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Wellenkupplung für die Verbindung einer Wasserturbine mit dem zugehörigen
Generator Bei Wasserkraftturbinengeneratorsätzen verbindet man gewöhnlich die Turbinenwelle
mit der Generatorwelle durch eine Zwischenwelle zu dem Zweck, die beiden Antriebselemente
leichter auseinandernehmen und zusammenbauen zu können. Wenn es sich speziell um
ein Aggregat mit senkrechter Achse handelt, so ordnet man auch das Spurlager im
allgemeinen zwischen Turbine und Generator an, und es ist wichtig, daß man auch
dieses ausbauen kann, während die Turbine und der Generator an Ort und Stelle verbleiben.
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Nun wird aber der Ausbau der Zwischenwelle allein bei einer Turbine
vom Kaplantyp mit verstellbaren Schaufeln dadurch behindert, daß für die Schaufelverstellung
eine Schubstange erforderlich ist, die innen im wesentlichen gleichachsig durch
die Hauptwelle hindurchgeht (die Bezeichnung »Hauptwelle« umfaßt das aus Turbinenwelle,
Zwischenwelle und Generatorwelle bestehende Aggregat). Diese Schubstange ist am
Kolben eines Servomotors befestigt, dessen Zylinder im allgemeinen durch eine angeschmiedete
Erweiterung beispielsweise der Generatorwelle gebildet wird.
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Die Erfindung bezweckt Verbesserungen der Hauptwelle eines Wasserkraftturbinengeneratorsatzes
mit senkrechter Achse. Ihr Erfindungsziel ist eine Einrichtung, die das Ausbauen
eines Zwischenteils der Hauptwelle erleichtert und das Ausbauen des Servomotorkolbens
ebenso wie auch gegebenenfalls des Spurlagers ermöglicht, während der Läufer des
Generators und das Laufrad der Turbine an Ort und Stelle verbleiben.
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Eine erfindungsgemäße Wellenkupplung für die Verbindung einer Wasserturbine
mit dem von ihr angetriebenen Generator enthält eine zylindrische Kupplungsmuffe,
die mittels ringförmiger, radialer Endflansche lösbar mit entsprechenden Kupplungsstirnflächen
der zu kuppelnden Wellenteile verbunden ist, und zwar derart, daß die Muffe, sobald
die Verschraubung ihrer Flansche gelöst ist, aus ihrer Kupplungsstellung heraus
axial verschoben werden kann, um den Zwischenraum zwischen den beiden Teilen der
Wellenkupplung freizulegen.
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Wenn es sich um eine Wasserturbine mit verstellbaren Schaufeln handelt,
so kann die Kupplungsmuffe zwischen der Turbinen- und der Generatorwelle in an sich
bekannter Weise den Zylinder eines Servomotors für die Schaufelverstellung bilden.
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Bei Verwendung in einem Turbinengeneratorsatz mit senkrechter Achse
kann die Kupplungsmuffe in die Wellenkupplung am oberen Ende der Turbinenwelle über
dem Spurlager des Generators eingebaut sein. Der bewegliche Laufring dieses Spurlagers,
an dem die Turbinenwelle mittels ihres Kupplungstellers aufgehängt ist und der im
Durchmesser größer als dieser Teller ist, wird dabei von einem Zwischenring getragen,
der mit dem Spurlagerlaufring eine Gesamthöhe hat, die kleiner ist als der durch
die Axialverschiebung der Kupplungsmuffe nach oben freigelegte Zwischenraum. Auf
diese Weise kann der Spurlagerlaufring durch Axialverschiebung des Zwischenringes
nach oben über den Kupplungsteller der Turbinenwelle hinaus bewegt und zusammen
mit dem Zwischenring aus diesem Zwischenraum seitlich herausgezogen werden.
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Der obere Flansch der Kupplungsmuffe kann radial nach innen gerichtet
und auf die obere Stirnfläche des Kupplungstellers der Generatorwelle aufgeschraubt
sein. Er kann aber auch radial nach außen gerichtet und auf die obere Stirnfläche
eines radial nach innen gerichteten Flansches der Generatornabe aufgeschraubt sein,
deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Kupplungsmuffe.
