Kupplungsaggregat zur lösbaren Verbindung zweier in Drehung befindheher Wellen Die Erfindung bezieht sich auf ein Kupplungs aggregat zur lösbaren Verbindung zweier in Dre hung befindlicher Wellen, welches sich insbesondere zur Verbindung eines elektrischen Generators mit einer Antriebsmaschine eignet.
In elektrischen Kraftzentralen bleibt normaler weise der elektrische Generator auch während der Zeit, da er zur Stromerzeugung nicht benötigt wird, ans Netz angeschlossen und läuft synchron als Pha senschieber. Für diesen Phasenschieberbetrieb muss die Antriebsmaschine von der elektrischen Maschine abgekuppelt und für den Stromerzeugerbetrieb wie der angeschlossen werden. Diese Aufgabe erfordert eine auskuppelbare Verbindung der Antriebsmaschine mit dem Generator, welche imstande sein muss, grosse Leistungen bei hohen Drehzahlen zu übertragen und dabei unbegrenzt lange leer laufen zu können.
Vorhandene Kupplungen sind zur Lösung dieser Aufgabe wenig geeignet. Mechanische Klauenkupp- lungen, die imstande sind, die grossen Leistungen zu übertragen und auch unbegrenzt lange ausgeschaltet laufen können, erfordern komplizierte Synchronisier- einrichtungen, um einen Synchronlauf der beiden Maschinen für den Augenblick des Zusammenkup- keins herbeiführen und feststellen zu können. Da bei ist die Manipulation mit diesen Einrichtungen sehr umständlich.
Hydraulische Kupplungen lassen kein schlupfloses Arbeiten zu, haben einen grossen Leerlaufverbrauch, können nicht lange leer laufen und sind für höhere Drehzahlen ungeeignet.
Das erfindungsgemässe Kupplungsaggregat, wel ches die erwähnten Nachteile nicht aufweist, ist ge kennzeichnet durch eine elektromagnetische Zahn kupplung zur Erzwingung des synchronen Mitlaufens der einen Welle mit der aiidern und durch eine parallel zur elektromagnetischen Kupplung angeord nete mechanische Klauenkupplung, die gleichviel oder ein ganzes Vielfaches an Klauen aufweist wie die magnetische Kupplung Zähne, wobei die Kupplungs hälften der beiden Kupplungen<B>je</B> in einer solchen Winkellage mit der zugehörigen Welle verbunden sind, dass nach Synchronisierung durch die Magnet kupplung die Kupplungshälften der mechanischen Kupplung Klaue auf Klauenlücke stehen,
so dass die Hälften der mechanischen Kupplung während des Drehens ineinander eingerückt werden können.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Kupplung.,saggregates schematisch dargestellt.
Es zeigen: Fig. <B>1</B> einen Schnitt in Achsenrichtung durch das Kupplungsaggregat.
Fig. 2 einen Schnitt nach I-1 in Fig. <B>1.</B>
In Fig. <B>1</B> ist eine Welle<B>1</B> mit einem Kupplungs körper 2 verbunden, der an seiner Innenseite eine Innenverzahnung<B>3</B> aufweist und mit einem Ring 4 aus magnetisch weichem Eisen versehen ist. Eine zweite Welle<B>5</B> ist in einem Lager<B>6</B> im Gehäuse<B>7</B> drehbar gelagert. Die Welle<B>5</B> ist mit einem Kupp lungsteil<B>8</B> fest verbunden, der mit zwei Ringen<B>9,</B> ebenfalls aus magnetisierbarem Material versehen ist. Die Ringe<B>9</B> sind mittels zweier Ringe<B>10</B> und<B>11</B> aus nichtinagnetisierbarem Material auf den Kupp lungsteil<B>8</B> befestigt.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, sind die Ringe 4 und<B>9</B> mit Aussparungen 12 bzw. <B>13</B> versehen, die durch nichtmagnetisierbares Material ausgefüllt sind. Gegenüber den Ringen<B>9</B> ist<B>im</B> Ge häuse<B>7</B> ein Polring 14 befestigt, in welchem sich eine elektrische Spule<B>15</B> mit Zuleitungen<B>16, 17</B> (Fig. 2) befindet. Die Welle<B>5</B> ist mit einem ver schiebbaren Teil<B>18</B> versehen, welcher eine Verzah- nun- <B>19,</B> die in die Verzahnung<B>3</B> eingreift und eine Verzahnung 20, die in eine Verzahnung 21 im Teil <B>18</B> eingreift, aufweist.
