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Als Turbine oder Pumpe zu betreibende Kreiselradmaschine Bekanntlich
lassen sich die Betriebsweise und der Verwendungszweck einer Kreiselradmaschine
durch Verstellen der Schaufeln abwandeln. So läßt sich z. B. eine Axialrad-Turbine
durch Umstellen der Schaufeln und Wechsel der Drehrichtung zu einer Pumpe mit gleicher
Strömungsrichtung machen. Es erfährt demnach der Verwendungszweck der Kreiselradmaschine
eine Abwandlung. Die Betriebsweise einer Kreiselradmaschine wird z. B. dann abgewandelt,
wenn, wie dies beispielsweise bei Gezeiten-Kraftwerken der Fall ist, die Strömungsrichtung
wechselt, bei beiden Strömungsrichtungen die Maschine jedoch mit gleichem Verwendungszweck
beispielsweise als Turbine betrieben werden soll.
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Kreiselradmaschinen, die mit besonders gutem Nutzeffekt sowohl bei
verschiedenen Betriebsweisen als auch mit verschiedenen Verwendungszwecken betrieben
werden können, sind in der Form der Doppelrad-Turbinen bekanntgeworden, die zwei
Räder aufweisen, die wechselweise als Lauf- oder Leitrad betrieben werden. Mit diesen
Maschinen ist ein Betrieb als Turbine mit Vorleitschaufeln oder als Pumpe mit Nachleitschaufeln
bei wechselnder Strömungsrichtung, und zwar vorteilhafterweise bei gleichbleibender
Drehrichtung möglich. Da diese Maschinen durch Festsetzen beider Räder und zweckentsprechende
Einstellung der Schaufeln als Durchlaß mit hoher Schluckfähigkeit in einer dritten
Verwendung betrieben werden können, sind sie in besonderem Maße für den Einsatz
in Gezeiten-Kraftwerken geeignet.
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Aus vorstehendem ist ersichtlich, daß bei diesen Maschinen der Umstellung
der Schaufeln, welche über Winkel erfolgen muß, die den zum Zwecke der bloßen Regelung
erforderlichen Verstellwinkel der Schaufeln weit übersteigt, besondere Bedeutung
zukommt. Die Erfindung bringt hierfür eine Lösung, die der doppelten Aufgabe der
Umstellung der Schaufeln zwecks Abwandlung der Betriebsweise oder des Verwendungszweckes
der Maschine und der Verstellung der Schaufeln zum Zwecke der Regelung, bei Turbinenbetrieb
beispielsweise der Drehzahlregelung, in besonders vorteilhafter Weise gerecht wird.
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Kennzeichnendes Merkmal der Erfindung ist, daß die Schaufeln, wie
an sich bekannt, zum Zwecke der Regelung durch eine Verstelleinrichtung verstellbar
sind, die zwischen den Schaufeln und einem mit dem Radkörper umlaufenden Widerlager
angeordnet ist. Das Widerlager ist kraftschlüssig mit dem Radkörper so verbunden,
daß für die Umstellung der Schaufeln das Widerlager mit der Verstelleinrichtung
oder die Verstelleinrichtung allein gegenüber dem Radkörper verstellbar sind.
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Die Verwirklichung dieses Erfindungsgedankens kann auf die verschiedenste
Art und Weise erfolgen. So ist es zweckmäßig, das Widerlager während des Dauerbetriebes
der Maschine gegenüber dem Radkörper zu blockieren, damit die Verstelleinrichtung
nur für die Kräfte bemessen zu werden braucht, die auftreten, wenn die Umstellung
der Schaufeln bei abgesperrtem Wasserzufluß erfolgt. Die Blockierung muß bei der
Umstellung der Schaufeln gelöst werden, damit das Widerlager gegenüber dem Radkörper
seinerseits verstellt werden kann.
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Da einerseits die Kreiselradmaschinen konzentrisch um die Maschinenachse
aufgebaut sind, andererseits die Schaufeln und die von diesen herrührenden bzw.
über Widerlager und Verstelleinrichtungen auf diese zu übertragenden Kräfte über
den ganzen Umfang der Maschine verteilt sind, ist es besonders sinnvoll, als Widerlager
Scheiben od. dgl. koaxial mit der Maschinenachse anzuordnen. Die Verbindung von
diesen zu den Schaufeln kann dann durch druckölbetätigte oder auch elektrisch betriebene
Verstellvorrichtungenerfolgen, während die Scheiben od. dgl. ihrerseits für das
Umstellen der Schaufeln durch in ähnlicher Weise betriebene Umstelleinrichtungen
gegenüber dem Rad verdreht werden. Hierbei ist es gleichgültig, ob die Schaufeln
außen oder von der Wurzel aus verstellt und umgestellt werden und die Verstelleinrichtungen,
Widerlager und Umstelleinrichtungen außerhalb des Trieb- bzw. Fördermittel-Führungsrohres
oder in der Nabe der Maschine angeordnet sind.
