Sicherheitseinrichtung an einer Kaplanturbine Die Erfindung betrifft eine Sicherheits einrichtung an einer Kaplanturbine für den 1'a11 des Durchbrennens.
Bei Kaplanturbinenanlagen, die kein be sonderes Abschlussorgan im Wasserzulauf be sitzen, ist es üblich, beim Durchbrennen der Gruppe die Laufradschaufeln mit, einer soge nannten Notschlussvorriehtung zu schliessen, uni die Dauer des Durchbrennens zu be grenzen.
Beispielsweise lässt man zu diesem Zweck nach Ansprechen eines Sicherheitspen dels bei Erreichen einer bestimmten Über drehzahl erhöhten Öldruck auf die Schliessseite des Laufradservomotors einwirken, um mit tels des normalen Laufradreguliermechanis- mus die Laufschaufeln zu schliessen. Das Drueköl wird hierbei von einer Notpumpe geliefert oder einem Akkumulator entnom- nien.
Dieses Verfahren besitzt jedoeh den Nach teil, dass die Drehzahl infolge des Schliessens der Laufradschaufeln vorerst noch weiter zunimmt, falls das Leitrad im Moment des Anspreehens des Sicherheitspendels stark geöffnet ist und bei einer grossen Öffnung stehenbleibt. Die Drehzahl kann dabei unter Umständen so stark zunehmen dass sie den überhaupt möglichen Höchstwert erreicht, um Bernach erst wieder abzusinken, wenn die Laufradschaufelung bis zu einem Öffnungs betrag von etwa 25<B>%</B> der vollen Öffnung geschlossen ist.
Erst bei Erreichen ganz kleiner Laufradöffnungen erreicht dann die Drehzahl wieder kleinere Werte als im Augen blick des Ansprechens der Sicherheitseinrich tung.
Infolge der erhöhten Durchbrenndrehzahl und der dadurch bedingten Erhöhung der Fliehkräfte der zu bewegenden Teile nehmen nun auch die bei der Schliessbewegung der Laufradschaufeln zu überwindenden Rei bungskräfte bedeutend zu. Für das Schliessen der Laufradschaufelung beim Durchbrennen sind dann Kräfte erforderlich, welche das Mehrfache derjenigen bei normaler Drehzahl betragen.
Da der für die Unterbringung des Verstellmechanismus in der Laufradnabe zur Verfügung stehende Ra-am sehr beschränkt ist, bietet aber die Verstärkung des Verstell mechanismus für die Laufradschaufelung, namentlich bei grösseren Gefällen, beträcht liche Schwierigkeiten.
Bei den bisher bekannten Sicherheits einrichtungen werden demnach die zu Be ginn des Durchbrennens herrschenden Ver hältnisse zuerst noch durch die Einwirkung der Sieherheitseinriehtung selbst verschlech tert, indem vorerst die Drehzahl entgegen der erstrebten Wirkung weiter gesteigert wird und dadurch die zum Schliessen der Laufradschaufelung erforderlichen Kräfte er höht werden. Die starke Drehzahlerhöhung kann auch unerwünschte Vibration im Gang der Gruppe hervorrufen.
Ausserdem bewirkt die infolge der höheren Drehzahl grössere im Rotor aufgespeicherte kinetische Energie auch eine Verlängerung des Auslaufens der Gruppe mit Überdrehzahl nach Schliessen des Laufrades.
Durch die Erfindung wird nun bezweckt, bei einer Sicherheitseinrichtung einer Kaplan turbine, für den Fall des Durchbrennens, welche einen bei Erreichen einer bestimmten Überdrehzahl der Turbine ansprechenden Sicherheitsregler aufweist, die erwähnten Nachteile zu vermeiden. Zu diesem Behufe steht der Sicherheitsregler mit einem Regel organ in Wirkungsverbindung, welches bei Ansprechen des Sicherheitsreglers eine von der normalen Druckmittelversorgung des Reguliersystems der Turbine unabhängige stärkere Kraftquelle in schliessendem Sinne auf den Leitapparat der Turbine einwirken lässt.
In der Zeichnung ist ein Ausführungs beispiel des Erfindungsgegenstandes in ver einfachter Darstellung veranschaulicht. Es zeigen hierbei: Fig.1 die ganze Regeleinrichtung einer Kaplanturbine mit der Sicherheitseinrichtung und Fig.2 eine Einzelheit der Sicherheitsein richtung in der Lage nach dem Ansprechen des Sicherheitsreglers.
Fig. 3 zeigt ferner an Hand eines Schau bildes die Wirkung der Sicherheitseinrich tung auf den Drehzahlverlauf nach Anspre chen des Sicherheitsreglers.