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Der untere Flansch der Kupplungsmuffe kann unmittelbar auf die nach
oben gerichtete Stirnfläche des Kupplungstellers der Turbinenwelle aufgeschraubt
sein; dieser Teller ruht seinerseits auf dem den Spurlagerlaufring tragenden Zwischenring,
dessen Innendurchmesser auf seine ganze axiale Höhe größer ist als der Durchmesser
des Kupplungstellers, und es ist ein diametral geteilter zweiteiliger Bundring zwischengeschaltet,
der durch Schrauben zusammengehalten wird, aber leicht getrennt und ausgebaut werden
kann.
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Der untere Flansch der Kupplungsmuffe kann auf eine Stützfläche aufgeschraubt
sein, die den oberen Teil des den beweglichen Spurlagerring tragenden Zwischenringes
bildet, der den Kupplungsteller der
Turbinenwelle umgibt; die obere
Stützfläche des Zwischenringes ist dabei auf dem Kupplungsteller der Turbinenwelle
abgestützt und mit ihr verschraubt.
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Die Erfindung wird nachstehend in einzelnen Ausführungsbeispielen
mit den angeführten Erfindungsmerkmalen beschrieben und durch die Zeichnungen erläutert.
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Fig. 1 ist ein Axialschnitt durch einen Abschnitt der Hauptwelle eines
Wasserkraftturbinengeneratorsatzes mit einem Servomotor für die Verstellung der
Turbinenschaufeln, wobei eine erfindungsgemäße Muffe verwendet ist; Fig.2 zeigt
in einem ähnlichen Axialschnitt eine abweichende Bauart, bei der das Spurlager der
Maschine unmittelbar unterhalb der erfindungsgemäßen Muffe angeordnet ist; Fig.
3 stellt wieder eine andere Bauart dar, wobei die den Zylinderkörper des Servomotors
bildende Muffe mit dem beweglichen Stützring fest verbunden ist; Fig.4 endlich ist
ein axialer Längsschnitt durch einen Wasserkraftturbinengeneratorsatz mit senkrechter
Achse, dessen Hauptwelle eine erfindungsgemäße Muffe enthält.
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In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist 1 das obere Ende der Welle
einer Turbine mit verstellbaren Schaufeln und 2 die Welle des von dieser Turbine
angetriebenen Generators. Erfindungsgemäß werden diese beiden Wellen durch eine
zylindrische Muffe 3 verbunden; diese endet unten in einem Außenflansch 4 und oben
in einem Innenflansch 5, dessen Öffnungsdurchmesser größer als der Durchmesser der
Generatorwelle 2 ist. Der Außenflansch 4 ist mit Stiftschrauben 6 an der Stirnfläche
eines Kupplungstellers 7 befestigt, in dem die Turbinenwelle 1 endet, und bei 8
zentriert. Der Innnenflansch 5 ist ebenfalls mit Stiftschrauben 9 an einem Kupplungsteller
10 befestigt, in dem die Generatorwelle 2 endet, und zwar auf dessen Rückseite,
die dem generatorseitigen Ende der Hauptwelle zugewandt ist in gleicher Weise wie
die mit der Muffe verschraubte Stirnfläche des Kupplungstellers 7. Die Zentrierung
des Innenflansches 5 geschieht dadurch, daß der Außendurchmesser des Kupplungstellers
10 der Generatorwelle mit dem Innendurchmesser 11 der Muffe 3 übereinstimmt. Die
Kupplungsmuffe 3 bildet in an sich bekannter Weise den Zylinder eines Servomotors
für die Verstellung der Turbinenschaufeln. In seiner Bohrung ist der bewegliche
Kolben 12 untergebracht, der mit Stiftschrauben 13 an einem Bund 14 der Schubstange
15 befestigt ist, die auf die Schaufeln einwirkt. Diese Stange 15 geht mit Spiel
durch eine Bohrung der Welle 1 hindurch; zur Abdichtung dient eine Büchse 16. Zur
Betätigung des Kolbens 12 ist ein Rohr 17 vorgesehen, das an eine Glocke 18 angeflanscht
ist; diese Glocke ist mit Stiftschrauben 19 an der Oberseite des Kolbens 12 befestigt
und umschließt eine Kammer 20, die einerseits durch Kanäle 22, die durch den Kolben
hindurchführen, mit dem Zylinderraum 21 auf der Unterseite des Kolbens und andererseits
durch die Bohrung 23 des Rohres 17 mit der Ölpumpe in Verbindung steht.