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Für die praktische Verwirklichung des Erfindungsgedankens ist es besonders
zweckmäßig, die Verstelleinrichtung zwischen den Schaufeln und dem Widerlager in
der Weise auszubilden, daß an den Schaufeln Kegelräder angeordnet sind, welche mit
einem oder zwei, in letzterem Fall gegenläufigen, für alle Schaufeln gemeinsam um
die Achse der Maschine drehbaren
Tellerkegelrädern zusammenwirken.
je nachdem, ob die Verstellung und Umstellung der Schaufeln von außerhalb des Trieb-
bzw. Fördermittel-Führungsrohres oder von der Nabe aus erfolgen soll, wird man die
Kegelräder am äußeren Schaufelende oder an der Schaufelwurzel anordnen. Es kann
einen Vorteil bedeuten, die- Anordnung an der Schaufelwurzel zu wählen, da in diesem
Falle die Tellerkegelräder bedeutend kleiner werden, als wenn die Kegelräder am
äußeren Ende der Schaufel angeordnet sind. Die Verstellung der Schaufeln zum Zwecke
der Regelung, beispielsweise der Drehzahlregelung bei Turbinenbetrieb oder der Regelung
der Förderung beim Pumpenbetrieb, erfolgt in der Weise, daß das oder die Tellerkegelräder
mittels zwischen diesen und dem Widerlager angeordneter, druckölbetätigter Stellmotoren
oder elektrisch betriebener Verstellvorrichtungen um die Achse der Maschine gedreht
werden. Im Hinblick auf die großen, vom Wasserdruck herrührenden Kräfte auf die
Schaufeln, die bei deren Verstellung Überwunden werden müssen, ist die Anordnung
von zwei Tellerkegelrädern besonders zweckmäßig, und es ist sinnvoll, jedes Tellerkegelrad
für sich anzutreiben oder eine Anordnung vorzusehen, die gewährleistet, daß jedes
Tellerkegelrad zu seinem Teil an der Verstellung mitwirkt.
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Besonders zweckmäßig ist es, die Stellmotore koaxial mit der Maschinenachse
anzuordnen und mit dem oder den Tellerkegelrädern in der Weise zusammenwirken zu
lassen, daß in an sich bekannter Weise eine axiale Bewegung der Kolben oder Zylinder
eine Drehung des oder der Tellerkegelräder um die Maschinenachse bewirkt. Hierzu
wird man den axial verstellbaren Teil des oder der druckölbetätigten Stellmotoren
oder auch diese ersetzender, elektrischer Verstelleinrichtungen mit einem an sich
bekannten Spindeltrieb zur Umsetzung einer geradlinigen Bewegung in eine Drehbewegung
ausrüsten. Sind zwei Tellerkegelräder angeordnet, so ist es zweckmäßig, das von
dem Strömungsdruck auf die Schaufeln herrührende, über die Kegel- und Tellerkegelräder
auf die beiden Verstelleinrichtungen geleitete Gegendrehrnoment auszuschalten, indem
die Verstelleinrichtungen -der beiden Tellerräder gegen eine gegenseitige Verdrehung
miteinander verriegelt -%verderL Hierdurch wird die Vorrichtung für die Umstellung
der Schaufeln von diesem Drehmoment entlastet. Die betreffende Verriegelung ist
während des Umstellvorganges wieder aufzuheben.
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Nach der Erfindung erfolgt die Umstellung der Schaufeln dadurch, daß
die Verstelleinrichtung allein oder über das Widerlager gegenüber dem Radkörper
verstellt wird.
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Diese Aufgabe übernehmen zweckmäßigerweise eine oder mehrere, zwischen
der Verstelleinrichtung bzw. dem Widerlager und dem Radkörper angeordnete, druckölgesteuerte
oder elektrisch betriebene Umstellvorrichtungen. Im allgemeinen wird der Winkelbereich,
in dem die Schaufeln umgestellt werden müssen, sehr viel größer sein als der Verstellwinkel
bei bloßer Drehzahlregelung. Die Kräfte bei der Umstellung werden dagegen nur einen
Bruchteil der Kräfte bei der Verstellung ausmachen. Unter Berücksichtigung dieser
Umstände ist besonders zweckmäßig eine Anordnung, bei der der Radkörper eine oder
mehrere Verzahnungen aufweist u--nd bei der die Umstellung der Schaufeln dadurch
erfolgt, daß ein oder mehrere Ritzel oder, um eine größere übersetzung zu erzielen,
auch Ritzelsätze, welche sowohl mit den Verzahnungen des Widerlagers als auch des
Radkörpers im Eingriff sind, um die Achse der Maschine g& schwenkt werden. In
einfachster Weise wird man diese Ritzel oder Ritzelsätze in oder an Ringen, Kränzen
od. dgl. lagern, die um die Maschinenachse durch einen besonderen Antrieb drehbar
sind.