Der verschiebbare Teil<B>18</B> ist mit einer Ausnehmung 22 versehen, in die ein auf der Welle<B>5</B> ausgebildeter Ansatz<B>23</B> eingreift. Beiderseits des Ansatzes<B>23</B> münden in die zwischen der Welle<B>5</B> und der Aufnehmung 22 des Teils<B>18</B> gebildeten Zwischenräume Kanäle 24 und<B>25,</B> welche an eine Quelle von hydraulischem Druckmittel an- schliessbar sind. Die Bewegung des Teils<B>18</B> ist durch auf der Welle<B>5</B> befindliche Ansätze<B>26</B> und<B>27</B> begrenzt.
Der Polring 14 mit der Spule<B>15</B> bildet zu sammen mit den Ringen 4,<B>9</B> und mit dem mit ihnen verbundenen Teilen eine elektromagnetische Zahnkupplung. Beim Einführen elektrischen Stro mes in die Spule<B>15</B> entsteht um diese herum ein magnetisches Feld, welches sich über die Teile 14, <B>9</B> und 4 schliesst. In den zwischen den Ausspa rungen 12 und<B>13</B> gebildeten, magnetisch leitenden sogenannten Zähnen konzentriert sich der magne tische Fluss. Zwischen den Teilen 4 und<B>9</B> entstehen dadurch magnetische Kräfte, die den Synchronlauf dieser Teile anstreben, falls der eine der Teile sich in Bewegung befindet.
Nach erzieltem Synchronlauf kann durch Zuführung von hydraulischem Druck mittel in den Kanal 24 der Teil<B>18</B> in der Figur nach links verschoben werden und ein Einschieben der Verzahnung<B>19</B> in die Verzahnung<B>9</B> bewirken. Dadurch wird der Kupplungsteil 2 mit dem Kupp lungsteil<B>8</B> mechanisch verbunden. Wird umgekehrt der Kanal 24 drucklos und das Druckmittel dem Kanal<B>25</B> zugeführt, so wird die Verbindung zwischen der Verzahnung<B>19</B> und<B>3</B> und dadurch zwischen den Kupplungsteilen 2 und<B>8</B> durch Verschieben des Teils<B>18</B> in der Figur nach rechts unterbrochen.
Die gegenseitige Lage der Aussparungen 12,<B>13</B> und der Verzahnungen<B>3</B> und<B>19</B> ist derart, dass bei gegen- einanderliegenden Aussparungen 12 und<B>13</B> die Ver zahnung<B>19</B> in die Verzahnung<B>3</B> einschiebbar ist. Zu diesem Zweck muss die Zähnezahl der Verzahnungen <B>3, 19</B> gleich gross sein oder ein Vielfaches der Anzahl der Aussparungen 12,<B>13</B> betragen. Um ein leichteres Einschieben der Verzahnungen<B>3</B> und<B>19</B> zu gestatten, sind die einander zugewandten Enden der Zähne abgerundet.
Es sei angenommen, dass die Welle<B>5</B> mit der Welle eines elektrischen Generators und die Welle<B>1</B> mit der Welle einer Gasturbine verbunden ist. Der elektrische Generator befindet sich im Phasenschie- berbetrieb, das heisst dieser läuft unbelastet synchron mit dem Netz. Soll nun der Generator elektrische Energie erzeugen, so muss dieser mit der Gasturbine verbunden werden. Das geschieht mit Hilfe des be schriebenen Kupplungsaggregates mit Vorteil auf die Weise, dass die Gasturbine mit der Welle<B>1</B> durch eigene Kraft oder durch einen Hilfsantrieb in Be trieb gesetzt und annähernd auf die Synchrondreh zahl des Netzes gebracht wird.
