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Rückführung an Leitrad-und/oder Laufrad-Verstelleinrichtungen für
Strömungsmaschinen, insbesondere für Wasserturbinen Zum Einstellen der Schaufeln
von Strömungsmaschinen, insbesondere von Wasserturbinen, entsprechend dem jeweiligen
Belastungszustand sind große Kräfte erforderlich. Als Verstellkraft wirkt beispielsweise
Öldruck über Stellmotoren auf die Schaufeln. Die zu diesen Stellmotoren gehörenden
Steuerventile müssen nach jeder Einstellbewegung wieder in ihre Mittellage zurückgeführt
werden, damit die Stellmotorenkolben nicht in ihre Endstellungen laufen. Der Hub
der Öldruckstellmotoren muß dazu mit sehr grober Genauigkeit zum Regler übertragen
werden.
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Bisher ist es bekannt, derartige Übertragungseinrichtungen, sogenannte
Rückführungen, als mechanische oder hydraulische Einrichtungen auszubilden. Dazu
sind umfangreiche Rückführungsgestänge, -seile oder -bänder erforderlich, da es
im allgemeinen nicht möglich ist, Regler und Stellmotoren nahe beieinander anzuordnen.
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Nachteilig bei mechanisch ausgebildeten Rückführungen ist das Spiel
in den Gelenken, das zu Ungenauigkeiten in der Übertragung und damit der Regelung
der Schaufeleinstellungen führt. Auch treten bei mechanischen Rückführungen, insbesondere
bei Band-oder Seilrückführungen, auf Grund der Elastizität der verwendeten ZVerkstoffe
Schwingungen auf, welche eine genaue Regelung beeinträchtigen.
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Hydraulische Rückführungen sind besonders empfindlich gegen Temperatureinflüsse
und Ölverluste. Auch beeinflußt die Zusammendrückbarkeit der verwendeten Druckmittel
die einzelnen Regelvorgänge erheblich.
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Soweit bereits eine elektrisch gesteuerte Rückführeinrichtung für
Strömungsmaschinen bekanntgeworden ist, handelt es sich um eine elektromagnetische
Steuereinrichtung, die von zwei unabhängigen Stromquellen gespeist wird und als
Widerstandsschaltung ausgebildet ist. Fällt die eine Stromquelle aus, so wird dadurch
in ungünstiger Weise die Rückführeinrichtung verstellt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine elektrische Steuereinrichtung
zu schaffen, die sich selbsttätig dem jeweiligen Belastungszustand der Strömungsmaschine
ohne praktisch meßbare Zeitdifferenz anpaßt und auch bei Ausfall der Stromquelle
sicherheitsmäßig einwandfrei arbeitet.
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Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst, daß die Impulsgeber
Stromerzeuger und die Impulsempfänger Synchronmotoren sind. Dabei ist jeder Synchronmotor
über von einem elektrischen Verstellmotor angetriebene mechanische Verstellglieder
mit einer Rückführwelle verbunden.
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Durch die Einschaltung von mechanischen Verstellgliedern, die beispielsweise
eine von der Welle des elektrischen Verstellmotors angetriebene Spindel aufweisen,
wird bei Stromausfall der einen Stromquelle, die für die erfindungsgemäße Einrichtung
notwendig ist, die Rückführeinrichtung nicht weiterverstellt. Die Selbsthemmung
der Spindel verhindert ein unerwünschtes Verstellen.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsforti ist jeder elektrisch gesteuerte
Verstellmotor über eine Rückführwelle mit dem Steuerhebel für das Leitrad- bzw.
das Laufradsteuerventil verbunden, wobei auf der Leitradrückführwelle zwei Kurvenscheiben
zur abhängigen Verstellung des Leitrad- und des Laufradsteuerhebels befestigt sind.
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Eine derartige Verwendung einer elektromechanischen Welle hat den
wesentlichen Vorteil, daß die Aufstellung des Reglers nicht mehr platzgebunden ist.
Die elektrische Rückführung sowohl für die Leitrad- als auch für die Laufradverstellung
arbeitet unabhängig von Temperatur- und Reibungseinflüssen und ohne praktisch meßbare
Zeitdifferenz.
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Um die zur Verstellung notwendigen großen Kräfte aufzubringen, ist
jedem elektrisch gesteuerten Verstellmotor ein hydraulischer Kraftverstärker nachgeschaltet,
der mit den Rückführwellen für,das Leitrad bzw. für das Laufrad kraftschlüssig verbunden
ist. Für den Gleichlauf der Impulsgeber und der Impulsempfänger sowie für deren
Eingangsspannung ist eine Merwachungseinrichtung vorgesehen.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigt Abb. 1 eine schematische Darstellung einer elektromechanischen Rückführung
der Leitrad- und Laufradstellung an einer Kaplanturbine,
Abb.2 eine
schematische Darstellung einer abgeänderten elektromechanischen Rückführung der
Ver-,#tellung der Laufräder an einer Rohrturbine, Abb.3 eine Sicherheitsschaltung.