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Das Rohr 17 geht mit Spiel 24 durch die Generatorwelle 2, so daß ein
ringförmiger Verbindungsweg von der Pumpe zu dem Zylinderraum 25 führt. Die Verteilung
des Öls erfolgt in bekannter Weise. Die beschriebene besondere Ausgestaltung der
Servomotoreinrichtung ist nicht Gegenstand der Erfindung.
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Die beschriebene Einrichtung gestattet ein leichtes Lösen der Verbindung
zwischen der Turbinenwelle 1 und der Generatorwelle 2. Man braucht nur die Stiftschrauben
6 und 9 zu lösen, die die Muffe 3 an den beiden Kupplungstellern 7 und 10 befestigen,
um die Muffe von den beiden Wellen 1 und 2 frei zu machen. Dann kann man die Muffe
an der Generatorwelle entlang axial verschieben, denn der Außendurchmesser des Tellers
10 ist kleiner als der Innendurchmesser der Muffe. Durch die Axialverschiebung der
Muffe wird der Zwischenraum zwischen den beiden Kupplungstellern 7 und 10 freigemacht.
Damit gewinnt man auch Zugang zu den Stiftschrauben 19 der Glocke 18, so daß man
diese von dem Kolben 12 lösen und das Rohr 17 bis zur Anlage an dem Kupplungsteller
10 anheben kann. Schließlich kann man noch den Kolben 12 von der Schubstange 15
trennen, indem man die Muttern der Stiftschrauben 13 abnimmt, die den Kolben mit
dem Bund 14 der Schubstange verbinden.
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In der Ausführungsform nach Fig. 2 enthält die aus den Wellen 1 und
2 und dem durch die Muffe 3 gebildeten Zwischenglied bestehende Welle ein Spurlager,
wie dies bei allen Turbogeneratoren mit senkrechter Achse der Fall ist. Eine Schulter
26 unterhalb des Kupplungstellers 7 stützt sich auf einen diametral geteilten zweiteiligen
Bundring 27, der quer zur Achse durch Schrauben 28 zusammengehalten wird und auf
dem beweglichen Zwischenring 29 ruht. Dieser wieder ruht auf dem Laufring 30, der
sich über zwischengeschaltete Kugeln 31, die zwischen Ölhalteringen 32 laufen, auf
dem festen Stützring 33 dreht. Die Lochdurchmesser des Zwischenrings 29 und der
Lagerringe 30 und 33 sind größer als der größte Durchmesser der Muffe 3, d. h. als
der Außendurchmesser des äußeren ringförmigen Endflansches 4, der hier nur eine
Verstärkung der Muffenwand ist, damit Schrauben 34 zur Befestigung des Kupplungstellers
7 darin eingeschraubt werden können.
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Wenn man den zweiteiligen Bundring 27 abnimmt, so kann man die Befestigungsschrauben
34 herausschrauben; Kupplungsmuffe 3 und Kolben 12 lassen sich danach wie im vorhergehenden
Fall ausbauen. Der Raum zwischen den beiden Wellenenden 1 und 2 reicht nun aus,
um ein seitliches Herausziehen der Ringe 29, 30 und 33 zu ermöglichen, nachdem man
diese erst axial gehoben hat, um sie von dem Kupplungsteller 7 der Turbinenwelle
freizubekommen.
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Bei dieser Ausführungsform erhält man also nicht nur den Zugang zum
Kolben des Servomotors und die Möglichkeit, ihn auszubauen, sondern man kann auch
die Teile des Spurlagers entfernen, ohne die Wellen 1 und 2 herausnehmen zu müssen.
