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Verstelleinrichtung für den Leitapparat einer Wasserturbine
Es sind verstelleinrichtungen für den durch einen Stellmotor betätigten Leitapparat einer Wasserturbine bekannt, bei welchen die Kurbeln der einzelnen Leitschaufeln über Laschen mit einem um die Turbinenachse drehbaren, von einem Servomotor betätigten Regelring verbunden sind. Die Laschen bilden hiebei mit dem Regelring zusammen ein Kniehebelgetriebe.
Vor grossen Niederdruck-Wasserturbinen, also insbesondere vor Kaplanturbinen, werden in der Regel keine besonderen Absperrorgane vorgesehen, da diese ihrer Grösse wegen relativ teuer sind. Vom Beginn des Baues grosser Kaplanturbinen an hat man daher deren Leitapparat mit einem Riegel versehen, der den Leitapparat bei drucklosem Stellmotor in seiner Schliesslage festhält. Dies war deshalb erforderlich, weil bei den bekannten Verstelleinrichtungen die Laschen, die die Kurbeln der Leitschaufeln mit dem Regelring verbinden, in der Hauptsache tangential an den Regelring anschliessen und im ganzen Verstellbereich höchstens um einen spitzen Winkel von der tangentialen Richtung abweichen.
Die von der Schaufel über die Lasche ausgeübte Rückstellkraft übt daher stets ein Drehmoment auf den Regelring aus, und es bestünde ohne das Vorsehen des erwähnten Riegels die Gefahr, dass sich der Leitapparat bei drucklosem Stellmotor von selbst öffnen würde. Zur Vereinfachung der Steuerung ist es jedoch erwünscht, den Riegel wegzulassen.
Die Erfindung betrifft nun eine Verstelleinrichtung für den durch einen Stellmotor betätigten Leitapparat einer Wasserturbine, bei welchem das Verstellgestänge zwischen Stellmotor und Leitschaufel ein Kniehebelgetriebe aufweist. Die erwähnte Vereinfachung wird erfindungsgemäss dadurch ermöglicht, dass dieses Kniehebelgetriebe in der Schliesslage des Leitapparates mindestens die Totpunktlage erreicht. so dass der Leitapparat bei drucklosem Stellmotor in seiner Schliesslage verharrt.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes in vereinfachter Darstellung veranschaulicht. Es zeigen :
Fig. 1 eine Verstelleinrichtung mit einem zentralen, den Leitapparat betätigenden Regelring, Fig. 2 eine andere Ausführungsform einer. Verstelleinrichtung mit Regelring und Fig. 3 eine Verstelleinrichtung, bei der jede Schaufel des Leitapparates durch einen besonderen Stellmotor verstellt wird.
In Fig. 1 sind zwei Leitschaufeln 1 des Leitapparates einer Wasserturbine in der Schliesslage dargestellt. Die Leitschaufel liegt dabei in der Nähe ihrer Austrittkante 2 an der benachbarten Leitschaufel an. Der Leitapparat wird durch einen Stellmotor mit Zylinder 3 und Kolben 4 betätigt. Mit 5 und 6 sind Druckmittelzuführungen des Stellmotors bezeichnet. Die Bewegung des Kolbens 4 wird über eine Kolbenstange 7 und eine Pleuelstange 8 auf einen koaxial mit der Turbine angeordneten Regelring 9 übertragen. Dieser Regelring ist im Bereiche jeder Leitschaufel mit einem Ansatz 10 versehen, an welchem das eine Ende einer Lasche 11 gelenkig befestigt ist. Das andere Ende der Lasche ist gelenkig mit einem zur Betätigung der Leitschaufel dienenden Hebel 12 verbunden. Die Schaufel besitzt einen Drehzapfen 13, mit welchem dieser Hebel 12 fest verbunden ist.
Mit 14 und 15 sind die Gelenkpunkte zwischen dem Regelringansatz 10 und der Lasche 11 bzw. zwischen der Lasche 11 und dem Hebel 12 bezeichnet. Die Teile 7, 8,9, 10,11, 12,13 bilden das Verstellgestänge zwischen Stellmotor 3,4 und der Leitschaufel l.
