<Desc/Clms Page number 1>
Kupplung mit verschiebbarem Zahnkranz
Die Erfindung betrifft eine Kupplung zum Verbinden und Lösen einer Pumpe, z. B. einer Speicherpumpe und einer Wasserturbine während des Betriebes bei voller Drehzahl des Maschinensatzes. Verwendet wird sie bei Pumpspeicher-Maschinensätzen von Wasserkraftwerken, wo mit der Wasserturbine ein Synchrongenerator gekuppelt ist, welcher ausserhalb der Hauptbedarfszeiten als Asynchronmotor arbeitet.
Bisher sind verschiedene Ausführungen von Kupplungen zwischen Pumpe und Turbine bekanntgeworden. Die Verbindung erfolgt z. B. durch feste, mechanische, hydraulische oder elektromagnetische Kupplungen in horizontaler oder vertikaler Ausführung. Diese Kupplungen haben eine Reihe von Nachteilen. Die Pumpe arbeitet z. B. bei fester Kupplung stets als Ventilator ; dies verursacht einen hohen Energieverlust, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Maschinensatzes herabgesetzt wird. Bei mechanischen Kupplungen ist es für die Ein- oder Ausrückung nötig, die Drehzahl der Turbine auf ein Minimum herabzusetzen und dann wieder allmählich auf die volle Drehzahl zu erhöhen.
Dies widerspricht den normalen Anforderungen des Einrückens während des Betriebes, da die an das Netz angeschlossene, mit der Turbine festgekuppelte Synchronmaschine dabei ausser Tritt fällt. Zum hydraulischen Anwerfen der Pumpe wird gewöhnlich eine Peltonturbine verwendet, welche unter dem Unterwasserspiegel arbeiten muss ; dies erfordert ein kostspieliges Auspumpen des Wassers aus der Turbinenkammer. Elektromagnetische Kupplungen können für grosse Leistungen, welche bei Pumpspeicher-Maschinensätzen in der Regel in Betracht kommen, nicht verwendet werden.
Es ist ferner bekannt, anstelle einer Turbine zum Anwerfen einer belüfteten Pumpe einen synchronsierten Asynchronmotor zu verwenden, der dann mittels einer Zahnkupplung an den Hauptgenerator angekuppelt wird. Auch Kupplungsanordnungen, bei denen die Kupplung innerhalb des Rotors der Anwurfmaschine gelegen ist, sind schon vorgeschlagen worden. In allen diesen Ausführungen bereitete jedoch die Betätigung der Kupplung zahlreiche Schwierigkeiten.
Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu vermeiden. Sie besteht darin, dass bei einer Kupplung mit verschiebbarem Zahnkranz zum Anlassen von Pumpspeicher-Maschinensätzen von Wasserkraftwerken mittels eines synchronisierten Asynchronmotors die Betätigung eines Zahnkranzes durch einen im Rotor des synchronisierten Asynchronmotors axial verschiebbaren Differentialkolben erfolgt, der in axialer Richtung durch ein Rohr verlängert ist, das am Ende einen Hilfskolben trägt, welcher in einer axialen Bohrung der getriebenen Welle verschiebbar ist. Diese Welle ist zur Zuführung und Abführung des Druckmittels einerseits zur grösseren Fläche des Differentialkolbens durch eine axiale Bohrung und anderseits zur kleineren Fläche des Differentialkolbens durch ein Rohr und durch einen in diesem Kolben ausgebildeten Kanal vor und hinter dem Hilfskolben mit Bohrungen versehen.
Durch diese Massnahmen kann die vorgeschlagene Kupplung hohe Leistungen übertragen und die Herstellung der Verbindung zwischen Pumpe und Turbine sowie deren Trennung ist bei voller Drehzahl mit einem minimalen Energieaufwand möglich.
Der Erfindungsgegenstand ist in den beiliegenden Zeichnungen in einer beispielsweisen Ausführungsart
<Desc/Clms Page number 2>
schematisch dargestellt, wobei Fig. l einen vertikalen Schnitt durch die Kupplung darstellt und Fig. 2 die Gesamtanordnung der Kupplung veranschaulicht.
Die erfindungsgemässe-elektromotorische Kupplung besteht aus einem gegebenenfalls zweiteiligen Rotorkörper 1, welcher in seinem Oberteil mit einem Nutenkranz 2 versehen ist. Der Körper 1 ist als Arbeitszylinder mit zwei ungleichen Zylinderflächen ausgeführt. Die kleinere Zylinderfläche hat Dichtungsringe 5 und in ihr ist ein Differentialkolben 6 mit Dichtungsringen 7 geführt. In den Nuten des Kranzes 2 ist eine Verzahnung 8 verschiebbar angeordnet, welche beim Ausrücken der Kupplung in den Kranz 2 und beim Einrücken der Kupplung in einen Nutenkranz 9 einer Nabe 10 geschoben wird.