Die Kaplanturbine weist einen Leitapparat 1 und ein Laufrad 2 auf. Der Leitapparat beherrscht den Zufluss des Betriebswassers znim Laufrad. Bei der dargestellten Regelein richtung ist der Übersichtlichkeit halber der Leitapparat räumlich getrennt vom Laufrad gezeichnet. Er besitzt drehbare Leitschaufeln 3, welche über Hebel 4 und Lenker 5 mit einem drehbaren Regelring 6 verbunden sind.
Das Laufrad besitzt eine Nabe 7 mit drehbaren Laufschaufeln 8, welche durch einen in der Nabe 7 angeordneten Verstell inechanismus betätigt werden.
Die Verstellung des Leitapparates wie auch der Laufradschaufelung wird normaler- weise von einem Drehzahlregler 9 aus be herrscht. Dieser greift am linken Ende eines Waagebalkens 10 an, an welchem über eine Stange 11 ein Steuerschieber 12 angelenkt ist.
Der Steuerschieber 12 beherrscht den Zit- fluss von Druckmittel von einer Leitung 13 über eine Leitung 14 nach der linken Seite eines Servomotorkolbens 15 bzw. über eine Leitung 16 nach der rechten Seite dieses Servomotorkolbens. Der Kolben 15 ist in einem Zylinder 17 angeordnet. und bildet mit diesem den Leitradservomotor. Er ist über eine Stange 18 mit einem Hebel 19 des Regel ringes 6 verbunden.
Die Rückführung der Steuerung durch die Bewegung des Servo- motorkolbens 15 erfolgt über eine Kolben stange 20, einen Winkelhebel 21 und eine weitere Stange 22, welche am rechten End punkt des Balkens 10 angelenkt ist.
Die Betätigung der Laufschaufeln 8 er folgt in bestimmter Zuordnung zur Verstel lung des Leitapparates. Zu diesem Behufe ist die über den Angriffspunkt des Hebels 19 hinaus verlängerte Stange 18 über einen Hebel 23 mit einer um eine Achse 2-1 schwenk baren Kurvenscheibe 25 verbunden. Eine vertikal in ihrer Achsrichtung verschiebbare Stange 26 mit Rolle 27 wird durch eine Feder 28 ständig gegen die Kurvenscheibe 25 gedrückt, so dass die Rolle 27 bei der Be wegung der Kurvenscheibe auf dieser abläuft. Die Stange 26 greift mit ihrem obern Ende an einem Balken 29 an.
An diesem ist weiter über eine Stange 30 ein Steuerschieber 31 angelenkt, welcher den Zufluss von Druck mittel aus einer Leitung 32 über eine Lei tung 33 nach der obern Seite eines Servo- motorkolbens 34 bzw. über eine Leitung 35 den Zufluss zur Unterseite dieses Kolbens beherrscht. Der Kolben 34 ist in einem Zy linder 36 angeordnet.
Er bildet zusammen ir@it diesem den Laufradservomotor und ist über eine Verstellstange 37 mit dem Ver- stellmechanismus der Laufradscliaufelung verbunden. Die Rückführung der Steuerung erfolgt über eine Stange 38, welebe den Kol ben 34 mit dem linken Ende des Balkens 29 gelenkig verbindet.
Die Kurvenscheibe 25 ist in bekannter Weise so ausgebildet, dass jeder Stellung des Leitapparates eine Stellung der Laufrad- sehaufelung zugeordnet wird, bei welcher die Turbine den besten Wirkungsgrad erreicht.
Die beschriebene Einrichtung bildet das normale Reguliersy stein der Turbine.
Es wirkt folgendermassen Bei einer Drehzahlerhöhung wird durch die Wirkung des Drehzahlreglers 9 der Steuer schieber 12 angehoben. Dieser gibt dabei den Zufluss von Druckmittel über die Leitung 14 nach der linken Seite des Leitradserv omotor- kolbens 15 frei. Gleichzeitig gestattet er den Abfluss von Druckflüssigkeit von der rechten Seite des Kolbens 15 über die Leitung 16. Dabei wird der Kolben 15 nach rechts bewegt, was eine Drehung des Regelringes ä im Uhr zeigerdrehsinn und damit ein Schliessen des Leitapparates 1 bewirkt.
Gleichzeitig wird die Kurvenscheibe 25 gegen den Uhrzeigerdrehsinn geschwenkt. Sie gestattet dabei eine Abwärtsbewegung der Stange 26 unter der Wirkung der Feder 28. Der Steuerschieber 31 wird dabei ebenfalls nach unten bewegt. Er gibt so den Zufluss von Druckmittel über die Leitung 35 nach der Unterseite des Kolbens 34 frei, wobei gleichzeitig Flüssigkeit von der Oberseite des Kolbens 34 über die Leitung 33 abfliessen kann. Der Kolben 34 des Laufradserv omotors wird dabei angehoben, was nun auch ein Schliessen des Laufrades bewirkt.