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Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer
Darstellung.
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Es ist mit a die Achse einer Kreiselradmaschine bezeichnet, um die
ein Laufrad mit einem Radkörper b
und Schaufeln c rotiert. An den Schaufelwurzeln
sind Kegelräder d angeordnet, welche mit zwei Tellerkegelrädern e zusammenwirken.
Diese weisen eine Innenschraubenverzahnung auf, und zwar ist die Verzahnung des
einen Tellerkegelrades rechts-, die des anderen linksgängig. Die Verzahnungen der
Tellerkegelräder c stehen im Eingriff mit Außenverzahnungen f eines
Zylinders, welcher mit dem axial beweglichen Zylindergehäuse g eines druckölbetriebenen
Stellmotors h verbunden ist. Die Kolben i der Stellmotore h sind über die als Scheiben
ausgebildeten Widerlager k gegenüber dem Radkörper b axial abgestützt. Die
Kegelräder d, die Tellerkegelräder e, die als Spindeltrieb wirkenden Schraubenverzahnungen
f
und die Stellmotore h mit den Zylindergehäusen g,
den Kolben i und
den Abstützmitteln m bilden die Verstellvorrichtung, welche zwischen den Schaufeln
o
und den Widerlagern k angeordnet ist. Die scheibenförmigen Widerlager
k sind wohl gegenüber dem Radkörper b in axialer Richtung fixiert;
um die Maschinenachse a sind sie jedoch drehbar. Eine Drehung der Scheiben m hat
daher eine Drehung der Verzahnungen f, und, wenn diese hierbei axial nicht bt'W'i
egt werden, auch der Tellerkegelräder e zur Folge. Auf diese Weise läßt sich eine
Umstellung der Schaufeln c unabhängig von ihrer Verstellung durch die Stellmotore
h bewirken. Zwecks Drehung der Widerlagerscheibe k weist diese an ihrem Umfang
eine Verzahnung auf, in die die Zähne eines Ritzelsatzes n-o eingreifen, welcher
mit an dem Radkörper b angebrachten Verzahnungen p kämmt. Der Ritzelsatz
n-o ist in einem Ring q gelagert, welcher -am die Achse a ge-
dreht werden
kann. Hierbei wird der Ritzelsatz n-o mit um die Achse a geschwenkt, wobei er sich
einerseits an der Verzahnung p abwälzt und andererseits der Scheibe
k eine Drehung vermittelt, deren Winkelweg im Übersetzungsverhältnis des
Ritzelsatzes vergrößert ist. Eine Drehung des Ringes q hat demnach eine Drehung
des Widerlagers k und damit der Schaufeln c zur Folge. Diese Drehung läßt sich in
einfacher Weise durch einen oder mehrere druckölgesteuerte Servomotore bewirken,
welche in Urnf angsrichtung wirkend zwischen dem Ring q und dem Radkörper
b angeordnet sind. Diese sind in der Abbildung nicht dargestellt. Der Ritzelsatz
is-o. die Verzahnung an der Widerlagerscheibe k und die Verzahnung
p am Radkörper b, der Ring q und dessen Antriebsvorrichtungen
stellen die Umstellvorrichtung dar. Auf diese kommen während des Betriebs und der
bloßen Verstellung der Schaufeln zum Zwecke der Regelung keine von dem Wasserdruck
auf die Schaufeln herrührenden Kräfte, weshalb sie entsprechend leicht ausgebildet
werden kann. Die axialen, vom Spindeltrieb der Verstellvorrichtung herrührenden
Kräfte werden nämlich über die Widerlager k unmittelbar auf den Radkörper
b übertragen, während die um die Achse a drehenden Kräfte dadurch unwirksam
sind, daß die beiden Verstellvorrichtungen gegen eine gegenseitige Verdrehung miteinander
verriegelt werden. Diese Verriegelung darf selbstverständlich nur während des Betriebs
der Maschine bestehen und
muß bei der Umstellung der Schaufeln wieder
aufgehoben werden.