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Einrichtung zum Begrenzen der Drehzahl des Generators eines Was,serturbinen-Generator-Satzes
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Begrenzen der Drehzahl des Generators
eines Wasserturbinengeneratorsatzes, mit einem die Drehzahl der elektrischen Maschine
gegenüber derjenigen der hydraulischen Maschine ins Schnelle übersetzenden Planetengetriebe.
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Beim Bau hydroelektrischer Maschinensätze ist es üblich, den von einer
Wasserturbine angetriebenen Stromerzeuger für die Durchgangsdrehzahl der Turbine
zu bemessen, um volle Sicherheit für den Maschinensatz und das Betriebspersonal
gewährleisten zu können. Diese Gepflogenheit zwingt den Konstrukteur des Stromerzeugers,
den Läufer durchgangssicher auszubilden, was einen beachtlichen Kostenaufwand verursacht.
Dabei ist zu beachten, daß insbesondere bei Niederdrucksätzen, die zudem starken
Gefällsschwankungen unterliegen, die Durchgangsdrehzahl das 3,5-fache der normalen
Betriebsdrehzahl erreichen kann.
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Um die Abmessungen des Stromerzeugers klein zu halten, ist man dazu
übergegangen, zwischen die Turbine und den Stromerzeuger ein Planetenradgetriebe
einzuschalten und den letzteren gegenüber der Turbine mit erhöhter Drehzahl zu betreiben.
Die mit dieser ?Maßnahme erreichbaren Vorteile können aber nur voll ausgenutzt werden,
wenn nicht der Übersetzung der Drehzahl ins Schnelle durch die Drehzahlerhöhung
der Turbine beim Durchgehen Grenzen gesetzt werden. Es läßt sich also ein Fortschritt
in der konstruktiven Entwicklung erreichen, wenn es gelingt, unzulässige Überdrehzahlen
des Stromerzeugers zu vermeiden.
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Es ist eine Einrichtung bekannt, bei der ein Stromerzeuger einen Fliehkraftregler
besitzt, der mit dem Läufer fest verbunden ist und eine Kupplung so steuert, daß
bei übernormaler Drehzahl des Antriebes der Stromerzeuger entkuppelt wird.
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Versuche mit entsprechenden Kupplungen zwischen elektrischer und hydraulischer
Maschine einer Wasserkraftanlae haben jedoch gezeigt, daß die üblichen Kupplungen'
nicht so zuverlässig arbeiten, daß ein wirklicher Schutz der elektrischen Maschine
gegen Überdrehzahl gewährleistet wäre. Die elektrische Maschine muß also trotz Vorsehen
der Kupplung den möglichen Überdrehzahlen entsprechend kräftig dimensioniert werden.
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Aus dem Fahrzeuggetriebebau sind Planetengetriebe bekannt. bei denen
ein Getriebeteil entweder zum Andern des Übersetzungsverhältnisses allmählich immer
stärker abgebremst, oder zum Einschalten einer Übersetzungsstufe festgehalten "werden
kann.
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Um nun für den Generator die mit der Erfindung beabsichtigte absolut
sichere Einhaltung einer nur wenig über der Betriebsdrehzahl -liegenden Höchstdrehzahl
zu erzielen, wird bei einer Einrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß
eine an sich bekannte Feststelleinrichtung für einen Getriebeteil des Planetengetriebes
während aller normalen Betriebszustände vorgesehen, die spätestens bei Erreichen
der zulässigen Höchstdrehzahl des Generators freigegeben wird.
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Auf diese Weise ist es möglich, die Abmessungen des Generators bei
Ausschaltung jeder Gefahr auf ein Minimum zu reduzieren.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispiels-,veise in
vereinfachter Darstellung veranschaulicht. Es zeigt Fig. 1 einen teilweisen axialen
Längsschnitt durch eine Wasserturbinenanlage mit zwischen Turbine und Stromerzeuger
angeordnetem Planetenradgetriebe, und Fig. 2 einen Schnitt durch das Planetenradgetriebe
mit der Sicherheitsvorrichtung in größerem Maßstab. Der Maschinensatz der Wasserturbinenanlage
ist in einem rohrförmigen Kanal untergebracht, der nacheinander von einzelnen Ummantelungsteilen
1, 2, 3, 4 und 5 begrenzt ist. Das Turbinenlaufrad weist eine Nabe 6 mit im Betrieb
verstellbaren Laufschaufeln 7 auf.
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Das Laufrad ist auf der Zuströmseite in einer feststehenden Haube
8, welche durch feste Leitschaufeln 3 mit dem Ummantelungsteil l verbunden ist,
gelagert. Ein weiteres Lager befindet sich auf der Gegenseite innerhalb eines konischen
Gehäuseteils 10, welcher die Verbindung mit dem Gehäuse 11 des Stromerzeugers herstellt.
Dieses ist im Ummantelungsteil4 durch hohle Streben 12 gehalten und auf der Abströmseite
durch eine Haube 13 abgeschlossen.