Bei einer Drehzahlsenkung werden Bewe gungen in umgekehrter Richtung eingeleitet. Für den Fall, dass die normale Regelung nicht in der gewünschten Weise einzugreifen in der Lage ist. und die Turbine durchbrennt, ist nun eine besondere Sicherheitseinrichtung vorgesehen. Diese weist erstens einen Sicher heitsregler auf, welcher bei Erreichen einer bestimmten Überdrehzahl anspricht.
Bei der in Fig.1 dargestellten Ausführungsform ist dies ein Exzenterring 39, welcher auf die mit 40 bezeichnete Welle der Turbine aufge setzt ist und normalerweise durch eine Feder 41 in seiner Mittellage gehalten wird.- Als weiteres Regelorgan weist die Sicher heitseinrichtung ein in einem Zylinder 42 angeordnetes Kolbensystem mit Kolben 43, 44, 45, 46 auf, welches in das Flüssigkeits zuleitungssystem des Leitradservomotors 15, 17 eingebaut ist. Diese Kolben sind koaxial zueinander angeordnet und fest miteinander verbünden. Sie lassen zwischen einander Zwi schenräume 47, 48, 49 frei.
Das Kolbensystem ist links in .axialer Richtung-durch eine Feder 50 belastet, welcher auf der rechten Seite des Kolbens 46 in einem Raum 51 ein Flüs sigkeitsdruck entgegenwirkt. Der Zufluss von Druckflüssigkeit zum Raum 51 wird durch ein Vorsteuerventil 5,2 mit Kolben 53 be herrscht, welches über eine Leitung 54 mit einer Druckmittelquelle und über eine Lei tung 55 mit dem Raum 51 in Verbindung steht. Mit 5ö ist eine Abflussöffnung im Ventil 52 bezeichnet.
Durch eine Feder 57 werden die Kolben 53 normalerweise in einer Endlage gehalten, welche durch einen Winkelhebel 58 begrenzt wird. Dabei wird durch das Vorsteuerventil 52 eine Verbindung zwischen den Leitungen 54 und 55 hergestellt, so dass der Raum 51 mit der Druckmittelquelle verbunden ist. Die Abflussöffnung i56 wird dagegen durch den einen der Kolben 53 überdeckt.
Das Kolben system 43, 44, 45, 46 wird so in einer Endlage gehalten, bei welcher ein freier Durchfluss durch die Steuerleitungen 14 und 16 des normalen Reguliersystems nach den beiden Kolbenseiten des Leitradserv omötors 15, 17 freigegeben ist. Der Zwischenraum 47 zwi schen den Kolben 43 und 44 steht dabei so wohl >mit der Leitung 14 als auch mit dem Raum links des Kolbens 15 im Zylinder 17 in Verbindung, während der Raum 49 zwi schen den Kolben 45 und 46 sowohl mit der Leitung 16 als auch mit dem Raum rechts des Kolbens 15 im Zylinder 1'7 in Verbin dung steht.
Der Raum 48 zwischen den Kolben 44 und 45 steht dagegen über eine Leitung 59 mit der Förderseite einer Notpumpe <B>66</B> -in Verbindung. Diese wird über ein Getriebe 61 von der @Turbinenwelfe -40 äiis angetrieben. Diese Notpumpe ist in der Lage, Druck- flüssigkeit unter höherem Druck zu liefern, als das durch die Leitung 13 für die Betäti gung des Servomotors 15, 17 zufliessende Druckmittel aufweist.
Bei der in Fig.1 ge zeigten Lage des Kolbensystems 43, 44, 45, 46 kann indessen die von der Pumpe 60 ge lieferte Flüssigkeit aus dem Raum 48 durch eine Öffnung 62 wieder frei abfliessen.
Die Sicherheitseinrichtung wirkt nun fol gendermassen Bei Erreichen einer bestimmten Überdreh zahl vermag die unausgeglichene Fliehkraft des Exzenterringes 39 die Kraft der Feder 41 zu überwinden, so dass der Ring 39 aus schlägt. Der Winkelhebel 58, welcher nahe am Exzenterring 39 angeordnet ist, wird dabei durch Aufschlagen dieses Ringes gedreht. Dabei werden die Kolben 53 des Vorsteuer ventils 52 durch die Feder 57 nach links bewegt. Der Zufiuss von Druckmittel durch die Leitung 54 wird so abgesperrt, während Flüssigkeit aus der Leitung 55 durch die Öffnung 56 abfliessen kann.
Damit sinkt der Druck im Raum 51 und das Kolbensystem 43, 44, 45, 46 wird durch die Wirkung der Feder 50 nach rechts gedrückt.