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In dein Ausführungsbeispiel der Abb. 1 hat der Turbinenregler (nicht
dargestellt) einen Steuerstift 1 a. od. dgl., der im Drehpunkt 1 an einem Leitradsteuerhebel2
angreift. Durch eine Drehung dieses Leitradsteuerhebels 2 um den Drehpunkt 5 wird
der Kolben 3 eines Leitradsteuerventils4 beispielsweise aus der Mittellage verschoben
und damit dem Leitradstellmotor 6 über die Leitungen 6a und 6b ein Druckmittel,
z. B. 01, zugeführt oder entzogen.
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Mit der dadurch hervorgerufenen Verschiebung der Stange 8 des Kolbens
7 bewegt sich eine daran unmittelbar oder mittels Zwischengliedern angebrachteZahntange
9 und verdreht über ein Ritzel 10 einen elektrischen Impulsgeber 11 (Synchrongenerator).
Über die Leitung 11a wird in dem elektrischen Impulsempfänger 12 (Synchronmotor)
eine Spannung erzeugt, so daß dieser Impulsempfänger 12 Tiber die Leitung 12a einen
Verstärker 13 und einen damit verbundenen elektrischen Verstellmotor 14 in Drehung
versetzt. Die erforderliche Spannung für den Verstärker 13 wird über die elektrische
Speiseeinrichtung 15 zur Verfügung gestellt.
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Der Verstellmotor 14 verdreht eine Spindel 16 und bewegt dadurch über
die Spindelmutter 17 den Vorsteuerstift 18 einer hydraulischenVerstärkungseinrichtung
19-auf und ab. Über diese hydraulische Verstärkung 19 wird die Leitradrückführivelle
22 verdreht und stellt dabei über eine Steuerkurve 23 oder ein ähnliches Steuerelement
den Leitradsteuerhebel 2 und damit den Kolben 3 des Steuerventils 4 auf dieAusgangsstellung
(Mittellage) zurück. Der Drehpunkt für diese Bewegung liegt im wesentlichen im Drehpunkt
1. Somit bleibt der Kolben 7 des Leitradstellmotors 6 in :einer neu eingenommenen
Stellung stehen.
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Um ein Überdrehen der Leitradrückführwelle 22 zu vermeiden, wird die
mit der Spindelmutter 17 verbundene Zahnstange 20 verschoben und über das darin
eingreifende Ritzel 21 der Impulsempfänger 12 verdreht. Hierdurch wird die Eingangsspannung
am Verstärker 13 unterbrochen, so daß der Verstellmotor 14 stehenbleibt.
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Diese Rückführeinrichtung bzw. Verstelleinrichtung ist so aufgebaut,
daß einem bestimmten Weg am.Impulsgeber 11 ein genau entsprechender Weg am Impulsempfänger
12 bzw. am Verstellmotor 14 zugeordnet ist.
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'"lit der Drehung der Leitradriickführwelle 22 wird über die Laufradsteuerkurve
24 oder ein entsprechendes anderes Steuerelement der Laufradsteuerhebel34 verstellt.
Damit wird über das Laufradsteuerventil 33 die Verstellung der Schaufeln 25 des
Laufrades entsprechend der neuen Stellung derLeitschaufeln 8a eingeleitet. Die Schaufeln
25 des Laufrades werden dabei über den Laufradstellmotor verstellt (nicht dargestellt),
der sich in der Turbinenwelle oder in der Laufradnabe befindet. Das Ölzuführungsrohr
26 in der hohlen Turbinenwelle ist mit dem Laufradstellmotor verbunden. Durch die
Bewegung des Ölzuführungsrohres 26 wird der Impulsgeber 27 mittels der zwischengeschalteten
Ritzel27a verdreht. Hierdurch entsteht an dem Impulsempfänger 29 eine Spannung,
wodurch über den Verstärker 30 der Verstellmotor 31 in Drehung versetzt wird. Über
die Spindel 31u bewegt sich die Mutter 31b; damit wird der Vorsteuerstift 31 c auf-
oder abwärts bewegt. Über die hydraulische V erstärkungseinrichtung 32 wird dann
die Laufradrückführwelle 28 gedreht. Diese Drehbewegung wird auf den Laufradsteuerhebel
34 übertragen. Der Kolben des Laufradsteuerventils 33 geht in seine Mittellage (Ausgangsstellung)
zurück. Dadurch werden über das ölzuführungsrohr 26 und den Laufradstellmotor die
Lauf radschaufeln 25 verstellt.
