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Einrichtung zum Rückführen der Laufradflügelstellung bei Strömungsmaschinen mit Laufrad-Innenregelung, insbesondere bei
Kaplanturbinen mit stehender Welle
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Ruekführen der Laufradflügelstellung bei Strö- mungsmaschinen mit Laufradinnenregelung, insbesondere bei Kaplanturbinen mit stehender Welle in Zweilageranordnung und direkt gekuppeltem Schirmgenerator, bei denen die Laufradflügelstellung vom rotierenden Teil der Turbine mittels eines hydraulischen Rückführservomotors auf das nicht rotierende Rückführgetriebe des das Laufrad steuernden Reglers übertragen wird.
Der bei Kaplanturbinensätzen mit stehender Welle über dem Generator aufgebaute Ölzuführungsbock für die Zuführung von Drucköl zum Laufradservomotor hat bei verhältnismässig einfacher konstruktiver Aus- bildung insbesondere der Übertragung der Laufradflügelstellung auf das Rückführgetriebe ausser einer grossen
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die Ventilationswirkung des darunter gelegenen Generators angesaugt wird und mit der Kühlluft in die Generatorwicklung gelangt, waszu Beschädigungen der Wicklung führt. Zwecks Vermeidung dieses Nachtei- les war man bestrebt, die Ölzuführung zum Laufradservomotor unterhalb des Generators anzuordnen.
Dies hatte zur Folge, dass, da für die Ölzuftihrung keine Teile mehr über dem Generator anzuordnen waren, auch eine zweckmässige Lösung dafür gesucht werden musste, die Laufradflttgelstellung unterhalb des Generators von der rotierenden Turbinenwelle auf das Rückführgetriebe zu übertragen. Hiezu sind schon verschiedene Vorschläge gemacht worden.
So wurde z. B. vorgeschlagen, unterhalb des Generators in die Turbinenwelle ein laternenartiges Zwischenstück einzubauen, dessen Durchmesser einiges grösser ist als der Durchmesser der Welle, und die Verstellbewegung der Regelspindel über radiale Arme der Regelspindel und achsparallele Gleitstangen nach aussen zu übertragen. Die Gleitstangen durchdringen hie für den Boden der Laterne und tragen ausserhalb der Turbinenwelle einen zu dieser konzentrischen Ring. Auf diesem Ring läuft eine mit ihm durch eine Feder in dauernder Verbindung gehaltene, durch einen Hebel od. dgl. mit dem Regler verbundene, kugelgelagerte Rolle.
Ausserdem wurde auch schon vorgeschlagen, die Bewegung der Verstellspindel durch einen mit ihr fest verbundenen Querkeil, der in entsprechenden axialen Schlitzen der Welle läuft, auf eine auf der Welle gleitende zylindrische oder konische Hülse zu übertragen.
Diese Vorschläge haben jedoch nicht befriedigt, da sie einen sehr aufwendigen und verwickelten und daher teuren Gesamtaufbau bzw. eine Schwächung der Welle an der Stelle der Schlitze zur Folge haben, die nur durch eine wesentliche Vergrösserung des Durchmessers der Welle ausgeglichen werden kann.
Gemäss einem weiteren Vorschlag, bei dem an einem der beiden Enden der Laufradschaufel-Verstell- spindel ein jochartiges Querstück angebracht ist, das mit einem seitlich an der Turbinenwelle vorbeifüh- renden Gestänge über einen mit ihm verbundenen Ring die axialen Bewegungen der Verstellspindel durch eine an den Ring kraftschlüssig angepresste Rolle auf das mit ihr verbundene Rückführgetriebe zum Regler überträgt, werden einige der Nachteile der vorstehend genannten bekannten Einrichtungen zwar vermieden, jedoch weist diese Einrichtung denselben Nachteil wie alle mechanischen Rückführungen auf, nämlich Verschleiss durch Reibung an den Berührungsstellen zwischen umlaufenden und feststehenden Teilen, der die Betriebssicherheit der Einrichtung beeinträchtigt.
Man hat daher auch schon den Weg beschritten, die Rückführbewegung an den umlaufenden Teilen
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der Turbine hydraulisch abzunehmen und sie dann erst ausserhalb des Führungslagers der Turbine über ein Gestänge mechanisch auf den Regler zu übertragen. So ist bereits vorgeschlagen worden, die Stellung der
Verstellstange für die Kaplanflügel oder eines mit dieser Verstellstange gekuppelten Teiles hydraulisch abzutasten und hydraulisch verstärkt, also unter Zwischenschaltung eines hydraulischen Servomotors, auf das Rückführgestänge zu übertragen.