Die dabei vom Kolbensystem 43, 44, 45, 46 und von den Kolben 53 des Vorsteuer- ventils 51 eingenommenen Lagen sind in Fig.2 dargestellt. Durch die Kolben 43 und 45 werden die Leitungen 14 und 16 des normalen Reguliersystems abgeschlossen. Der Raum 47 zwischen den Kolben 43 und 44 behält dagegen seine Verbindung mit dem Raum links des Kolbens 15 im Zylinder 17 bei.
Gleichzeitig wird er aber nun mit der Leitung 59 in Verbindung gesetzt, so dass von der Notpumpe 60 geliefertes Druckmittel höheren Druckes über die Leitung 5,9 und den Raum 47 nach der linken Seite des Kol bens 15 gelangen kann.
Der Raum 48 zwischen den Kolben 44 und 45 erhält eine Verbindung mit dem rechts des Kolbens 15 liegenden Raum im Zylinder 17, wobei er aber gleichzeitig die Verbindung mit der Abflussöffnung 62 bei behält. Es wird somit ein Abströmen von Plüssigkeit von der rechten Seite des Kolbens 75 über den Raum 48 durch die Öffnung 62 ermöglicht und der Leitapparat mit erhöhter Kraft geschlossen.
Bei der beschriebenen Sicherheitseinrich tung steht somit der aus dem Exzenterring 38 bestehende Sicherheitsregler mit dem die Kolben 43, 44, 45, 46 aufweisenden Regel organ in Wirkungsverbindung, und bei An sprechen des Sicherheitsreglers lässt dieses Regelorgan eine von der normalen Druck mittelversorgung des Reguliersystems der Turbine unabhängige stärkere Kraftquelle, nämlich das von der Notpumpe 60 gelieferte Druckmittel, in schliessendem Sinne auf den Leitapparat 1 der Turbine einwirken. Die beschriebene Sicherheitseinrichtung bewirkt nun zuverlässig ein Abstellen der Maschine, gleichgültig, aus welchem Grunde ein Durch brennen der Gruppe auftritt.
Dieses kann beispielsweise die Ursache haben in einem Versagen der Zufuhr der normalen Regel flüssigkeit zur Leitung 13, in einem Ver klemmen des Steuerkolbens 12 in seinem Ge häuse oder im Einklemmen eines Fremdkör pers zwischen zwei Leitschaufeln. Auch im letzteren Falle wird ein Schliessen des Leit- apparates bewirkt, da von der Notpumpe 60 aus bei Ansprechen der Sicherheitseinrich tung dem Leitradserv omotor 15, 17 Druck flüssigkeit mit erhöhtem Druck zugeführt wird.
Es kann so beim Einklemmen eines Fremdkörpers zwischen zwei Leitschaufeln höchstens zum Bruch einer oder mehrerer Leitschaufelsiclierungen kommen. Die übri gen Leitschaufeln werden aber ganz geschlos sen und bewirken so den Stillstand der Gruppe oder zumindest eine starke Herab setzung der Drehzahl auf einen ungefähr lichen Betrag.
Die vorteilhafte Wirkeng der beschrie benen Sicherheitseinrichtung ergibt sieh deut lich an Hand des Schaubildes der Fig. 3. Darin ist der Drehzahlverlauf bei einem Schliessvorgang dargestellt. Die Linie a stellt die normale Drehzahl dar, welche mit 100 % bezeichnet ist. Die Kurve b zeigt den Dreh- zahlverlauf, wie er sich bei Anwendung der bisher bekannten Sicherheitseinrichtungen ergeben kann. Es ist hierbei angenommen, dass der Leitapparat infolge Versagens der normalen Reguliereinrichtung nicht geschlos sen werden könne und bei Auftreten des Durchbrennens in seiner vollen Öffnungs stellung sei.
Bei den bisher bekannten Sicher heitseinrichtungen wird dann auf die Ver stellung der Laufradschaufelung eingewirkt und diese geschlossen. Die Kurve b gibt nun den Drehzahlverlauf bei einem solchen Vor gang, wobei die Abszisse des Schaubildes sich auf die Öffnung der Laufradschaufelung be zieht, welche hierbei durch die Sicherheits einrichtung beeinflusst wird. Mit Punkt A ist die Durehbrenndrehzahl bei voller Leit apparat- und Laufradöffnung dargestellt, welche etwas weniger als das Doppelte der normalen Drehzahl angenommen ist.
Auf diese Drehzahl steigt die Läuferdrehzahl a an in der Zeit, welche verstreicht zwischen der plötzlichen Entlastung der Turbine und dem Beginn der Schliessbewegung der Laufrad schaufeln, die durch die bekannte Sicherheits vorrichtung bewirkt wird.