Bei geöffneter Stellung des Leitapparates befindet sich der Kolben 4 des Stellmotors in einer Lage 4', die Lasche 11 in einer Lage 11', der Hebel 12 in einer Lage 12'und die Gelenkpunkte 14,15 befinden
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rung 6 Druckmittel in den Zylinder 3 des Stellmotors eingelassen. Der Kolben 4 bewegt sich dann von seiner Endlage 4'nach links, bis der Gelenkpunkt 14 infolge der Drehung des Ringes 9 um seine Achse von seiner Lage 14'in eine Lage 14"gelangt, wobei der Gelenkpunkt 15 die gezeichnete Lage einnimmt und die Schaufel l sich in der Schliesslage befindet. Infolge des Anliegens der Schaufel 1 an der benachbarten Schaufel kann sie sich von dieser Lage aus nicht mehr weiter drehen.
Bei der Stellung 14" des Gelenkpunktes 14 befindet sich die Lasche 11 nahezu in ihrer Totpunktlage.
Der Stellmotor wird aber noch weiter nach links bewegt. Die Totpunktlage der Lasche 11 ist dann erreicht, wenn der Gelenkpunkt 14 die mit 14'"bezeichnete Lage erreicht hat. Dann gelangt allerdings der Gelenkpunkt 15 in eine um einen geringen Betrag nach aussen verschobene Lage 15'', was, da die Schau- fel l sich nicht weiter drehen kann, nur unter elastischer Verformung des Hebels 12 bzw. des Schaufelzapfens 13 möglich ist.
Die Teile 10,11 des Verstellgestänges zwischen dem den Leitapparat betätigenden Regelring 9 und der Leitschaufel l bilden ein Kniehebelgetriebe. Jeder der weitern Leitschaufeln des Leitapparates ist ein entsprechendes Kniehebelgetriebe zugeordnet. In der Totpunktlage 14"', 15,.. der Gelenke 14, 15 steht die Lasche 11 in radialer Richtung so, dass ihre Symmetrieachse durch die Achse des Regelringes geht. Durch die Lasche 11 übertragene Rückstellkräfte der Schaufel können daher auf den Regelring kein Drehmoment ausüben. Der Leitapparat bleibt somit auch bei drucklosem Stellmotor in seiner Schliesslage.
Bei der dargestellten Verstelleinrichtung ist indessen die Endlage des Kolbens 4 des Stellmotors beim Schliessen des Leitapparates so gewählt, dass der Gelenkpunkt 14 jenseits seiner Totpunktlage 14"'liegt. Durch die Lasche 11 übertragene Rückstellkräfte der Schaufel ergeben dann ein auf den Regelring 9 in Schliessrichtung wirkendes Drehmoment, so dass der Kolben 4 in seiner Endlage und somit der Leitapparat in geschlossener Stellung festgehalten wird. Falls die an sich schon vorhandene Elastizität der Verstellglieder nicht genügen sollte, um die Totpunktlage des Kniehebelgetriebes zu erreichen, kann auch ein besonderes elastisches Glied im Kniehebelgetriebe vorgesehen werden.
Bei der Einrichtung gemäss Fig. 2 werden die Leitschaufeln des Leitapparates der Wasserturbine, von denen nur eine mit 16 bezeichnete dargestellt ist, von einem Stellmotor mit Zylinder 17 und Kolben 18 über einen koaxial zum Leitapparat angeordneten Regelring 19 betätigt. Das Verstellgestänge besteht aus einer mit dem Kolben 18 fest verbundenen. Kolbenstange 20"einer Lasche 21, einem Lenker 22, einer Lasche 23, einer weiteren Lasche 24 und einem Hebel 25. Mit 26, 27, 28,29 und 30 sind Gelenkpunkte und mit 31 ist ein fester Drehpunkt bezeichnet, an welchem der Lenker 22 drehbar gelagert ist. Die Lasche 21 ist am Gelenkpunkt 26 mit der Kolbenstange 20 und am Gelenkpunkt 27 mit dem äusseren Ende des Lenkers 22 und einem Ende der Lasche 23 verbunden. Mit ihrem andern Ende ist die Lasche 23 am Gelenkpunkt 28 mit einem Ansatz 32 des Regelringes 19 verbunden.
Die Leitschaufel 16 besitzt einen Drehzapfen 33, auf welchem der Hebel 25 aufgesetzt ist. Die Lasche 24 verbindet an den Gelenkpunkten 29 bzw. 30 einen Ansatz 34 des Regelringes 19 mit dem äusseren Ende des Hebels 25.