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In der Ausführungsform nach Fig. 3 findet sich ein zusätzliches Zwischenglied
in Gestalt eines Zwischenrings 35, der durch eine beispielsweise kegelförmige Wand
36 mit dem Stützring 37 verbunden und zwischen den Kupplungsteller 7 der Turbinenwelle
1 und die Muffe 3 eingeschaltet ist. Der Außenflansch 4 der Muffe ist auf dem Zwischenring
35 zentriert und auf seinem Umfang mit Schrauben 38 befestigt, während der Zwischenring
35 selbst auf dem Kupplungsteller 7 zentriert und mit den inneren Stiftschrauben
39 darauf befestigt ist.
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Der Zwischenring 35 und der Kupplungsteller 7 bilden miteinander den
Boden des Servomotorzylinders, der durch die Muffe 3 gebildet wird. Für die Abdichtung
der Schubstange 15 ist wieder eine Büchse 16 vorgesehen, die die Schubstange 15
für die Schaufelverstellung umschließt. Der Kolben 12 hat eine geeignete Form, um
an seinem unteren Hubende nicht an den Schrauben 39 und ihren Muttern anzustoßen.
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Der Stützring 37 trägt den beweglichen Laufring 40, der sich auf den
festen Stützring 41 des Spurlagers
zwischen der äußeren Ölwanne
42a und einem inneren Leitblech 42b abstützt.
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Zum Ausbauen löst man die beiden Verschraubungen an den Flanschen
4 und 5 der Muffe 3; dadurch läßt sich die Muffe auf der Generatorwelle 2 axial
verschieben, und mit der Freilegung des Raumes zwischen dem Teller 10 und dem Zwischenring
35 gewinnt man Zugang zum Kolben 12. Dieser läßt sich wie in den ersten beiden Fällen
ausbauen.
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Ist der Kolben 12 entfernt, so reicht der Zwischenraum zwischen dem
Zwischenring 35 und dem Kupplungsteller 10 aus, um den Zwischenring 35 mit Stützring
37 nach Lösen der Schrauben 39 erst axial anzuheben und dann nach der Seite herauszunehmen.
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In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 verbindet die Kupplungsmuffe
3 die Turbinenwelle 1 unmittelbar mit der Nabe 43 des Generatorläufers 44. Dieser
hat die bekannte »Schirmform«, wobei jedoch die schrägen Arme 45, die den Kranz
des Läufers mit der Nabe verbinden, gegen die Nabe hin von oben nach unten geneigt
sind.
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Hieraus ergibt sich eine beträchtliche Verringerung der axialen Länge
der Maschine, wenn die Höhe des Generatorläufers oberhalb der Turbine begrenzt ist.
Diese Verringerung der Länge gestattet eine Verkleinerung des Wellendurchmessers
an der Turbine, ohne daß man gefährliche Formänderungen zu befürchten hätte, und
man kann das Polrad des Generators so hoch legen, das eindringendes Wasser ihm soweit
wie möglich nicht gefährlich werden kann.
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Die Kupplungsmuffe 3 hat wie vorher zwei ringförmige Endflansche 46,
47, von denen der eine in radialer Richtung gesehen innerhalb des anderen liegt;
sie sind aber hier beide als Außenflansche ausgebildet. Die hohle Nabe 43 weist
einen oberen Flansch 48 auf, dessen Innendurchmesser größer ist als der größere
Durchmesser des oberen Ringflansches 47 der Muffe, während ihr unterer Ringflansch
49 eine Öffnung hat, die im Durchmesser größer ist als der kleinere Muffenringflansch
46. Der Außendurchmesser der Muffenwandung ist an allen Stellen kleiner als der
Außendurchmesser des unteren Muffenringflansches 46. Auf diese Weise ist es möglich,
die Muffe axial durch die Nabe 43 einzuführen.