Die Schliessbewegung des Laufrades bei festgehaltener voller Öffnung des Leitappa- rates bewirkt nun, dass die Drehzahl von dem Punkte A aus vorerst noch weiter ansteigt, bis sie in einem Punkte B bei etwa 25 % Laufradöffnung einen Höchstwert iil er reicht. Erst bei ganz kleinen Laufradöff- nungen fällt sie auf kleinere Werte als zu Beginn des Notschlusses. Bleibt das Leitrad bei einer etwas kleineren als der vollen Öff nung stehen, so kann sieh sogar eine noch etwas höhere Maximaldrehzahl ergeben als nach Punkt B.
Die Kurve e stellt dagegen den Drehzahl verlauf dar, welcher bei Betätigung der be schriebenen Sicherheitseinrichtung erhalten wird, wenn also, vom gleichen Punkt A aus. gehend, statt des Laufrades das Leitrad ge schlossen wird. Für die Kurve e ist somit als Abszisse die Leitapparatöffnung aufgetra gen, während dabei angenommen wird, da.ss die Laufradschaufelung ihre volle Öffnung beibehält. Bei diesem Schliessvorgang sinkt die Drehzahl sofort ab und geht schon auf die normale Drehzahl zurück, bevor die Leit- appa.ratöffnung auf einen Viertel ihres vollen Betrages vermindert ist.
Es ergibt sich somit eine wesentliche Verbesserung gegenüber dem Verlauf nach der Kurve b.
Tritt das Durchbrennen bei Teillast auf, so ergeben sich unter Umständen etwa höhere Durchbrennzahlen als gemäss dem Punkt A. Mit der Kurve c sind die Durchbrenndreh- zahlen in Funktion der Leitapparatöffnung aufgetragen, wenn jeder Leitapparatöffninmg jene Laufradöffnung zugeordnet ist welche im normalen Betrieb den besten Wirkungs grad ergibt, das heisst, wenn es sich um eine Zuordnung zwischen Laufradöffnung und Leitapparatöffnung handelt,
wie sie durch die Kurvenscheibe<B>2</B>5 der normalen Regulier einrichtung gemäss Fig.1 festgelegt ist.
Hier ergibt sich eine grösste Durchbrenn- drehzahl n2 bei einer Leitapparatöffnung ge mäss dem Punkte C. Wird aber von irgend einem Punkte der Kurve c ausgehend beim Durchbrennen die erfindungsgemässe Sicher heitseinrichtung angewendet, so kann die Drehzahl nie die dem Punkte C entspre- ehende Durchbrenndrehzahl überschreiten, welche selbst wesentlich kleiner ist als die bei bisher üblichen Sicherheitseinrichtungen durchlaufene grösste Drehzahl.
Tritt bei spielsweise bei einer dem Punkte D der Kurve c entsprechenden Leitapparatöffnung und entsprechend zugeordneter Laufradstel- lung ein Durchbrennen auf, so steigt die Drehzahl bis auf einen durch den Punkt D dargestellten Wert an. Wird nun wieder durch die erfindungsgemässe Sicherheitsein richtung auf den Leitapparat eingewirkt und dieser bei gleichzeitigem Festhalten der Lauf radschaufelstellung geschlossen, so ergibt sich ein Drehzahlverlauf gemäss der Kurve d. Auch hier fällt also die Drehzahl sofort ab.
Allgemein ist also zu sagen, dass bei An wendung der erfindungsgemässen Sicherheits einrichtung Drehzahlen, welche oberhalb der Kurve c liegen, zuverlässig vermieden wer den, während bei den bisher üblichen Ein- richtungen mit wesentlich höheren überdreh zahlen gerechnet werden musste.
Anstatt, wie dargestellt, bei der Sicher heitseinrichtung als unabhängige stärkere Kraftquelle von einer Notpumpe geförderte Flüssigkeit zu verwenden, kann auch irgend eine andere unabhängige stärkere Kraftquelle verwendet werden. Es kann hierbei beispiels weise auch für die Betätigung des Leit.rad- servomotors Druckflüssigkeit verwendet wer den, welche von einem Notwindkessel oder einem Gewichtsakkumulator bezogen wird.
Dabei wäre etwa bei der in Fig. 1 darge stellten Einrichtung die Leitung 59, statt mit der Notpumpe 60, mit diesem Windkessel oder Gewichtsakkumulator zu verbinden, wäh rend die öffnung 62 bei der normalen Stel lung der Kolben 43, 44, 45, 46 nicht mit dem Raum 48 in Verbindung stehen dürfte, son dern an eine Stelle zu legen wäre, an welcher sie durch den Kolben 45 abgeschlossen würde.