Dann wird durch Stronizuführung in die Spule<B>15</B> die elektromagne tische Klauenkupplung erregt. Diese Kupplung gleicht einen vorhandenen Unterschied an Drehzahlen zwi schen Generator und Gasturbine aus und bringt die beiden zu einem Synchronlauf, bei dem sich die Aus sparungen 12,<B>13</B> gegenüberstehen. Nun kann durch Zuführung von hydraulischem Druckmittel in den Kanal 24 der Teil<B>18</B> mit seiner Verzahnung<B>19</B> in die Verzahnung<B>3</B> eingeschoben werden. Dadurch werden die beiden Wellen<B>1</B> und<B>5</B> mit ihren Kupp lungsteilen 2 und<B>8</B> mechanisch miteinander ver bunden. Nachdem dieser Schaltvorgang durch geführt ist, kann die Stromzuführung zur Spule<B>15</B> unterbrochen werden.
Wird umgekehrt die Gasturbine abgeschaltet, so können die Verzahnungen<B>3</B> und<B>19</B> direkt durch Zuführung von hydraulischem Druckmittel in den Kanal<B>25</B> ausser Eingriff gebracht werden. Vorteil- hafterweise wird jedoch die durch die Verzahnung <B>3, 19,</B> 20, 21 und den Teil<B>18</B> gebildete mechanische Klauenkupplung durch Erregung der elektromagneti- sehen Zahnkupplung entlastet.
Das erfindungsgemässe Kupplungsaggregat ge stattet ein einfaches Synchronisieren und Zusammen schalten zweier zu verbindenden Wellen bei beliebig hohen Drehzahlen und ist zum Übertragen der gröss ten Leistungen geeignet. In ausgekuppeltem Zustand kann das erfindungsgemässe Kupplungsaggregat un begrenzt lange laufen, da es keine sich gegenseitig berührenden mechanischen Teile aufweist.
Das erfindungsgemässe Kupplungsaggregat eignet sich insbesondere zur Verbindung einer Gasturbine mit einem Generator. Gasturbinen werden bekannt lich in elektrischen Netzwerken hauptsächlich zur über- nahme der Spitzenbelastung eingesetzt und werden daher öfters ein- und ausgeschaltet, wobei auf die Schnelligkeit des Ein- und Ausschaltevorgangs Wert gelegt wird. Auch arbeiten diese mit viel höheren Drehzahlen als z. B. Wasserturbinen, so dass z. B. die bei den Wasserturbinen angewandten hydraulischen Kupplungen für Gasturbinen nicht geeignet sind. Es ist jedoch ohne weiteres möglich, das erfindungs gemässe Kupplungsaggregat mit Vorteil auch bei anderen Antriebsmaschinen von Generatoren als bei Gasturbinen, also z.
B. bei Dampf- oder Wasser turbinen einzusetzen. Allgemein kann das erfindungs gemässe Kupplungsaggregat überall dort eingesetzt werden, wo es sich um die lösbare, in Bewegung schaltbare Verbindung zweier Wellen handelt.
Es versteht sich, dass die als Beispiel dienende beschriebene Anordnung in verschiedenster Art ab geändert werden kann. So kann z. B. die durch die Verzahnungen<B>3, 19,</B> 20, 21 gebildete Kupplung durch eine andere mechanische Klauenkupplung er setzt werden. Auch die Betätigung dieser Kupplung braucht nicht, wie im angeführten Beispiel, hydrau lisch zu erfolgen, sondern diese kann auch z. B. mechanisch, elektromagnetisch usw. durchgeführt werden. Dasselbe trifft auch auf die durch die Teile 4,<B>9,</B> 14,<B>15</B> gebildete elektromagnetische Zahn kupplung zu, welche auch in an sich bekannter Weise verschiedene Abänderungen erfahren kann.
Das in der Beschreibung erwähnte Anfahren der Turbine mit eigener Kraft bzw. mit einem Hilfs- antrieb bis in die Nähe der Synchrondrehzahl hat den Vorteil, dass die elektromagnetische Zahnkupp lung nur zur Synchronisierung beider zu verbin denden Wellen zu dienen braucht und dementspre chend klein dimensioniert werden kann. Es ist jedoch, insbesondere auf anderen Verwendungsgebieten, ohne weiteres möglich, dass die elektromagnetische Zahnkupplung allein, bei entsprechender Dimensio- nierung, die Beschleunigung der einzukuppelnden Welle und der mit ihr verbundenen Maschine über nimmt.
