die Nadelstange k, und der nach links unten gehende Arm stützt sich mittels der Rolle I auf eine im Raum feststehende Gleitbahn m. Wenn nun z. B. infolge Entlastung der Turbine unter Einwirkung des Geschwindigkeitsreglers die Hilfsmaschine d den Doppelhebel e der Bewegung des Uhrzeigers entgegengesetzt verdreht, so zieht er mittels Stange f den Arm g des dreiarmigen Hebels H in die Höhe. Dieser Hebel H führt hierbei zwei verschiedene Bewegungen aus: Erstens verdreht er sich um den an der Düse α befestigten Drehpunkt h und schiebt die Nadel c von rechts nach links, so daß der Austrittsquerschnitt der Düse α verkleinert wird. Gleichzeitig möchte sich der nach links unten gerichtete Arm des Hebels H mit seinem Endpunkt, an welchem die Rolle/ sitzt, nach

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unten bewegen, wird aber daran verhindert durch die im Raum feststehende Gleitbahn m. Dies hat zur Folge, daß der ganze Hebel H sich zweitens um die Rolle I als Drehpunkt dem Uhrzeiger entgegengesetzt bewegt, wobei der Drehpunkt h gehoben wird. Dies ist aber nur möglich, indem sich gleichzeitig die ganze Düse α um ihren Drehpunkt b dem Uhrzeiger entgegengesetzt dreht. Dadurch gelangt die

ίο Strahlachse aus der Lage b-u in die Lage b-v. Die Entfernung der Strahlmitte wächst vom Betrag R_u auf den Betrag R„. Hierbei rollt die Rolle I um ein kleines Stück Weges auf der feststehenden Gleitbahn m. Findet vollständige, jedoch vorerst allmählich vor sich gehende Entlastung statt, so gelangt der Wasserstrahl in die für den Leerlauf gültige Grenzlage b-w. Sein Abstand von der Radmitte α hat in diesem Augenblick den Betrag R₁₁,.

Fig. 2 zeigt, wie bei dieser Belastungsänderung von Voll- auf Leerlauf der Querschnitt des Wasserstrahles sich nach der Größe und zugleich in der Lage gegenüber der Schaufelebene ändert. A-A sei wiederum die Achsenmitte des Laufrades, S eine an der Radscheibe L befestigte Schaufel. Bei größter Belastung hat der auf die Schaufel 5 auftreffende Wasserstrahl den Durchmesser D₁₁ und von der Radachse den Abstand R₁₁. Beim Übergang auf mittlere Belastung gehen diese Werte über in die Werte D_v und R_v, und wird die Turbine allmählich ganz entlastet, so hat der Wasserstrahl, wie er für die Bewältigung der Leerlaufsarbeit erforderlich ist, nur noch den Durchmesser D_n, und von der Radmitte den Mittenabstand R_w.

Wird nun beispielsweise die Turbine von Vollast, wo die Düse in der Lage b-u ganz offen war, plötzlich vollständig entlastet, so bewegt sich unter Einfluß des Geschwindigkeitsreglers der Kolben der Hilfsmaschine d rasch von der oberen in die unterste Grenzlage, reißt den Doppelhebel e herum, und in-.

