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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung der
Zustandsänderungen von Wärmekraftmaschinen, beispielsweise während des Anlaufvorganges,
nach Maßgabe eines die Materialbeanspruchung bestimmenden Temperaturgefälles (Temperaturgradient)
in einem gefährdeten Maschinenteil und einer die zulässige Werkstoffestigkeit kennzeichnenden
Temperatur dieses Maschinenteiles, wobei beide Meßwerte als elektrische Spannungen
dargestellt sind.
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Es sind Oberwachungseinrichtungen bekannt (Schweizer Bauzeitung,
1959, H. 20, S. 310 und 311), welche die Aufgabe haben, unzulässige Wärmespannungen
innerhalb einerWärmekraftmaschine während des Anlaufes zu vermeiden. Die Wärmespannungen
sind auf unterschiedliche Temperaturen in einem Bauteil zurückzuführen. Sie werden
zum Teil durch eine meistens vorhandene ungleiche Temperaturverteilung in der Umgebung
des Bauteiles verursacht, so daß dann bereits im Beharrungszustand, also quasistationärer
Wärmefluß, eine Wärmespannung vorhanden ist. Maßgebend sind im allgemeinen jedoch
die Temperaturänderungen, denen das Bauteil bei instationären Vorgängen ausgesetzt
wird. Diese werden bei Wärmekraftmaschinen verursacht durch Aufwärmen der kalten
Maschine, durch Abkühlen der heißen Maschine, durch Zustandsänderungen des Strömungsmittels
infolge der mit den Laständerungen verbundenen thermodynamischen Vorgänge in der
Maschine oder Zustandsänderungen des Strömungsmittels vor der Maschine. Die Größe
der Wärmespannungen steigt unter anderem mit der Änderungsgeschwindigkeit dieser
Vorgänge. Die geschilderten Verhältnisse sind in der Zeitschrift »Elektrizitätswirtschaft«,
1957, H. 22, insbesondere Seite 828, abgehandelt worden. Zusammenfassend kann gesagt
werden, daß der Temperaturgradient ein sicherer Maßstab für die Wärmespannungen
ist und daß er um so kleiner gehalten werden muß, je höher das Temperaturniveau
liegt, d. h., je niedriger die davon abhängige Materialfestigkeit wird.
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Um das Überschreiten der zulässigen Spannungen in dem Material zu
vermeiden, war es z. B. bei Dampfturbinen bisher üblich, insbesondere für das Anfahren
eine nicht zu überschreitende Dampf- oder Gehäusetemperaturänderung pro Zeiteinheit
festzulegen. Es wurden auch besonders zum Überwachen des Anfahrens Anfahranzeiger
entwickelt, die darin bestehen, daß an Mehrfachinstrumenten in Richtung des Temperaturgefälles
gemessene Temperaturunterschiede mit Richtwerten verglichen werden. Solche Richtwerte
enthalten im allgemeinen einen hohen Sicherheitsfaktor, weil die temperaturabhängige
zulässige Materialbeanspruchung nicht berücksichtigt werden kann, so daß einerseits
nicht die höchstzulässige Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur ausgenutzt werden
kann, andererseits immer noch die Gefahr besteht, daß in besonders ungünstigen Fällen
die zulässigen Spannungen in einzelnen Bauteilen überschritten werden und zu Störungen
führen.
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Als Folge einer unterschiedlichen Wärmedehnung im Läufer und Gehäuse,
beispielsweise einer Dampfturbine, ergibt sich eine Relativdehnung zwischen diesen
Bauteilen, die zum Streifen der bewegten an den feststehenden Teilen führen kann.
Bei der Steuerung oder Regelung der Maschine muß daher auch dieser Wert mit dem
entsprechenden Sicherheitszuschlag berücksichtigt werden. Durch den aus den
vorgenannten
Gründen gegenüber dem optimal Zulässigen stark verrninderten Richtwert ergibt sich
aber eine unnötige und unerwünschte Verminderung der zulässigen Temperaturänderung
des Strömungsmittels.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, die obengenannten Einflußgrößen in
einer Form verfügbar zu machen, die es gestattet, sie unmittelbar einem Regler zuzuführen.