Statt einer Druckflüssigkeit als unabhän gige stärkere Kraftquelle können auch rein mechanische Mittel, beispielsweise in schlie ssendem Sinne auf den Leitapparat einwir kende Gewichte oder Federn verwendet wer den, oder es können beispielsweise auch elek trische Mittel zur Einwirkung auf den Leit- apparat gebracht werden.
Safety device on a Kaplan turbine The invention relates to a safety device on a Kaplan turbine for the 1'a11 of burnout.
In Kaplan turbine systems that do not have a special closing element in the water inlet, it is customary to close the impeller blades with a so-called emergency closing device when the group burns through, in order to limit the duration of the burnout.
For example, after a safety pendulum has responded, when a certain over-speed is reached, increased oil pressure is allowed to act on the closing side of the impeller servomotor in order to close the blades by means of the normal impeller regulating mechanism. The pressure oil is supplied by an emergency pump or taken from an accumulator.
However, this method has the disadvantage that the speed initially increases further as a result of the closing of the impeller blades if the stator is strongly open at the moment the safety pendulum is activated and stops at a large opening. Under certain circumstances, the speed can increase so much that it reaches the maximum possible value, only to drop again when the impeller blades are closed to an opening amount of about 25% of the full opening.
Only when very small impeller openings are reached does the speed return to lower values than when the safety device responded.
As a result of the increased burn-through speed and the resulting increase in the centrifugal forces of the parts to be moved, the friction forces to be overcome during the closing movement of the impeller blades increase significantly. For the closing of the impeller blades when it burns out, forces are then required which are several times those at normal speed.
Since the Ra-am available for accommodating the adjustment mechanism in the impeller hub is very limited, however, the reinforcement of the adjustment mechanism for the impeller blades, especially in the case of steep gradients, presents considerable difficulties.
In the previously known safety devices, the conditions prevailing at the beginning of the burnout are therefore initially worsened by the action of the Sieherheiteinriehtung itself, by initially increasing the speed against the desired effect and thereby increasing the forces required to close the impeller blades will. The strong increase in speed can also cause undesirable vibrations in the gang's gait.
In addition, the greater kinetic energy stored in the rotor as a result of the higher speed also causes a prolongation of the coasting of the group with overspeed after the impeller is closed.
The aim of the invention is to avoid the disadvantages mentioned in a safety device of a Kaplan turbine in the event of a burnout, which has a safety regulator which responds when a certain overspeed of the turbine is reached. For this purpose, the safety regulator is in operative connection with a regulating organ which, when the safety regulator responds, allows a stronger power source to act on the turbine nozzle, which is independent of the normal pressure medium supply to the regulating system of the turbine.
In the drawing, an embodiment example of the subject invention is illustrated in a simplified representation. The figures show: FIG. 1 the entire control device of a Kaplan turbine with the safety device, and FIG. 2 a detail of the safety device in the position after the safety controller has responded.
Fig. 3 also shows the effect of the Sicherheitseinrich device on the speed curve after Anspre chen the safety controller using a visual image.
The Kaplan turbine has a diffuser 1 and an impeller 2. The diffuser controls the flow of process water to the impeller. In the illustrated Regelein direction, the diffuser is drawn spatially separated from the impeller for the sake of clarity. It has rotatable guide vanes 3, which are connected to a rotatable control ring 6 via levers 4 and control rods 5.
The impeller has a hub 7 with rotatable blades 8, which are actuated by a mechanism arranged in the hub 7 adjusting.
The adjustment of the diffuser as well as the impeller blades is normally controlled by a speed controller 9. This engages the left end of a balance beam 10, to which a control slide 12 is articulated via a rod 11.
The control slide 12 controls the flow of pressure medium from a line 13 via a line 14 to the left side of a servomotor piston 15 or via a line 16 to the right side of this servomotor piston. The piston 15 is arranged in a cylinder 17. and with this forms the stator servo motor. It is connected to a lever 19 of the rule ring 6 via a rod 18.
The return of the control by the movement of the servomotor piston 15 takes place via a piston rod 20, an angle lever 21 and a further rod 22 which is articulated on the right end point of the beam 10.
The operation of the blades 8 he follows in a certain assignment for the adjustment of the diffuser. For this purpose, the rod 18, which is extended beyond the point of application of the lever 19, is connected via a lever 23 to a cam 25 which can be pivoted about an axis 2-1. A vertically displaceable in its axial direction rod 26 with roller 27 is constantly pressed by a spring 28 against the cam 25 so that the roller 27 runs on the cam when the cam moves. The upper end of the rod 26 engages a beam 29.
A control slide 31 is articulated to this via a rod 30, which controls the inflow of pressure medium from a line 32 via a line 33 to the upper side of a servo motor piston 34 or via a line 35 the inflow to the underside of this piston . The piston 34 is arranged in a cylinder 36 Zy.