Der Differentialkolben 6 kann auch mit zweifacher Verzahnung versehen werden, u. zw. mit einer äusseren und einer inneren Verzahnung, wobei die äussere in die Verzahnung einer Pumpennabe 20 und die innere in die Verzahnung der Turbinennabe 10 eingreift. Zur Verhütung des Schlüpfens sind die Kränze 2 und 9 mit Federkeilen 11 versehen. Der Kolben 6 hat an seinem Unterteil ein Öl-Zuführungsrohr 12, durch welches mittels der Bohrung 13 und der Kanäle 14 des Kolbens 6 Drucköl zur Ringfläche 3 zugeführt wird. Das Rohr 12 ist frei in eine axiale Bohrung 27 einer Welle 15 hineingeschoben und an seinem unteren Ende mit einem Kolben 16 versehen.
Die Welle 15 ist in ihrem unterhalb des Kolbens 16 befindlichen Teil mit einer radialen Bohrung 17 versehen, durch welche das Drucköl über ein Ölzuführungslager 18 zur Fläche 3 des Kolbens 6 geleitet wird, ferner mit einer in der Welle 15 oberhalb des Kolbens 16 befindlichen radialen Bohrung 19, durch welche das Drucköl über den durch die Bohrung 27 der Welle 15 und das Rohr 12 gebildeten Ringkanal zur Fläche 4 des Kolbens 6 zugeführt wird. Der Körper 1 der Kupplung ist mit Hilfe von Passschrauben 21 mit einer Nabe 20 verbunden. Die Verbindung der Pumpenwelle 15 mit der Nabe 20 ist wie üblich z. B. mittels Konus und Schraubenmutter 22 durchgeführt. Eine Turbinenwelle 23 ist auf ähnliche Weise z. B. mittels Konus und Schraubenmutter 24 mit der Nabe 10 verbunden.
Der Nabenkörper 1 der Kupplung ist, falls dieser geteilt, mit einem Schrumpfring 25 versehen, welcher zum Zusammenziehen beider Hälften des Körpers 1 dient. Auf diesem Schrumpfring 25 sind die Rotorbleche angebracht, welche von dem Stator 26 umgeben sind. Die jeweilige Lage des Kolbens 6 im ein-oder ausgerückten Zustande wird durch einen mit einer Zugstange 29 betätigten Zeiger 28 angegeben.
Die Kupplung der Pumpe mit der Turbine bzw. mit dem Synchrongenerator erfolgt derart, dass bei voller Drehzahl des Generators die Welle 15 der luftgefüllten, d. h. wasserfreien Pumpe durch den Rotor 1 des asynchronen Elektromotors aus dem Stillstand allmählich in Drehung versetzt wird und nach Erreichung der vollen Drehzahl des Generators mit diesem synchronisiert wird. Die Nabe 10 der Turbine und der Rotor 1 sind gegeneinander derart angeordnet, dass sich die Zähne 8 bei voller Synchrondrehzahl gegenüber den Nuten des Kranzes 9 befinden. Die Einstellung der Zähne 8 gegenüber den Nuten des Kranzes 9 kann auch auf andere Weise durchgeführt werden, z. B. durch Verschiebung der magnetischen Achse des Kupplungselektromotors.
Nach Erreichen der vollen Synchrondrehzahl des synchronisierten Asynchronmotors und des Generators (der Turbine) wird die mechanische Verbindung derart durchgeführt, dass durch das Drucköl, welches durch die Öffnungen 19', 19 und durch den Ringkanal 27 unter die Fläche 4 des Kolbens geleitet wird, der Kolben 6 mit seiner Verzahnung 8 in die Nuten des Kranzes 9 gedrückt wird. Somit wird eine starre Verbindung erreicht, welche imstande ist, das entsprechende Drehmoment zu übertragen. Dann wird der Asynchronmotor abgeschaltet, die Pumpe mit Wasser gefüllt und der Maschinensatz als Pumpwerk in Betrieb gesetzt.