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Damit wird es möglich, die Anlaufvorgänge zu automatisieren. Ein Regler
wird in jedem Augenblick die Belastung der Maschine unter voller Ausnutzung der
jeweils zulässigen Materialbelastbarkeit einstellen und läßt den Endzustand des
Betriebes in kürzest möglicher Zeit erreichen.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die dem Temperaturgradient
und der Temperatur zugeordneten elektrischen Spannungen durch Differenzbildung miteinander
verglichen werden und diese Differenz oder ihre zeitliche Ableitung als unmittelbar
verwendbare Leitgröße einem Lastregler zugeführt wird.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, die
Erwärmungsvorgänge an schwer zugänglichen, aber gefährdeten Maschinenteilen durch
geeignete Bemessung der Meßsonde zu simulieren und die Sonde selbst an leichter
zugänglichen Teilen anzubringen. Dies geschieht durch eine derartige Bemessung der
mit Hilfe von Isoliermaterialien beeinflußbaren Wärmeübergangswiderstände zwischen
Sonde und Meßort und der vom Sondenmaterial und -masse abhängenden Wärmekapazität
der Sonde selbst, daß das Temperaturgefälle demjenigen eines unzugänglichen Maschinenbauteiles
entspricht.
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Eine automatische Regelung des Anlaufvorganges kann dadurch erreicht
werden, daß die den Meßgrößen proportionalen Spannungen einem Lastregler derart
aufgeschaltet werden, daß der Lastregler bei Unterschreiten des Differenzwertes
der beiden Meßgrößen unter einen vorgegebenen Grenzwert entsprechend beeinflußt
wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen 1 und
2 dargestellt.
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In der F i g. 1 ist ein Ausschnitt der Gehäusewand einer Wärmekraftmaschine
mit der eingebauten Sonde 1 wiedergegebenen. An drei Punkten der Sonde 1 wird die
Temperatur mittels Thermoelementee 3, 4, 5 gemessen. Beim Einbau der Sonde 1 in
die Gehäusewand 2 ist berücksichtigt, daß die Meßstellen 3, 4 in der Richtung des
maximalen Temperaturgefälles liegen. Die Meßstelle 3 ist in unmittelbarer Nähe des
Betriebsmittelstromes angeordnet und derart ausgebildet, daß die gemessene Temperatur
mit der Oberflächentemperatur des zu iiberwachenden Bauteiles übereinstimmt. Die
Befestigung der Sonde 1 in der Gehäusewand 2 erfolgt durch eine vorzugsweise gegenüber
dieser wärmeisolierten Hülse 6. Das Material und die Form der Sonde 1 sind so gewählt,
daß das darin auftretende Temperaturgefälle dem in dem zu überwachenden Bauteil
entspricht. Dies wird, abhängig von der Form des zu überwachenden Bauteiles, durch
eine vorwiegend zylindrische oder kegelförmige Gestalt der Sonde 1 erreicht. Zur
Messung des Temperaturgefälles an einer unzugänglichen Stelle ist mit einer derartigen
Sonde 1 eine Pseudomessung möglich. Bei der angegebenen Gestaltung der Sonde 1 genügt
es, daß ihre Oberfläche analogen Bedingungen unterliegt wie
die
eines aus dem zu überwachenden Bauteil herausgeschnitten gedachten Elementes.
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Die Meßstelle 5 in der Sonde 1 mißt einen mittleren Temperaturwert.
Dieser Meßwert dient als Basis für die Bestimmung der zulässigen Wärmespannung.
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Es ist jedoch denkbar, daß hierfür auch einer der Meßwerte der Meßstellen
3 oder 4 mit verwendet wird.
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In der Fig. 2 ist dargestellt, wie die aus der Sonde 1 gewonnenen
Meßwerte umgeformt einem Anzeigeinstrument 7 und/oder einem Lastregler zugeführt
werden. Die Thermoelemente 3, 4 sind so hintereinandergeschaltet, daß die abgegebene
Spannung der Differenzweft A t aus den beiden Meßwerten der Thermoelemente 3, 4
ist. Diese Differenzspannung A t wird in dem übersetzen 8 in bekannter Weise so
verstärkt, daß die Ausgangsspannung Ul meßbar und der Materialbeanspruchung im Gehäuse
proportional ist. Dem Mehrfachinstrument7 aufgeschaltet, liefert diese Spannung
Ut den Anzeigewert 10, der somit ein Maß für die Beanspruchung der Maschine darstellt.
Dieser Meßwert muß sich nicht nur auf die Wärmebeanspruchung beziehen. In dem übersetzen
8 können zusätzliche, vorzugsweise von der Temperaturdifferenz A t abhängige Materialbeanspruchungen
mit eingeschleust bzw. durch Anderung des Übersetzungsverhältnisses, abhängig von
dt oder t, berücksichtigt werden, um deren Ausgangswert der tatsächlichen Materialbeanspruchungen
anzugleichen.