Together with it, it forms the impeller servo motor and is connected to the adjustment mechanism of the impeller clutch via an adjusting rod 37. The control is returned via a rod 38, welebe the Kol ben 34 with the left end of the beam 29 articulated.
The cam disk 25 is designed in a known manner such that each position of the guide apparatus is assigned a position of the impeller sehaufelung at which the turbine achieves the best efficiency.
The device described forms the normal Reguliersy stone of the turbine.
It acts as follows When the speed increases, the control slide 12 is raised by the action of the speed controller 9. This releases the flow of pressure medium via line 14 to the left of the stator servomotor piston 15. At the same time, it allows pressure fluid to flow from the right side of the piston 15 via the line 16. The piston 15 is moved to the right, which causes the control ring to rotate in a clockwise direction and thus to close the diffuser 1.
At the same time, the cam 25 is pivoted counterclockwise. It allows a downward movement of the rod 26 under the action of the spring 28. The control slide 31 is also moved downward. It thus releases the inflow of pressure medium via the line 35 to the underside of the piston 34, while at the same time liquid can flow away from the top of the piston 34 via the line 33. The piston 34 of the impeller serv omotors is raised, which now also causes the impeller to close.
When the speed is reduced, movements are initiated in the opposite direction. In the event that the normal regulation is not able to intervene in the desired manner. and the turbine burns out, a special safety device is now provided. Firstly, this has a safety controller which responds when a certain overspeed is reached.
In the embodiment shown in Figure 1, this is an eccentric ring 39, which is placed on the shaft designated 40 of the turbine and is normally held in its central position by a spring 41.- As a further control element, the safety device has a cylinder 42 arranged piston system with piston 43, 44, 45, 46, which is built into the liquid supply line system of the stator servomotor 15, 17. These pistons are arranged coaxially to one another and are firmly connected to one another. They leave spaces 47, 48, 49 between each other.
The piston system is loaded on the left in .axial direction by a spring 50, which counteracts a liquid pressure on the right side of the piston 46 in a space 51. The flow of pressure fluid to space 51 is controlled by a pilot valve 5.2 with piston 53, which is connected to space 51 via a line 54 with a pressure medium source and via a line 55. A drain opening in the valve 52 is designated by 5ö.
The pistons 53 are normally held in an end position by a spring 57, which is limited by an angle lever 58. In this case, a connection between the lines 54 and 55 is established by the pilot valve 52, so that the space 51 is connected to the pressure medium source. The outflow opening i56, on the other hand, is covered by one of the pistons 53.
The piston system 43, 44, 45, 46 is held in an end position at which a free flow through the control lines 14 and 16 of the normal regulating system to the two piston sides of the Leitradserv omotor 15, 17 is released. The space 47 between the pistons 43 and 44 is connected to the line 14 as well as to the space to the left of the piston 15 in the cylinder 17, while the space 49 between the pistons 45 and 46 is connected to the line 16 as well as with the space to the right of the piston 15 in the cylinder 1'7 in connection.
The space 48 between the pistons 44 and 45, on the other hand, is connected via a line 59 to the delivery side of an emergency pump 66. This is driven via a gear 61 from the turbine welfe -40. This emergency pump is able to deliver hydraulic fluid at a higher pressure than the pressure medium flowing through the line 13 for actuating the servo motor 15, 17 has.
When the position of the piston system 43, 44, 45, 46 shown in FIG. 1, the liquid delivered by the pump 60 can flow freely from the space 48 through an opening 62.
The safety device now acts as follows. When a certain overspeed is reached, the unbalanced centrifugal force of the eccentric ring 39 is able to overcome the force of the spring 41, so that the ring 39 strikes out. The angle lever 58, which is arranged close to the eccentric ring 39, is rotated by striking this ring. The piston 53 of the pilot valve 52 is moved by the spring 57 to the left. The inflow of pressure medium through the line 54 is shut off, while liquid can flow out of the line 55 through the opening 56.
The pressure in the space 51 thus drops and the piston system 43, 44, 45, 46 is pressed to the right by the action of the spring 50.
The positions assumed by the piston system 43, 44, 45, 46 and by the piston 53 of the pilot control valve 51 are shown in FIG. The lines 14 and 16 of the normal regulating system are closed by the pistons 43 and 45. The space 47 between the pistons 43 and 44, on the other hand, maintains its connection with the space to the left of the piston 15 in the cylinder 17.
At the same time, however, it is now connected to the line 59, so that pressure medium at a higher pressure supplied by the emergency pump 60 can reach the left side of the piston 15 via the line 5.9 and the space 47.
The space 48 between the pistons 44 and 45 is connected to the space located to the right of the piston 15 in the cylinder 17, but at the same time it maintains the connection with the discharge opening 62. An outflow of liquid from the right side of the piston 75 via the space 48 through the opening 62 is thus made possible and the diffuser is closed with increased force.