Coupling unit for releasably connecting two rotating shafts The invention relates to a coupling unit for releasably connecting two rotating shafts, which is particularly suitable for connecting an electric generator to a prime mover.
In electrical power stations, the electrical generator normally remains connected to the network and runs synchronously as a phase shifter, even during the time it is not needed to generate electricity. For this phase shifter operation, the drive machine must be decoupled from the electrical machine and connected again for the power generator operation. This task requires a disengageable connection between the prime mover and the generator, which must be able to transmit high power at high speeds and be able to run idle for an unlimited period of time.
Existing couplings are not very suitable for solving this task. Mechanical claw clutches, which are able to transmit the high power and can also be switched off indefinitely, require complicated synchronizing devices in order to be able to bring about and establish a synchronous run of the two machines for the moment of coupling. Since the manipulation with these facilities is very cumbersome.
Hydraulic clutches do not allow slip-free work, have a high idling consumption, cannot idle for long and are unsuitable for higher speeds.
The clutch assembly according to the invention, wel Ches does not have the disadvantages mentioned, is characterized by an electromagnetic tooth clutch to force the synchronous running of one shaft with the other and by a parallel to the electromagnetic clutch angeord designated mechanical claw clutch, which is the same or a whole multiple Like the magnetic coupling, claws have teeth, the coupling halves of the two couplings being connected to the associated shaft in such an angular position that, after synchronization by the magnetic coupling, the coupling halves of the mechanical coupling claw are on claw gap ,
so that the halves of the mechanical clutch can be engaged while rotating.
An exemplary embodiment of the coupling according to the invention is shown schematically in the drawing.
They show: FIG. 1 a section in the axial direction through the clutch unit.
2 shows a section according to I-1 in FIG. 1
In Fig. 1, a shaft 1 is connected to a coupling body 2, which has internal teeth 3 on its inside and a ring 4 magnetically soft iron is provided. A second shaft <B> 5 </B> is rotatably mounted in a bearing <B> 6 </B> in the housing <B> 7 </B>. The shaft <B> 5 </B> is firmly connected to a coupling part <B> 8 </B> which is provided with two rings <B> 9 </B>, also made of magnetizable material. The rings <B> 9 </B> are attached to the coupling part <B> 8 </B> by means of two rings <B> 10 </B> and <B> 11 </B> made of non-magnetizable material.
As shown in FIG. 2, the rings 4 and 9 are provided with recesses 12 and 13, respectively, which are filled with non-magnetizable material. Opposite the rings <B> 9 </B>, a pole ring 14, in which an electrical coil <B> 15 </B> is located, is fastened in the housing <B> 7 </B> Leads <B> 16, 17 </B> (Fig. 2) is located. The shaft <B> 5 </B> is provided with a displaceable part <B> 18 </B>, which is now <B> 19 </B> which is in the toothing <B> 3 < / B> engages and has a toothing 20 which engages in a toothing 21 in part <B> 18 </B>.
The displaceable part <B> 18 </B> is provided with a recess 22 into which a projection <B> 23 </B> formed on the shaft <B> 5 </B> engages. On both sides of the shoulder <B> 23 </B> open into the spaces formed between the shaft <B> 5 </B> and the recess 22 of the part <B> 18 </B> channels 24 and <B> 25, < / B> which can be connected to a source of hydraulic pressure medium. The movement of the part <B> 18 </B> is limited by lugs <B> 26 </B> and <B> 27 </B> located on the shaft <B> 5 </B>.
The pole ring 14 with the coil <B> 15 </B> together with the rings 4, <B> 9 </B> and the parts connected to them forms an electromagnetic tooth coupling. When electrical currents are introduced into the coil <B> 15 </B>, a magnetic field is created around it, which is closed via the parts 14, <B> 9 </B> and 4. The magnetic flux is concentrated in the magnetically conductive so-called teeth formed between the recesses 12 and 13. This creates magnetic forces between parts 4 and 9, which strive for synchronous operation of these parts if one of the parts is in motion.