folgedessen wird mittels des Kataraktes η in an sich bekannter Weise die Düse α aus der Lage b-u in die äußerste Lage b-x verdreht. Gleichzeitig ist die Zugstange f und damit ihr Gelenkpunkt 0 in die oberste Lage gekommen, in welcher sie verbleibt, solange der Wasserstrahl lediglich die Leerlaufsarbeit der Turbine zu überwinden hat. Das Gewicht des Kataraktzylinders η und das einseitig vom Drehpunkt b wirkende Übergewicht der Düse α drehen die Düse a langsam aus der Stellung b-x gegen die Leerlaufstellung b-w zurück. Weil bei diesem Zurückdrehen der Gelenkpunkt 0 des dreiarmigen Hebels H in seiner Höhenlage verbleibt, so wird die Nadel c im Gehäuse α zwangsweise vorgeschoben und der Austrittsquerschnitt verkleinert. Die höchste Lage des Gelenkpunktes ο und die unveränderliche Lage der Gleitbahn m bestimmen für den dreiarmigen Hebel H und damit für die Düse α für das Zurückdrehen der letzteren eine Grenzlage, welche identisch ist mit der bei der anfangs betrachteten allmählichen Entlastung der Turbine gefundenen Grenzlage b-w. Es bleibt also beim Zurückdrehen der Düse von der größten Auslage b-x ihre Mittelachse stehen in der Lage b-w und geht nicht in die Lage b-u zurück, wie dies bei bisher bekannt gewordenen Rege-. lungsarten der Fall ist. Bei letzteren hatte die Düse in der Winkelstellung b-w noch eine verhältnismäßig große Öffnung, gab also auf das Laufrad einen Wasserstrahl, der viel größer ist, als der Leerlaufsarbeit entspricht. Demzufolge wird die Turbine beim Zurückschwenken der Düse aus der Stellung b-x durch die Stellung b-w hindurch in die Leerlaufstellung b-u noch einmal beschleunigt. Ist mit der Turbine z. B. eine Dynamomaschine gekuppelt, so wird ihre Spannung hierbei noch einmal in ungewollter Weise erhöht. Dieser große Übelstand wird bei dem vorliegenden Regelungsverfahren vermieden, denn sobald der Wasserstrahl nach dem plötzlichen Auslenken in die Lage b-x allmählich zurückgeschwenkt wird, erhält er seine der Leeflaufsarbeit entsprechende Abmessung in der Winkelstellung b-w und bleibt der Größe und Lage nach in diesem Zustand verharren, ohne das Laufrad noch einmal wesentlich zu beschleunigen. Fig. 3 zeigt die Tourenkurve nach bisher bekannter Art, Fig. 4 die Tourenkurve einer nach dem vorliegenden Verfahren geregelten Freistrahlturbine. In diesen Diagrammen sind als Abszissen (von links nach rechts) die Zeiten, als Ordinaten (nach oben) die Geschwindigkeiten aufgetragen. In Fig. 3 stellt die Strecke von 1 - 2 den Beharrungszustand bei Vollast dar. Im Zeitpunkt 2 soll eine plötzliche völlige Entlastung der Maschine eintreten; dadurch wird die Geschwindigkeit der Maschine um den Betrag 2-3 erhöht, der Regulator tritt in Tätigkeit und schwenkt die Düse in die Winkelstellung b-x (Fig. 1) aus. Dadurch erniedrigt sich die Umlaufszahl auf den Betrag 4. Nunmehr tritt infolge des vollständigen Wiedereinschwenkens die oben erwähnte zweite Beschleunigung und Verzögerung der Maschine auf, welche in Strecke 4-5-6 dargestellt ist. Bei Anwendung des vorliegende Erfindung ausmachenden Verfahrens ergibt sich für den Verlauf der Geschwindigkeit bei derselben Entlastung das in Fig. 4 dargestellte Diagramm, in welchem die dem Diagramm Fig. 3 entsprechenden Punkte mit einer um 10 höheren Ziffer bezeichnet sind. Nach dem Zeitpunkt 14, das ist nach dem Wiedereinschwenken der Düse,

tritt zwar laut Diagramm 4 auch noch eine Geschwindigkeitserhöhung 14-15 ein. Sie ist aber bei weitem nicht so groß wie die Erhöhung 4-5 im Diagramm Fig. 3 und kann durch entsprechende Vorkehrungen beliebig verkleinert werden.

Die Anwendung des vorliegenden Regelungsverfahrens hat überdies den Vorteil, daß bei Entlastung von Teillast auf Null die Düse ζ. B. nur aus der Stellung b-v und nicht aus der Stellung b-u ausschwenken muß (Fig. 1), was auf die erste Geschwindigkeitserhöhung 12-13 iⁿ Diagramm 4 von günstigem Einfluß ist. :