Hiebei bildet der mit dem Rückführgetriebe mechanisch gekuppelte bewegliche Teil des achsparallel zur Verstellstange, etwa neben dem oberen Führungslager angeordneten hydraulischen Servomotors zusammen mit dem die Stellung der Verstellstange anzeigenden Teil ein Ven- til, das denDurchfluss des hydraulischen Druckmittels durch den Zylinderraum des Servomotors in der Weise steuert, dass der bewegliche Teil des Servomotors stets dem die Stellung der Verstellstange anzeigenden Teil folgt.
Die Erfindung gibt nun für eine Einrichtungzum Rückführen der Laufradflügelstellung bei Strömungsmaschinen mit Laufrad-Innenregelung, insbesondere bei Kaplanturbinen mit stehender Welle in Zweilageranordnung und direkt gekuppeltem Schirmgenerator, bei denen die Laufradflügelverstellung durch eine im Innern der hohlen Maschinenwelle verschiebbare Verstellspindel od. dgl. erfolgt und vom rotierenden Teil der Maschine mittels eines h draulischen Ritckführservomotors auf dasnichtrotierende Rückführgetriebe des die Flügelstellung steuernden Reglers übertragen wird, eine neue Lösung an.
Sie besteht in dem Vorschlag, dass der mit dem Rückführgetriebe verbundene hydraulische Rückführservomotor durch die hiefür über einen Teil ihrer Länge als Kolben ausgebildete Maschinenwelle und einen diesen Teil der Welle umschliessenden, auf ihr axial verschiebbaren Rückführzylinder gebildet ist, welcher durch wenigstens eine das Druckmittel leitende, in der Maschinenwelle geführte und von der Verstellspindel betätigte Vorrichtung steuerbar ist.
Die Anordnung des Rückführzylinders konzentrisch zur Maschinenwelle hat den Vorteil einer einfachen, sicheren und gedrängten Bauweise, durch die die Nachteile der bekannten Einrichtungen sowohl mit hydraulischer als auch mit mechanischer Übertragung der Laufradflügelstellung vom rotierenden Teil der Maschine auf das Rückführgetriebe sicher vermieden werden. Da die Übertragung der Verstellbewegung der Verstellspindel auf die Druckmittelsteuervorrichtung unmittelbar durch die Maschinenwelle hindurchgeführt ist, hat sie vor allem auch den Vorteil, dass der Rückführservomotor in einem beliebigen Teil der Maschinenwelle angeordnet sein kann. Sokannz.
B. bei einer Kaplanturbine mit stehender Welle in Zweilageranordnung und direkt gekuppeltem Schirmgenerator der Rückführservomotor an einem beliebigen Teil der Turbinenwelle unterhalb des Generators angeordnet, d. h. die Laufradflügelstellung an beliebiger Stelle aus der Turbinenwelle herausgeführtund auf das Rückführgetriebe übertragen werden. Besonders. vorteil-
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ordnet ist. Dadurchkann nämlich das obere Führungslager sehr nahe dem Schwerpunkt des schweren, fliegend angeordneten Generatorpolrades angeordnet werden, wodurch sich eine wesentlich geringere Beanspruchung der Welle ergibt, was zu einer Verringerung des Wellendurchmessers und somit zu erheblichen Einsparungen führt.
In zweckmässiger Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Maschinenwelle als Differentialkolben ausgebildet ist und zusammen mit dem Rückführzylinder zwei in axialer Richtung hintereinanderliegende, über wenigstens eine konstante Drosselstelle miteinander verbundene Druckräume bildet, von denen der auf der Seite der kleineren wirksamen Kolbenfläche liegende Druckraum an eine Druckmittelquelle konstanten Druckes und der zweite Druckraum über die Druckmittelsteuervorrichtung an den Druckmittelabfluss angeschlossen ist.
In einfacher Weise wird dadurch erreicht, dass der Rückftihrzylinder nach Art einer sogenannten Nachlauf- oder Folgesteuerung selbsttätig immer dann verschoben wird, wenn der Abflussquerschnitt an der Steuervorrichtung für den Ölablauf und der Durchflussquerschnitt an der die Druckräume miteinander verbindenden Drosselstelle nicht genau gleich gross sind. Eine besonders sorgfältige und teure Abdichtung zwischen Maschinenwelle und Rückführzylinder ist hiebei nicht erforderlich. Das einwandfreie Arbeiten des Rückführservomotorswird nämlich durch geringe Leckverluste nicht beeinträch- tigt, weil letzteren durch geeignete Massnahmen, beispielsweise durch entsprechendes Bemessen bzw.