Beim Abstellen der Pumpe wird umgekehrt verfahren, d. h., die Pumpe wird mit Luft gefüllt, der Asynchronmotor wird eingeschaltet und das Drucköl wird durch die Öffnungen 17', 17 durch das Rohrinnere 13 und weiter durch die Kanäle 14 zur Ringfläche 3 des Differentialkolbens 6 geführt. Dabei wird der Kolben 6 aus der Verzahnung 9 in seine tiefste Lage geschoben. Dann wird der Asynchronmotor abgeschaltet.
Die Erfindung kann auch derart angewendet werden, dass die Verschiebung des Kolbens 6 durch das Rohr 12, welches durch die ganze Pumpenwelle 15 reicht, mechanisch zu betätigen ist. Das als Steuerstange ausgebildete Rohr 12 ist dann an seinem unteren Ende mit einem hydraulischen Zylinder und Kolben versehen, welch letzterer die Steuerstange verschiebt, wobei sie in der Bohrung 27 frei geführt wird und das unter oder über den Hilfskolben geleitete Drucköl die Verschiebung verursacht.
Der Rotorkörper 1 muss nicht geteilt sein, sondern kann aus einem Stück bestehen. Dadurch entfällt der Schrumpfring 25. Auch der Kolben 6 kann verschiedenartig ausgeführt und auch seine Verschiebung abweichend hervorgerufen werden. Das Rohr 12 kann mit demKolben6 aus einem einzigen Stück bestehen oder auch abnehmbar befestigt werden. Dabei kann die Nabe 20 der Kupplung mit einer Einlage, welche den Zutritt zum Rohr 12 ermöglicht, versehen werden. Diese Anordnung ist bei Herstellung des Körpers 1 aus einem einzigen Stück vorteilhaft und ermöglicht die leichte Zerlegung der Kupplung.
<Desc/Clms Page number 3>
Die Nabenkörper 10 und 1 können auch so angeordnet werden, dass beide Teile z. B. mittels Passschrauben 30 und Montierstifte fest verbunden werden, wodurch die Ausrückungstätigkeit der Kupplung ausgeschaltet wird. Diese feste Verbindung hat den Vorteil, dass im Falle irgendwelcher Schwierigkeiten, z. B. bei Beschädigung der Kupplung, Ausfall des Stromes, Versagen des Öldruckes u. dgl., sich eine feste Verbindung der Pumpe mit der Turbine herbeiführen lässt.
Durch die Erfindung wird ein wesentlicher Fortschritt gegenüber dem bisherigen Stand der Technik vor allem dadurch erzielt, dass durch die ölgesteuerte Einkupplung bei Verwendung eines synchronisierten Asynchronmotors eine gänzlich stossfreie, ruhige, schnelle und einwandfreie Verbindung der Pumpe mit der Turbine bei voller Drehzahl beider Maschinen erreicht wird, wobei die Übertragung der vollen Belastung des Maschinensatzes erst bei der festen Verbindung beider Wellen erfolgt. Die Kupplung zeichnet sich durch ihre Einfachheit und leichte Betätigungsmöglichkeit bei niedrigem Öldruck aus. Die Verluste zufolge einer Undichtheit entfallen und die Steuerung der ganzen Einrichtung lässt sich durch Fernbetätigung auch automatisch durchführen.
Ein weiterer grundlegender Vorteil der erfindungsgemässen Einrichtung besteht darin, dass sie einen wesentlich wirtschaftlicheren Turbinenbetrieb ermöglicht, da die Ventilationsverluste der Pumpe, welche beim Turbinenbetrieb abgeschaltet ist, entfallen ; ein Vorzug der Einrichtung ist auch, dass der Elektromotor der Kupplung von einer minimalen Leistung sein kann, da er nur imstande sein muss, die mit Wasser gefüllte Pumpe in Drehung zu versetzen, und da er immer nur eine kurze Zeitdauer, nämlich so lange, bis die Verbindung hergestellt ist, in Betrieb ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kupplung mit verschiebbarem Zahnkranz zum Anlassen von Pumpspeicher-Maschinensätzen von Wasserkraftwerken mittels eines synchronisierten Asynchronmotors, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigung des Zahnkranzes (8) durch einen im Rotor (1) des synchronisierten Asynchronmotors axial verschiebbaren Differentialkolben (6) erfolgt, der in axialer Richtung durch ein Rohr (12) verlängert ist, das am Ende einen Hilfskolben (16) trägt, welcher in einer axialen Bohrung (27) der getriebenen Welle (15) verschiebbar ist, wobei diese Welle (15) zur Zuführung und Abführung des Druckmittels einerseits zur grösseren Fläche (4) des Differentialkolbens (6) durch die axiale Bohrung (27) und anderseits zur kleineren Fläche (3) des Differentialkolbens (6) durch das Rohr (12) und durch einen, in diesem Kolben (6)
ausge- bildeten Kanal (14) vor und hinter dem Hilfskolben (16) mit Bohrungen (17,19) versehen ist.