In the described safety device, the safety regulator consisting of the eccentric ring 38 is in operative connection with the regulating organ having the pistons 43, 44, 45, 46, and when the safety regulator is speaking, this regulating organ leaves one of the normal pressure medium supply of the turbine regulating system independent stronger power source, namely the pressure medium supplied by the emergency pump 60, act in a closing sense on the guide apparatus 1 of the turbine. The described safety device now reliably stops the machine, regardless of the reason for the group to burn through.
This can be caused, for example, in a failure of the supply of the normal rule fluid to the line 13, in a Ver jamming of the control piston 12 in its Ge housing or in the jamming of a Fremdkör pers between two guide vanes. In the latter case, too, the control apparatus closes because, when the safety device responds, the emergency pump 60 supplies pressure fluid to the control wheel servomotor 15, 17 at increased pressure.
If a foreign body is trapped between two guide blades, at most one or more guide blade claddings can break. The rest of the guide vanes are completely closed and thus cause the group to come to a standstill or at least a strong reduction in speed to an approximate level.
The advantageous action of the safety device described is shown clearly by means of the diagram in FIG. 3. This shows the speed curve during a closing process. The line a represents the normal speed, which is denoted by 100%. The curve b shows the speed curve as it can result from the use of the previously known safety devices. It is assumed here that the diffuser cannot be closed due to the failure of the normal regulating device and that it is in its fully open position when the burnout occurs.
In the previously known safety devices, the adjustment of the impeller blades is then acted upon and closed. The curve b now gives the speed profile in such a process, the abscissa of the graph referring to the opening of the impeller blades, which is influenced by the safety device. Point A shows the burn-out speed with full control apparatus and impeller opening, which is assumed to be slightly less than twice the normal speed.
At this speed, the rotor speed a increases in the time that elapses between the sudden relief of the turbine and the start of the closing movement of the impeller, which is effected by the known safety device.
The closing movement of the impeller while holding the diffuser fully open now causes the speed to increase from point A for the time being until it reaches a maximum value at a point B at about 25% impeller opening. Only when the impeller is very small does it drop to lower values than at the beginning of the emergency shutdown. If the guide wheel stops at a slightly smaller than full opening, the maximum speed can even be slightly higher than according to point B.
The curve e, on the other hand, represents the course of the speed, which is obtained when the safety device described is actuated, if so from the same point A. going, instead of the impeller, the stator is closed. For curve e, the diffuser opening is thus plotted as the abscissa, while it is assumed that the impeller blade retains its full opening. During this closing process, the speed drops immediately and goes back to the normal speed before the opening of the control unit is reduced to a quarter of its full amount.
There is thus a significant improvement over the course according to curve b.
If the burn-through occurs at partial load, the number of burn-throughs may be higher than in point A. Curve c shows the burn-through speeds as a function of the diffuser opening, if each diffuser opening is assigned that impeller opening which is most effective in normal operation degree results, i.e. if there is an assignment between the impeller opening and the diffuser opening,
as it is determined by the cam disc <B> 2 </B> 5 of the normal regulating device according to FIG.
This results in a maximum burn-through speed n2 with a diffuser opening according to point C. If, however, starting from any point on curve c, the safety device according to the invention is used during burn-out, the speed can never exceed the burn-through speed corresponding to point C. , which itself is significantly lower than the highest speed passed through with safety devices that have been used up to now.
If, for example, a burnout occurs at a diffuser opening corresponding to point D of curve c and a correspondingly assigned impeller position, the speed increases to a value represented by point D. If the safety device according to the invention is again acted on the diffuser and this is closed while holding the impeller blade position, the result is a speed curve according to curve d. Here too, the speed drops immediately.
In general, it can be said that when the safety device according to the invention is used, speeds which are above curve c are reliably avoided, whereas with the devices customary up to now, significantly higher overspeed had to be expected.
Instead of using liquid conveyed by an emergency pump as an independent, more powerful power source in the safety device, as shown, any other independent, more powerful power source can also be used. In this case, for example, hydraulic fluid can also be used to operate the Leit.rad- servomotor, which is obtained from an emergency air tank or a weight accumulator.
In this case, for example, in the device shown in FIG. 1, the line 59 would be connected to this air tank or weight accumulator instead of the emergency pump 60, while the opening 62 in the normal position of the pistons 43, 44, 45, 46 would not with the space 48 is likely to be in communication, son countries would have to be placed at a point at which it would be closed by the piston 45.
Instead of a pressure fluid as an independent stronger power source, purely mechanical means, for example weights or springs acting on the guide apparatus in a closing sense, can also be used, or, for example, electrical means can also be brought to act on the guide apparatus.