Einstellen des Durchflussquerschnittes am Drosselspalt der Druckmittelsteuervorrichtung leicht Rechnung getragen werden kann und weil sich der Abflussquerschnitt an der Steuervorrichtung stets selbsttätig in der für das Gleichgewicht am Rückführzylinder erforderlichen Grösse einstellt. Wird der Zylinder mit dem Rückführgetriebe verbunden, so dass er gegen Verdrehen gesichert ist, d. h. dass die Maschinenwelle im feststehenden Rilckftlhrzylinderrotiert, so ist es sogar von Vorteil, wenn geringe Leckverluste auftreten, weil hiedurch immer eine gute Schmierung der Spalte zwischen Maschinenwelle und Rückführzylinder gewährleistet ist, so dass Reibung und Verschleiss auf ein Mindestmass reduziert sind.
Insbesondere ist dadurch bei der Verschiebung des Zylinders so gut wie keine Reibung zu überwinden.
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Für die Übertragung der Verstellbewegung der Verstellspindel auf die Steuervorrichtung, welche zu- sammen mit dem beweglichen Rückführzylinder ein Steuerventil bildet, ergibt sich eine besonders ein- fache und zuverlässige Ausbildung beispielsweise dann, wenn die Druckmittelsteuervorrichtung ein längs- durchbohrter Steuerstössel ist, der mit seinem äusseren Ende in den grossen Druckraum hineinragt und einen
Teil der Druckmittelabflussleitung bildet. Zweckmässig erfolgt dabei die Übertragung der Verstellbewe- gung von der Verstellspindel auf den Steuerstössel über eine auf der Verstellspindel angeordnete kegelige Steuerfläche, auf welche der in einer radialen Bohrung der Maschinenwelle unverdrehbar und verschiebbar geführte Steuerstössel durch eine Druckfeder od. dgl. ständig gedrückt wird.
Das offene äussere Ende des
Steuerstössels steht der kegeligen Rückführzylinderwand gegenüber und bildet mit dieser einen Druckmit- telabflussspalt. Die kegelige Ruckführzylinderwand und die Steuerfläche der Verstellspindel sind zweck- mässig entgegengesetzt zueinander und zur Maschinenwelle gleich oder verschieden geneigt.
Eine solche Ausbildung der erfindungsgemässen Einrichtung hat neben dem Vorteil einer einfachen und sicheren Übertragung der Verstellbewegung der Verstellspindel auf den Rückführservomotor auf kürzestem
Wege und mit nur einem einzigen Zwischenglied, also einer schnellen und genauen Steuerung des Rück- führservomotors vor allem den Vorteil, dass ausserhalb des Rückführzylinders kein Öldunst anfällt, so dass sich selbst dann, wenn der Rückführzylinder sehr nahe am Generator angeordnet wird, ohne Schwierigkeiten eine zufriedenstellende Abdichtung des Generators erreichen lässt. Auch ist eine Verstärkung der Welle an der Stelle der Bohrung für den Steuerstössel nicht erforderlich, da diese Bohrung verhältnismässig klein gehalten werden kann, so dass die Welle durch sie keine wesentliche Schwächung erfährt.
Die Ausbildung der Steuerfläche und der Rückführzylinderwandals Konusse empfiehlt sich mit Rücksicht darauf, dass hiedurch eine lineare Abhängigkeit zwischen dem Hub der Verstellspindel und dem Hub des Rückführzylinders, also auch zwischen der Laufradflügelverstellbewegung und der Rückführbewegung, erzielt wird. Dabei hat man es in einfacher Weise in der Hand, nämlich allein durch geeignete Wahl del Neigungswinkel der Konusse gegenüber der Turbinenachse, ein gewünschtes Übersetzungsverhältnis zwischen dem Hub des Laufradservomotors und dem Hub des Rückführzylinders zu verwirklichen.
Wählt man für die Steuerfläche auf der Verstellspindel einen bestimmten Neigungswinkel (der nicht zu klein sein soll, um ein Übersteuern des Laufrades zu vermeiden), so kann durch entsprechende Wahl des Öffnungswinkels der konischen Bohrung des Rückführzylinders dessen Hub unabhängig vom Hub des Laufradservomotors festgelegt werden, d. h. man kann für jede Turbine den gleichen Hub für den Anfangspunkt des Rüokführgetriebes vorschreiben.