<Desc / Clms Page number 1>
Coupling with sliding gear rim
The invention relates to a coupling for connecting and disconnecting a pump, e.g. B. a storage pump and a water turbine during operation at full speed of the machine set. It is used in pumped storage machine sets in hydropower plants, where a synchronous generator is coupled to the water turbine, which works as an asynchronous motor outside of the main demand times.
So far, various designs of couplings between the pump and turbine have become known. The connection is made e.g. B. by fixed, mechanical, hydraulic or electromagnetic couplings in horizontal or vertical design. These couplings have a number of disadvantages. The pump works z. B. with a tight coupling always as a fan; this causes a high loss of energy, as a result of which the overall efficiency of the machine set is reduced. In the case of mechanical clutches, for engagement or disengagement it is necessary to reduce the speed of the turbine to a minimum and then gradually increase it again to full speed.
This contradicts the normal requirements for engaging during operation, since the synchronous machine connected to the network and firmly coupled to the turbine falls out of step. A Pelton turbine, which has to work below the underwater level, is usually used to start the pump hydraulically; this requires expensive pumping out of the water from the turbine chamber. Electromagnetic clutches cannot be used for high outputs, which are usually considered in pumped storage machine sets.
It is also known to use a synchronized asynchronous motor instead of a turbine for starting up a ventilated pump, which is then coupled to the main generator by means of a toothed coupling. Coupling arrangements in which the coupling is located within the rotor of the starting machine have also been proposed. In all of these designs, however, the operation of the clutch presented numerous difficulties.
The invention aims to avoid these disadvantages. It consists in the fact that in the case of a clutch with a sliding ring gear for starting pumped storage machine sets of hydroelectric power plants by means of a synchronized asynchronous motor, a ring gear is actuated by a differential piston which is axially movable in the rotor of the synchronized asynchronous motor and which is extended in the axial direction by a tube that at the end carries an auxiliary piston which is displaceable in an axial bore of the driven shaft. This shaft is provided with bores for the supply and discharge of the pressure medium on the one hand to the larger surface of the differential piston through an axial bore and on the other hand to the smaller surface of the differential piston through a tube and through a channel formed in this piston in front of and behind the auxiliary piston.
As a result of these measures, the proposed coupling can transmit high powers and the connection between the pump and turbine and their separation is possible at full speed with a minimum of energy.
The subject of the invention is shown in the accompanying drawings in an exemplary embodiment
<Desc / Clms Page number 2>
shown schematically, FIG. 1 showing a vertical section through the coupling and FIG. 2 illustrating the overall arrangement of the coupling.
The electromotive coupling according to the invention consists of an optionally two-part rotor body 1, which is provided with a ring of grooves 2 in its upper part. The body 1 is designed as a working cylinder with two unequal cylinder surfaces. The smaller cylinder surface has sealing rings 5 and a differential piston 6 with sealing rings 7 is guided in it. A toothing 8 is slidably arranged in the grooves of the rim 2 and is pushed into the rim 2 when the clutch is disengaged and into a ring of grooves 9 of a hub 10 when the clutch is engaged.
The differential piston 6 can also be provided with double teeth, u. with an outer and an inner toothing, the outer one engaging the toothing of a pump hub 20 and the inner one engaging the toothing of the turbine hub 10. To prevent slipping, the rings 2 and 9 are provided with spring wedges 11. The piston 6 has an oil feed pipe 12 on its lower part, through which pressure oil is fed to the annular surface 3 by means of the bore 13 and the channels 14 of the piston 6. The tube 12 is pushed freely into an axial bore 27 of a shaft 15 and is provided with a piston 16 at its lower end.
In its part located below the piston 16, the shaft 15 is provided with a radial bore 17 through which the pressure oil is conducted via an oil feed bearing 18 to the surface 3 of the piston 6, furthermore with a radial bore located in the shaft 15 above the piston 16 19, through which the pressurized oil is fed to the surface 4 of the piston 6 via the annular channel formed by the bore 27 of the shaft 15 and the tube 12. The body 1 of the coupling is connected to a hub 20 by means of fitting screws 21. The connection of the pump shaft 15 to the hub 20 is as usual, for. B. carried out by means of a cone and nut 22. A turbine shaft 23 is similarly z. B. connected to the hub 10 by means of a cone and nut 24.