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Der Verstellvorgang hat damit sein Ende gefunden. Die in Abb. 2 dargestellte
Ausführungsform ist iii ähnlicher Weise aufgebaut. Als Stellmotoren zur Verstellung
der Laufradschaufeln sind zwei Stehzylinder 384 mit Stellkolben angeordnet, an deren
Kolbenstangen die Zahnstangen 384a. angebracht sind. Diese drehen bei ihrer Bewegung
die Ritzel 384 b und damit die Impulsgeber 1004. Diese Impulsgeber 1004 als Generatoren
übertragen eine Spannung auf die Impulsempfänger 1007, die Strom über Verstärker
an die Motoren 1008 abgeben. Diemit denWellen dieser Verstellmotoren 1008 verbundenen
Spindeln 1009 bewegen die Spindelmuttern 1009a. und damit einerseits die Vorsteuerstifte
1010 und die Zahnstangen 1006. Die Bewegung der Vorsteuerstifte 1010 wird durch
die hydraulischen Verstärker 1015 verstärkt und über die Laufradsteuerhebel 1015a
auf die Kolben 351 der Laufradsteuerventile 354 übertragen. Mit der Bewegung der
Zahnstangen 1006 drehen sich die Ritzel 1005 und damit die Impulsempfänger 1007,
die dann die Stromzufuhr zu den `rerstellmotoren 1008 abschaltet.
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Wird also von dem Steuerelement des Reglers durch Drehen der Steuerkurven
352 ein Verstellvorgang eingeleitet, so bewegen sich zunächst die Steuerventile
354 aus ihrer Mittellage. Die Laufradstellmotoren 384 werden mit Öl beaufschlagt,
und ihre Stellkolben bewegen sich dadurch in den entsprechenden Richtungen. Damit
bewegen sich auch über die Zahnstangen 384a. die Impulsgeber 1004, so daß daran
der Rückführungsvorgang eingeleitet wird, wobei die Steuerventile 354 wieder in
ihre Mittellage zurückgehen.
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Die vorbeschriebene elektromechanische Rückführung zeichnet sich dadurch
aus, daß sie schneller reagiert als der Turbinenregler selbst. Erhöht wird die schnelle
Reaktionsfähigkeit durch die Verwendung kleinster Verstellmotoren mit nachgeschalteter
hydraulischer Kraftverstärkung. Die elektrische Speiseeinrichtung 15 (Abb. 1) hat
beispielsweise eine Eingangsspannung von 220 Volt Wechselstrom. Der Speisestrom
beträgt etwa 1 Amp.
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Wenn auch die Einrichtung vom Vorhandensein einer Wechselspannung
abhängig ist, so hat ein allgemeiner Stromausfall im Kraftwerk keine nachteiligen
Folgen auf die Arbeitsweise der Anlage. Da in diesem Falle alle Pumpen und Hilfseinrichtungen
auch ausfallen, wird bei allgemeinem Stromausfall die Turbine über den Schnellschluß
geschlossen. Gleichzeitig schließt das Absperrorgan vor der Turbine.
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Bei Stromausfall bleibt der Drehpunkt 5 (vgl. Abb.1) stehen und ändert
sich nicht mehr, da infolge der Selbsthemmung der Spindeln 16 und 31 a die Vorsteuerstifte
18 und 31 c ihre Lagen von selbst nicht verändern können. Solange bei Stromausfall
keine Verstellbewegung eingeleitet wird, hat der Ausfall auf die Sicherheit der
Anlage keine nachteiligen Folgen.
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Zur Sicherung gegen Unfälle kann die vorbeschriebene Verstelleinrichtung
mit einer Überwachung ausgerüstet sein, die folgendermaßen arbeitet: Wenn die Stehkolbenstange
8 der Leitradverstellung und damit der Impulsgeber 11 .eine bestimmte Bewegung ausführen,
ohne daß der Impulsempfänger 12 den entsprechenden Weg zurücklegt, wird die Gitterspannung
einer Elektronenröhre verändert (vgl. Abb. 3, Bezugszeichen P121) und über
entsprechende Verstärker
der Haltestrom eines elektrischen Schaltschützes
unterbrochen. Das Schaltschütz fällt ab und löst dadurch den Schnellschluß und das
Turbinenabsperrorgan aus. Das Schaltschütz erhält seinen Haltestrom von der Speiseeinrichtung
15 der vorbeschriebenen Verstelleinrichtung, so daß auch bei Ausfall der Speiseeinrichtung
die Schnellschlußaüslösung gesichert ist.
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Der Auslösepunkt der Überwachung ist im Rahmen einer zulässigen Wegdifferenz
zwischen Impulsgeber 11 und Impulsempfänger 12 einstellbar.