Fig- 5 zeigt die Anwendung des vorliegenden Regelungsverfahrens auf eine Freistrahlturbine, in welcher der Servomotor d die Bewegung auf die Nadelstange k wie beim ersten Beispiel mittels der Zugstange f, dagegen die Bewegung auf das Düsengehäuse α mittels einer zweiten Hilfsmaschine q erwirkt, welche zwischen Doppelhebel r und Düsengehäuse a geschaltet wird. In dem Ausführungsbeispiel enthält die zweite Hilfsmaschine q einen Differentialkolben s, t, welcher durch die Leitung B dauernd mit einem PreßfLüssigkeitsbehälter in Verbindung steht. Durch eine im größeren Kolben s befindliche kleine Öffnung C strömt eine geringe Menge der Flüssigkeit von dem Raum unter dem großen Kolben s nach dem Raum über diesem Kolben und kann von da durch entsprechende Bohrungen der hohlen oberen Kolbenstange D entweichen, sobald der Doppelhebel r mittels der Stange E und des Kataraktes P das Steuerventil F anhebt. Solange das nicht geschieht, stellt sich über dem großen Kolben s des Differentialkolbens s, t ungefähr der gleiche Druck ein wie in dem zwischen den beiden Kolben s und t befmdlichen Raum, und der Differentialkolben drückt zufolge seines Eigengewichtes und .des auf den kleineren Kolben t entfallenden Überdruckes mittels Laschen G auf das Düsengehäuse a. Sobald infolge plötzlicher Entlastung der Kolben in der ersten Hilfsmaschine d rasch sinkt, hebt der Doppelhebel r mittels Stange E und Katarakt P das Steuerventil F der zweiten Hilfsmaschine an, die Druckflüssigkeit über dem Differentialkolben s kann durch Rohr B^ entweichen, die zwischen den beiden Kolben s und t eingeschlossene Preßflüssigkeit hebt den Differentialkolben und dadurch mittels der Lasche G das rechte Ende des Düsengehäuses α rasch an, schwenkt also die Düse in die äußerste Lage b-x. Es sei ausdrücklich hervorgehoben, daß die an Hand der Fig. 5 bis zu diesem Punkt beschriebene Regelungsvorrichtung bekannt ist. Die bekannten Ausführungen zeichnen sich jedoch von dem Gegenstand vorliegender Erfindung dadurch aus, daß das Steuerventil.F. und damit auch das Düsengehäuse α stets in der gleichen Lage verbleiben, solange die Belastungsänderungen allmählich vor sich gehen. Es spielt,hierbei lediglich das Gestänge r, f, J und die Nadel k-c. Nun soll aber gemäß vorliegender Erfindung das Gehäuse α bei jeder Nadelstellung in demselben zugleich eine andere Winkelstellung einnehmen. Es wird dies dadurch erreicht, daß der Doppelhebel r mittels Stange K den Hebel M auslenkt, dessen rechts gelegener Drehpunkt im Raum festliegt. Dieser Hebel M bildet bei T die Auflage für das Kataraktgehäuse und damit für das .Steuerventil F. Jeder Winkelstellung des Doppelhebels r entspricht eine andere Lage des Hebels M, des Steuerventils F, des Differentialkolbens s, t und also eine andere Winkelstellung des Gehäuses a. Weil aber vom Doppelhebel r aus mittels Stange f in erster Linie die Nadel k-c im Gehäuse α verstellt wird, so entspricht also jeder Stellung der Nadel c im Gehäuse α eine andere Winkelstellung des Gehäuses α selbst. Der Angriffspunkt N der Lenkstange K im Hebel r kann im Hebel r verschoben und dadurch die Abhängigkeit der Winkelstellung des Gehäuses a von der Nadelstellung geändert werden. Natürlich kann dies auch durch andere Hilfsmittel geschehen.

Ebenso können Auslaßöffnung und Winkelstellung der Düse α noch auf andere konstruktive Arten voneinander abhängig gemacht werden, sei es auf rein mechanischem, auf hydraulischem, elektrischem oder magnetischem Weg.

Weil unter Anwendung vorliegenden Verfahrens bei Teilbelastung der Wasserstrahl das Laufrad bzw. die Laufschaufeln unter einen günstigeren Winkel trifft, als wenn der für Teillast an sich verkleinerte Wasserstrahl nicht abgelenkt wird, so arbeitet eine nach vorliegendem Verfahren geregelte Freistrahlturbine bei Teillast mit günstigerem Wirkungsgrad als ohne Anwendung dieses Verfahrens.

Claims (4)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Regelungsvorrichtung für Freistrahlturbinen mittels Schwenkdüsen von ver- no änderlicher Öffnung, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Belastungsgröße der Turbine außer einem bestimmten Austrittsquerschnitt eine bestimmte Winkelstellung der Düsenachse gegenüber dem Laufrad entspricht, derart, daß bei kleiner Last die Düse nicht nur kleineren Austrittsquerschnitt, sondern auch größeren Abstand von der Laufradachse hat als bei Vollast, und daß nach dem durch plötzliehe Entlastung erfolgten Ausschwenken der Düse letztere nur in die dem Leer-

   lauf entsprechende große Entfernung der Düse von der Laufradachse zurückschwenkt.
2. 2. Ausführungsform der Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Düsenwinkelsteilung durch Verstellung eines Anschlages bewirkt wird.
3. 3. Ausführungsform der Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der verstellbare Anschlag auf mecha-. nischem Wege die Düse unterstützt (Fig. 1).
4. 4. Ausführungsform der Vorrichtung nach Anspruch 2 an einer Freistrahlturbine, bei welcher die Düse mittels einer zweiten Hilfsmaschine ausgeschwenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der verstellbare Anschlag auf die Steuerung dieser zweiten Hilfsmaschine einwirkt. (Fig. 5).

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.