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Die von dem Thermoelement 5 gelieferte Spannung wird einem übersetzen
9 zugeführt und in eine meßbare, der Temperatur zugeordneten zulässigen Materialbeanspruchung
proportionale elektrische Spannung U9 umgeformt. Dieser Wert stellt den Grenzwert
dar, über den hinaus in keinem Betriebsfall die Materialbeanspruchung wachsen darf.
Die Spannung U2 wird vorteilhafterweise zweimal, und zwar mit entgegengesetzter
Ausschlagrichtung, dem Anzeigeinstrument 7 aufgeschaltet, so daß in übersichtlicher
Weise zwei Grenzwerte 11a und 11D angezeigt oder geschrieben werden, zwischen denen
die Anzeige 10 liegen muß. Dieser AnzeigewertlO ändert sich bei Temperatur- oder
Laständerungen und nähert sich z. B. bei zunehmender Last dem einen und bei Entlastung
dem anderen Grenzwert 11a bzw. 11b, um nach einiger Zeit bei konstanter Last wieder
auf einen kleineren konstanten Wert abzusinken.
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Da es außer der zulässigen Wärmespannung noch eine zweite vorherrschende
Grenze für die Temperaturänderung, nämlich die Relativdehnung zwischen dem Gehäuse
und dem Läufer einer Wärmekraftmaschine, gibt, kann diese ebenfalls, in eine Spannung
umgesetzt, dem übersetzen 9 zugeführt werden.
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Die Ausgangsspannung U2 am übersetzen 9 muß dann immer dem kleinsten
dieser zulässigen Grenzwerte entsprechen.
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Ist an einer Anlage bekannt, ab welcher Temperatur statt der zulässigen
Wärmespannung z. B. die Relativdehnung den Grenzwert bestimmt, so kann das Übersetzungsverhältnis
im übersetzen 9 ab dieser Temperatur von diesem neuen Meßwert als Funktion der Temperatur
so beeinflußt werden, daß er den Grenzwert für die Materialbeanspruchung ergibt.
Der Übersetzer 9 kann auch mit einer Vorrichtung zur Voreinstellung des Übersetzungsverhältnisses
versehen sein. Eine solche Vorrichtung, die in bekannter Weise in einem Spannungsteiler
bestehen kann, ist
auch erforderlich, um die Meßwerte der verschiedenen Meßstellen
gegenseitig anzupassen. In dem tÇbersetzer 9 können selbstverständlich noch weitere
Meßgrößen, die den Grenzwert der Materialbeanspruchung beeinflussen, mit berücksichtigt
werden.
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Es ist nun möglich, die Steuerung des Hochlaufes einer Wärmekraftmaschine
in optimaler Weise von einem Lastregler vornehmen zu lassen. Hierzu werden die an
den Übersetzern 8 und 9 abgegebenen, dem Ist- und Grenzwert der Materialbeanspruchung
proportionale Spannungen Ul und U2 dem Lastregler so aufgeschaltet, daß diese Meßwerte
für den Lastregler einen Grenzwert bilden. Mit Hilfe eines Gerätes 13, dessen Einrichtung
ohne Belang ist, wird die Differenz A U aus den an den Übersetzern 8, 9 abgegebenen
Spannungen Ut und U2 gebildet und dann der Lastreglereingangsspannung in bekannter
Weise so überlagert, daß der Lastregler bei Verminderung der Differenzspannung A
U unter den für die volle Lastregleraussteuerung erforderlichen Wert in zunehmendem
Maße gesperrt wird. Diese Lastreglersperrung erfolgt unabhängig von den übrigen,
in den Lastregler gegebenen Eingangsgrößen. Da der Differenzwert A U = 0 der Spannungen
Uj und U2 aus den Übersetzern 8, 9 gleichbedeutend mit dem durch die Meßstelle 5
und gegebenenfalls der Relativdehnung gegebenen Grenzwert für die Materialbeanspruchung
ist, wird somit die zulässige Temperaturänderung des Arbeitsmittels nicht überschritten.
Zur Verfeinerung dieser Grenzwertregelung können die bekannten Mittel angewendet
werden, wie die zusätzliche Aufschaltung des Differentialquotienten der Differenzspannung
A U oder der dem Istwert der Materialbeanspruchung entsprechende Spannung Ut am
Obersetzer 8, wie es in dem Schaltschema der Fig. 2 durch das Teil 12 dargestellt
ist. Bei dieser Grenzwertregelung kann die Lastrichtungsänderung durch Umkehrung
der Spannungspolarität einer der Spannungen vor der Differenzbildung erfolgen, so
daß immer die dem Laständerungszustand entsprechende Differenzspannung +A U bzw.
-d U an dem zugeordneten Regler für Be- oder Entlastung ansteht.