After synchronous running has been achieved, part <B> 18 </B> can be shifted to the left in the figure by supplying hydraulic pressure medium into channel 24 and the toothing <B> 19 </B> can be pushed into the toothing <B> 9 cause. As a result, the coupling part 2 is mechanically connected to the coupling part <B> 8 </B>. Conversely, if the channel 24 is depressurized and the pressure medium is fed to the channel 25, the connection between the toothing 19 and 3 and thus between the coupling parts is established 2 and <B> 8 </B> are interrupted by moving part <B> 18 </B> to the right in the figure.
The mutual position of the recesses 12, <B> 13 </B> and the toothings <B> 3 </B> and <B> 19 </B> is such that when recesses 12 and 13 </B> the toothing <B> 19 </B> can be pushed into the toothing <B> 3 </B>. For this purpose, the number of teeth of the toothings <B> 3, 19 </B> must be the same or a multiple of the number of recesses 12, <B> 13 </B>. In order to allow the teeth <B> 3 </B> and <B> 19 </B> to be inserted more easily, the ends of the teeth facing one another are rounded.
It is assumed that the shaft <B> 5 </B> is connected to the shaft of an electric generator and the shaft <B> 1 </B> is connected to the shaft of a gas turbine. The electrical generator is in phase shift mode, which means that it runs synchronously with the grid without any load. If the generator is now to generate electrical energy, it must be connected to the gas turbine. This is done with the help of the clutch unit described with advantage in such a way that the gas turbine with the shaft <B> 1 </B> is put into operation by its own power or by an auxiliary drive and is brought approximately to the synchronous speed of the network.
The electromagnetic claw clutch is then excited by supplying electricity to the coil <B> 15 </B>. This coupling compensates for an existing difference in speeds between the generator and the gas turbine and brings the two to synchronous operation in which the recesses 12, 13 face one another. Part <B> 18 </B> with its toothing <B> 19 </B> can now be pushed into toothing <B> 3 </B> by feeding hydraulic pressure medium into channel 24. As a result, the two shafts <B> 1 </B> and <B> 5 </B> with their coupling parts 2 and <B> 8 </B> are mechanically connected to one another. After this switching process has been carried out, the power supply to the coil <B> 15 </B> can be interrupted.
If, conversely, the gas turbine is switched off, the toothings <B> 3 </B> and <B> 19 </B> can be disengaged directly by supplying hydraulic pressure medium into channel <B> 25 </B>. Advantageously, however, the mechanical claw clutch formed by the toothing <B> 3, 19, </B> 20, 21 and the part <B> 18 </B> is relieved by the excitation of the electromagnetic tooth clutch.
The clutch assembly according to the invention ge equips a simple synchronization and switching together of two shafts to be connected at any high speed and is suitable for transmitting the largest power. In the disengaged state, the clutch assembly according to the invention can run for an unlimited period of time, since it has no mechanical parts in contact with one another.
The clutch assembly according to the invention is particularly suitable for connecting a gas turbine to a generator. As is known, gas turbines are mainly used in electrical networks to take on the peak load and are therefore switched on and off frequently, whereby importance is attached to the speed of the switching on and off process. They also work at much higher speeds than z. B. water turbines, so that z. B. the hydraulic couplings used in water turbines are not suitable for gas turbines. However, it is easily possible, the fiction, according to the clutch unit with advantage in other drive machines of generators than gas turbines, so z.
B. use in steam or water turbines. In general, the coupling unit according to the invention can be used wherever it is a question of the detachable connection of two shafts that can be switched in motion.
It goes without saying that the arrangement described, serving as an example, can be changed in the most varied of ways. So z. B. the coupling formed by the toothings <B> 3, 19, </B> 20, 21 by another mechanical claw coupling he sets. The operation of this clutch does not need to be done hydrau cally, as in the example, but this can also be done, for. B. be performed mechanically, electromagnetically, etc. The same also applies to the electromagnetic tooth coupling formed by the parts 4, 9, 14, 15, which can also be modified in a manner known per se.
Starting the turbine with its own power or with an auxiliary drive up to the vicinity of the synchronous speed, as mentioned in the description, has the advantage that the electromagnetic gear coupling only needs to be used to synchronize the two shafts to be connected and is accordingly small can. However, especially in other areas of use, it is easily possible for the electromagnetic tooth coupling alone, with appropriate dimensioning, to take over the acceleration of the shaft to be coupled and the machine connected to it.