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Der obere Muffenringflansch 47 ist in dem unteren Nabenflansch 49
zentriert und mit Schrauben auf dessen Oberseite festgemacht; der untere Muffenflansch
46 sitzt wie in der Ausführungsform nach Fig. 3 zentriert auf einem Zwischenring
35. Dieser ist in gleicher Weise wie dort auf einem Kupplungsteller 7 der Turbinenwelle
1 festgeschraubt und ist mittels der kegelförmigen Wand 36 mit dem Stützring 37
verbunden, der seinerseits den beweglichen Laufring 40 trägt, der sich auf dem festen
Stützring 41 des Spurlagers abstützt.
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Hier spielt die Muffe nicht die Rolle eines Zylinders für den Servomotor.
Dieser Zylinder 50 wird hier von einer Scheibe 51 getragen, die auf dem oberen Flansch
48 der Generatornabe zentriert ist und diese Nabe schließt. Von kleinerem Durchmesser
als die obere Öffnung der Kupplungsmuffe 3, besteht er mit seinem unteren Boden
52 und mit der Scheibe 51 aus einem Stück. Die Schubstange 15 für die Schaufelverstellung
in der Turbine tritt durch eine Stopfbüchse 53 im Boden 52 des Zylinders hindurch.
Die obere Stirnwand 54 des Zylinders weist eine axiale Verlängerung 55 auf, die
für den Durchlaß des Rohres 17 des Kolbens 12 eine axiale Bohrung enthält.
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Diese Verlängerung 55 bildet einen oberen Drehzapfen der Hauptwelle.
Er ist in einem Lager 56 geführt, das von einem Querhaupt 57 getragen wird, und
liegt im wesentlichen in der Ebene des Generatorläufers 44. Eine solche Lage ist
vorteilhaft, weil sie Verschiebungen des Läufers infolge einer Verformung der Hauptwelle
aufs äußerste einschränkt. Der Zapfen 55 trägt am Wellenende den Anker der Erregermaschine
58, deren Ständer 59 von dem Querhaupt 57 getragen wird.
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Zur Instandhaltung kann man den Kolben des Servomotors erreichen,
ohne daß man die Generator- oder Turbinenwelle entfernen müßte. Es genügt, das Querhaupt
abzuheben, um die obere Stirnwand 54 des Zylinders, die den Zapfen 55 trägt, abzunehmen
und den Kolben 12 freizulegen. Die Ausbildung des Servomotors sowie des oberen Radiallagers
sind nicht Gegenstand der Erfindung.
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Die Bestandteile des Spurlagers lassen sich ähnlich wie bei der Bauart
nach Fig. 3 wie folgt ausbauen. Man setzt auf das feste Fundament 61 Schraubwinden
60 unter den Generatorläufer 44, um ihn abzustützen, und stützt die Turbine ab.
Nun kann man die Flanschen 46 und 47 der Muffe 3 losschrauben und diese um den Zylinder
50 herum in der Nabe hochziehen, wobei sie sich in der Öffnung des unteren Nabenflansches
49 axial nach oben schiebt.
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Die axiale Verschiebung der Kupplungsmuffe 3 legt den Zwischenraum
zwischen dem unteren Nabenflansch 49 und dem Zwischenring 35 frei. Sobald nun die
Muttern der Schrauben 39, die die Verbindung mit der Turbinenwelle 1 herstellen,
entfernt sind, kann der Zwischenring 35 mit dem Laufring 40 erst axial gehoben und
dann seitlich durch den Zwischenraum herausgezogen werden.
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Man kann dieses Ausbauen durchführen, ohne den Läufer des Generators
herausnehmen zu müssen. Die mit dem Zusammenbau und der Wartung der Maschine betrauten
Leute haben außerdem verhältnismäßig leichten Zugang, da der Raum zwischen Turbine
und Generator groß bemessen ist. Schließlich ist auch die Widerstandsfähigkeit des
Hauptwellenaggregates gegen Verformungen beim Lauf durch die dem Generator gegebene
Gestalt beträchtlich erhöht, und die Anordnung eines oberen Lagers in der Ebene
des Läufers gestattet eine Verkleinerung des Luftspaltes.