Die Leitschaufel 16 ist in ihrer Schliesslage dargestellt. Bei geöffneter Stellung des Leitapparates befinden sich die Gelenkpunkte 26,27, 28,29, 30 in den mit 26'bzw. 27', 28', 29', 30'bezeichneten Lagen und der Kolben 18 ist in seiner mit 18'bezeichneten hinteren Endlage. Wird nun durch Einführen von Druckmittel hinter den Kolben 18'eine Schliessbewegung des Leitapparates eingeleitet, so nähern sich der Lenker 22 und die Lasche 23 der gestreckten Lage, d. h. jener Lage, in der der Gelenkpunkt 27 in die gerade Verbindungslinie zwischen dem Gelenkpunkt 28 und dem festen Drehpunkt 31 zu liegen kommt. Kurz vorher ist aber die Schliesslage der Schaufel 16 erreicht.
Bis indessen der Kolben 18 die dargestellte vordere Endlage erreicht hat, wird der Gelenkpunkt 27 über die Verbindungsgerade zwischen den Punkten 28 und 31 durchgedrückt, so dass vom Leitapparat her sich ergebende Rückstellkräfte auch bei drucklosem Stellmotor 17,18 den Kolben 18 nicht mehr von seiner Endlage wegzubewegen und den Leitapparat zu öffnen vermögen. Die Teile 22,23 des Verstellgestänges zwischen dem Stellmotor 17,18 und dem den Leitapparat betätigenden Regelring 19 bilden hier ein Kniehebelgetriebe, wobei die gestreckte Lage dieser Teile dessen Totpunktlage darstellt.
Gemäss Fig. 3 wird angenommen, dass jeder Leitschaufel ein besonderer Stellmotor zugeordnet ist.
Es ist wieder nur eine einzige Leitschaufel 35 mit Schaufelzapfen 36 dargestellt. Sie wird von einem Stellmotor mit Zylinder 37 und Kolben 38 betätigt. Das Verstellgestänge wird durch eine mit dem Kolben 38 fest verbundene Kolbenstange 39, eine Lasche 40, einen um einen festen Drehpunkt 41 schwenkbaren Lenker 42, eine Lasche 43 und einen auf den Drehzapfen 36 der Schaufel aufgesetzten Hebel 44 gebildet. Die Lasche 40 ist an einem Gelenkpunkt 45 mit der Kolbenstange 39 und an einem Gelenkpunkt 46 mit dem Lenker 42 und einem Ende der Lasche 43 verbunden. Das andere Ende der Lasche 43 ist an einem Gelenkpunkt 47 mit dem Hebel 44 verbunden.
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Bei offener Stellung der Leitschaufel nehmen die Gelenke 45, 46, 47 die mit 45'bzw. 46', 47'bezeichneten Lagen ein. Der Lenker 42 und die Lasche 43 bilden ein Kniehebelgetriebe. Kurz vor Erreichen der dargestellten Schliesslage des Stellmotorkolbens 38 gelangen die Teile 42, 43 in ihre Totpunktlage, d. h. der Gelenkpunkt 46 erreicht die Verbindungsgerade zwischen dem Gelenk 47 und dem festen Drehpunkt 41. Bis zum Erreichen der Endlage des Kolbens 38 überschreitet der Gelenkpunkt 46 die genannte Verbindungslinie. Von der Schaufel her kommende Rückstellkräfte, die der Schliessbewegung entgegen- wirken, können also auch hier selbst bei drucklosem Stellmotor 37,38 keine Verschiebung des Kolbens 38 aus seiner Endlage bewirken, so dass der Leitapparat geschlossen bleibt.
PATENTANSPRÜCHE
1. Verstelleinrichtung für den durch einen Stellmotor betätigten Leitapparat einer Wasserturbine, bei welchem das Verstellgestänge zwischen Stellmotor und Leitschaufel ein Kniehebelgetriebe aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Kniehebelgetriebe (10,11 bzw. 22,23 bzw. 42,43) in der Schliesslage des Leitapparates mindestens die Totpunktlage erreicht, so dass der Leitapparat bei drucklosem Stellmotor in seiner Schliesslage verharrt.
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