Die Erfindung ist in der Zeichnung als Ausführungsbeispiel an einer Kaplanturbine dargestellt und im folgenden in ihren Einzelheiten näher erläutert.
Auf der mit Eindrehungen 2 und 3 unterschiedlicher Tiefe als Differentialkolben ausgebildeten hohlen Turbinenwelle 1 ist axial verschiebbar der mit dem Rückführgetriebe über die feststehende Rückfuhrgabel 28 verbundene, nicht umlaufende Rückführzylinder 4 angeordnet, der zusammen mit der Welle 1 den Rückführservomotor bildet.
Dieser weist zwei Druckräume auf, von denen der auf der Seite der kleineren wirksamen Kolbenfläche 29 ausgebildete Druckraum 5 mit einer nicht gezeichneten Druckmittelquelle über die Bohrungen 6 und 7 sowie den Ringraum 8 und das obere Führungslager 9 verbunden ist, während der auf der Seite der grösseren wirksamen Kolbenfläche 30 ausgebildete Druckraum 10 über die in radialen Bohrungen 20 der Welle 1 verschiebbar geführten Steuerstössel 11 an die Druckmittelabflussleitungen 12 und 13 angeschlossen ist.
Die im Inneren der Turbinenwelle 1 mittels einer in ihr fest angeordneten Führungbüchse 14 verschiebbar geführten Ölzuführungsrohre 15 und 16 dienen als Verstellspindel und sind mit dem im Laufradflügelkopf angeordneten (nicht dargestellten) Laufradservomotorkolben starr verbunden. Über die kegelige Steuerfläche 17 auf dem Ölzuführungsrohr 16 steht die Verstellspindel in ständiger Wirkverbindung mit den durch die Druckfedern 18 auf die Steuerflächen 17 gedrückten und durch die Stifte 19 gegen Verdrehen gesicherten Steuerstösseln 11. Mit 21 und 22 sind Bohrungen bezeichnet, die die beiden Druckräume 5 und l Ödes Rückführservomotors miteinander verbinden.
Mit 23 Ist eine Drosselschraube zum Verändern des Durchflussquerschnitts der Bohrung 21 und mit 24 ein veränderlicher Druckmittelabflussspalt zwischen jedem mit einer Langsbohrung 25 und einer Querbohrung 26 für den Druckmittelabfluss versehenen Steuerstössel 11 und der kegeligen Rückführzylinderwand 27 des Druckraumes 10 bezeichnet.
Die Wirkungsweise der Einrichtung ist folgende : Bei der in Ruhelage, d. h. während eines Augenblikkes, in dem keine Laufradflügelverstellbewegung erfolgt, dargestellten Einrichtung rotieren mit der Tur- binenwelle l alle dargestellten Teile ausser dem feststehenden Führungslager 9 und dem durch die Ruck- führgabel 28 am Drehen verhinderten Rückführzylinder 4 mit Drosselschraube 23, wobei sämtliche rotierenden Teile zueinander in relativer Ruhelage sind.
Der Zylinder 4 hat dabei auf der Welle 1 eine solche Stellung eingenommen, dass die zwischen den Steuerstösseln 11 und der kegeligen R1Ickführzylinderwand 27
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geradeund 26 in den Steuerstösseln 11 und die Druckmittelabflussleitungen 12 und 13 ständig genau die gleiche
Menge Drucköl aus dem grossen Druckraum 10 abfliesst, wie entsprechend dem mittels der Drosselschraube
23 eingestellten Durchflussquerschnitt der Bohrung 21 von der Druckmittelquelle über das obere Führungs- lager 9. die Bohrung 7, den Ringraum 8 und die Bohrung Sin den kleinen Druckraum 5 und von da weiter über die Bohrungen 21 und 22 ständig in den grossen Druckraum 10 zufliesst.
In den Druckräumen 5 und 10 stellen sich dabei die Drücke so ein, dass die auf die Kolbenflächen 29 und 30 wirkenden Kräfte genau gleich gross sind, am Rückführservomotor also keine Verschiebungskraft angreift und dieser daher im Gleichgewicht gehalten ist.
Entsprechend der Steuerung der Druckmittelzufuhr zum Laufradservomotor über das Ölzuführungsrohr
15 bzw. den Raum zwischen den beiden Ölzuführungsrohren 15 und 16 erfolge nun eine Verstellung der Laufradflügel, u. zw. so, dass der Laufradservomotorkolben nach unten verschoben wird. Dadurchwerden auch die mit ihm starr verbundenen Ölzuführungsrohre 15und 16 und die auf dem Ölzuführungsrohr 16 angeordnete Steuerfläche 17 nach unten verschoben.