The hub body 1 of the coupling, if it is divided, is provided with a shrink ring 25 which is used to pull both halves of the body 1 together. The rotor laminations, which are surrounded by the stator 26, are attached to this shrink ring 25. The respective position of the piston 6 in the engaged or disengaged state is indicated by a pointer 28 actuated by a pull rod 29.
The coupling of the pump with the turbine or with the synchronous generator takes place in such a way that at full speed of the generator the shaft 15 of the air-filled, i.e. H. anhydrous pump is gradually set in rotation by the rotor 1 of the asynchronous electric motor from standstill and is synchronized with the generator after it has reached full speed. The hub 10 of the turbine and the rotor 1 are arranged opposite one another in such a way that the teeth 8 are located opposite the grooves of the ring 9 at full synchronous speed. The adjustment of the teeth 8 with respect to the grooves of the ring 9 can also be carried out in other ways, e.g. B. by shifting the magnetic axis of the clutch electric motor.
After reaching the full synchronous speed of the synchronized asynchronous motor and the generator (the turbine), the mechanical connection is carried out in such a way that the pressure oil, which is passed through the openings 19 ', 19 and through the annular channel 27 under the surface 4 of the piston, of the Piston 6 is pressed with its teeth 8 into the grooves of the ring 9. A rigid connection is thus achieved which is able to transmit the corresponding torque. Then the asynchronous motor is switched off, the pump is filled with water and the machine set is put into operation as a pumping station.
When switching off the pump, the procedure is reversed, i.e. That is, the pump is filled with air, the asynchronous motor is switched on and the pressurized oil is guided through the openings 17 ', 17 through the pipe interior 13 and further through the channels 14 to the annular surface 3 of the differential piston 6. The piston 6 is pushed out of the toothing 9 into its lowest position. Then the asynchronous motor is switched off.
The invention can also be applied in such a way that the displacement of the piston 6 through the pipe 12, which extends through the entire pump shaft 15, can be actuated mechanically. The tube 12, designed as a control rod, is then provided at its lower end with a hydraulic cylinder and piston, the latter displacing the control rod, whereby it is guided freely in the bore 27 and the pressure oil conducted under or over the auxiliary piston causes the displacement.
The rotor body 1 does not have to be divided, but can consist of one piece. This eliminates the shrink ring 25. The piston 6 can also be designed in various ways and its displacement can also be caused differently. The tube 12 can consist of a single piece with the piston 6 or it can be detachably attached. The hub 20 of the coupling can be provided with an insert, which enables access to the pipe 12. This arrangement is advantageous when the body 1 is made from a single piece and enables the coupling to be easily dismantled.
<Desc / Clms Page number 3>
The hub bodies 10 and 1 can also be arranged so that both parts z. B. be firmly connected by means of fitting screws 30 and mounting pins, whereby the disengagement of the clutch is switched off. This fixed connection has the advantage that in the event of any difficulties, e.g. B. damage to the clutch, failure of the power, failure of the oil pressure u. Like., a fixed connection of the pump with the turbine can be brought about.
The invention achieves a significant advance over the previous state of the art, above all in that the oil-controlled coupling when using a synchronized asynchronous motor achieves a completely smooth, smooth, fast and perfect connection between the pump and the turbine at full speed of both machines The full load on the machine set is only transferred when the two shafts are firmly connected. The clutch is characterized by its simplicity and ease of operation at low oil pressure. There are no losses due to a leak and the entire facility can also be controlled automatically by remote control.
Another fundamental advantage of the device according to the invention is that it enables a much more economical turbine operation, since the ventilation losses of the pump, which is switched off during turbine operation, are eliminated; Another advantage of the device is that the electric motor of the coupling can be of minimal power, since it only has to be able to set the water-filled pump in rotation, and since it is always only for a short period of time, namely until the connection is established, is in operation.
PATENT CLAIMS:
1. Coupling with movable ring gear for starting pumped storage machine sets of hydroelectric power plants by means of a synchronized asynchronous motor, characterized in that the actuation of the ring gear (8) takes place by a differential piston (6) axially movable in the rotor (1) of the synchronized asynchronous motor, which is in is extended in the axial direction by a tube (12) which at the end carries an auxiliary piston (16) which is displaceable in an axial bore (27) of the driven shaft (15), this shaft (15) for supplying and removing the pressure medium on the one hand to the larger surface (4) of the differential piston (6) through the axial bore (27) and on the other hand to the smaller surface (3) of the differential piston (6) through the tube (12) and through a piston (6) in this
formed channel (14) is provided with bores (17, 19) in front of and behind the auxiliary piston (16).