Entsprechend dieser Verschiebung werden die mit der Steuerfläche 17 durch die Kraft der Federn 18 in ständiger Wirkverbindung gehaltenen Steuerstössel 11 ra- dial nach innen verschoben, so dass sich die Druckmittelabflussspalten 24 vergrössern und über diese sowie über die Bohrungen 25 und 26 in den Steuerstösseln 11 und die Druckmittelabflussleitungen 12 und 13 mehr Drucköl aus dem grossen Druckraum 10 abfliessen kann, als über den unveränderten Durchflussquerschnitt der Bohrung 21 von der Druckmittelquelle her in diesen zufliesst. Während im kleinen Druckraum 5 der volle Druck aufrechterhalten bleibt, sinkt der Druck im grossen Druckraum 10 ab. Infolgedessen ist die auf die grosse Kolbenfläche 30 wirkende Kraft kleiner als die auf die kleine Kolbenfläche 29 wirkende Kraft. gleichbleibender Grösse.
Dadurch verschiebt sich der Rückführzylinder 4 nach oben in zur Verstellbewegung der Verstellspindel15, 16 entgegengesetzter Richtung auf der Welle l, u. zw. so weit, bis die Spalten 24 zwischen Zylinderwand 27 und Steuerstösseln 11 wieder so gross sind, dass durch sie gerade wieder die gleiche Menge Drucköl abfliesst, wie von der Druckmittelquelle her dem grossen Druckraum 10 zufliesst, so dass sich nun im grossen Druckraum 10 wieder ein Druck ausbildet, der so gross ist, dass die auf die grosse Kolbenfläche 30 wirkende Kraft der auf die kleine Kolbenfläche 29 im kleinen Druckraum 5 wirkenden Kraft gleich gross, der Rückführzylinder 4 also wieder im Gleichgewicht gehalten ist.
Mit der axialen Bewegung des Rückführzylinders 4 wird auch die mit ihm verbundene Rückführgabel 28 verschoben und dadurch die Verstellbewegung auf den Anfangspunkt des Rückführgetriebes übertragen, d. h. das Rückführgetriebe in eine neue, der veränderten Laufradflügelstellung entsprechende Lage verstellt.
Erfolgt eine entgegengesetzte Verstellbewegung der Laufradflügel, d. h. werden Laufradservomotor-
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den über die Steuerfläche 17 die Steuerstösselllradialnach aussen verschoben. Dadurch verengen sich die Druckmittelabflussspalten 24, so dass durch sie nur eine geringere Menge Öl aus dem grossen Druckraum 10 abfliessen kann, als über die Drosselstelle 21, 22 in diesen zufliesst. Dadurch steigt der Druck im grossen Druckraum 10, so dass die auf die grosse Kolbenfläche 30 wirkende Kraft grösser wird als die auf die kleine Kolbenfläche 29 wirkende.
Dementsprechend wird eine am Rückführzylinder 4 angreifende Verschiebungskraft bewirkt, die den Zylinder nach unten verschiebt, u. zw. so lange und so weit, bis sich die Druck- mittelabflussspalten 24 wieder in der für das Gleichgewicht am Rückführzylinder 4 notwendigen richtigen Breite eingestellt haben. Entsprechend der Laufradflügelverstellung wird auch'hiebei die Rückführgabel 28 verstellt und dadurch die Laufradflügelstellung auf das Rückführgetriebe übertragen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zum Rückführen der Laufradflügelstellung bei Strömungsmaschinen mit Laufrad-Innenregelung, insbesondere bei Kaplanturbinen mit stehender Welle in Zweilageranordnung und direkt gekuppeltem Schirmgenerator, bei denen die Laufradflügelverstellung durch eine im Inneren der hohlen Maschi-
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Teilhydraulischen Rückführservomotors auf das nicht rotierende Rückführgetriebe des die Flügelstellung steuernden Reglers übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Rückführgetriebe verbundene hydraulische Rückführservomotor durch die hiefür über einen Teil ihrer Länge als Kolben ausgebildete Maschinenwelle (1) und einen diesen Teil der Welle umschliessenden, auf ihr axial verschiebbaren Rückführzylinder (4)
gebildet ist, welcher durch wenigstens eine das Druckmittel leitende, in der Maschinenwelle (1) geführte und von der Verstellspindel (15, 16) betätigte Vorrichtung steuerbar ist.