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Die Leistungsübertragung vom Turbinenlaufrad auf den Läufer des Stromerzeugers
erfolgt über ein Planetenradgetriebe
14. Gemäß Fig. 2 weist dieses
einen Planetenradträger 15 auf, welcher mit einem Kupplungsteil 16 der Turbinenwelle
fest verbunden ist, und auf welchem drei Planetenräder 17 aufgesetzt sind, von denen
in Fig. 2 eines im Schnitt gezeigt ist. Es läuft auf einem im Planetenradträger
15 eingesetzten hohlen Zapfen 18.
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Die Planetenräder 17 greifen in zwei Verzahnungen 19 eines normalerweise
feststehenden Außenrades 20 ein. Auf der Innenseite stehen sie mit einem Innenrad
21 im Eingriff. Dieses steht über ein nachgiebiges Glied 22 mit einem Kupplungsteil
23 in Verbindung, welcher das Drehmoment auf die Welle des Stromerzeugers überträgt,
deren Antriebsende in Fig. 2 mit 24 bezeichnet ist. Das Außenrad 20 des Planetenradgetriebes
steht über ein nachgiebiges zylindrisches Zwischenglied 25 mit einem Rad 26 in Verbindung,
«-elches auf einem mit dein Planetenradträger 15 fest verbundenen Teil 27 drehbar
gelagert ist.
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Das Planetenradgetriebe ist mit einer Feststelleinrichtung versehen,
welche aus längs des Umfanges des Rades 26 verteilten Brembacken 28 besteht. Diese
belegen die Innenseite eines mit einer Zwischenwand 29 des konischen Gehäuseteiles
10 fest verbundenen Ringes 30 und sind voll diesem Ring durch einen mit einer elastischen
Membran 31 abgedichteten Ringspalt 32 getrennt.
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Dieser Ringspalt wird über eine Leitung 33 mit Druckflüssigkeit versorgt.
Im Normalbetrieb wird in dem Ringspalt ein so hoher Flüssigkeitsdruck aufrechterhalten,
daß die Bremsbacken 28 entgegen der Wirkung voll Rückstellfedern 34 an das Rad 26
gepreßt «-erden. Damit wird auch das mit dem Rad 26 verwundene Außenrad 20 - des
Planetenradgetriebes festgehalten. Die Drehbewegung der Turbinenwelle wird somit
durch das Planetenradgetriebe mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis auf die
Welle des Stromerzeugers übertragen.
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Die Leitung33 erhält dieDruckflüssigkeit von einer Leitung 35. welche
gemäß Fig. 1 an einem durch eine Pumpe 36 versorgten Windkessel 37 angeschlossen
ist. In der Leitung 35 ist ferner eine Blende 38 vorgesehen.
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Zwischen den Leitungen 33 und 35 ist ein Abflußorgan eingeschaltet,
«-elches aus einem Rohr 39 bestellt. Dieses ist in einem an einer Zwischenwand 40
des Gehäuses 11 befestigten Körper 41 in seiner Achsrichtung geführt. Die Leitungen
33 und 35 stehen mit einem im Körper 41 angebrachten Ringkanal 42 in Verbindung,
welcher das Rohr 39 umgibt. Dieses ist ferner mit radialen Bohrungen 43 versehen.
Das Rohr wird normalerweise durch eine Klinke 44 in einer Grenzlage gehalten, in
welcher sich die Bohrungen 43 oberhalb des Ringkanals 42 befinden. Der Ringkanal
stellt hierbei nur mit den Leitungen 33 und 35 in Verbindung, während er gegen das
Innere des Rohres 39 abgeschlossen ist.
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Auf dem die Verbindung zwischen dem Innenrad 21 des Planetenradgetriebes
und dem Kupplungsteil 23
des Läufers des Stromerzeugers herstellenden Glied
22 ist eitle Vorrichtung angebracht, welche bei Erreichen einer bestimmten Drehzahl
dieses Gliedes und damit der Welle 24 des Stromerzeugers anspricht. Sie besteht
aus einem durch Federlamellen 45 gehaltenen e--"zentrisclien Ring 46. Die Elastizität
der Federlamellen ist so bemessen, daß der Ring infolge seiner einseitig wirkenden
Fliehkraft bei einer bestimmten Drehzahl, welche über der normalen Betriebsdrehzahl
des Stromerzeugers liegt, aber dessen höchstzulässige Drehzahl nicht überschreitet,
all einen Stift 47 anschlägt. Dieser drückt dann auf die Klinke 44, welche entgegen
der Wirkung einer Feder 48 gegen den Uhrzeigerdrehsinn ausschwenkt. Das Rohr 39
wird damit befreit. Es bewegt sich unter Wirkung einer Feder 49 nach unten und gelangt
in eine Lage, bei welcher die Bohrungen 43 eine Verbindung zwischen dem Ringkanal
42 und dem Innern des Rohres 39 herstellen. Die Druckflüssigkeit kann somit aus
der Leitung 33 durch das Innere dieses Rohres abfließen.
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Da die Flüssigkeitsnachlieferung über die Blende 38 erfolgt, sinkt
bei Freigabe des Abflusses durch die Bohrungen 43 der Druck in der Leitung 33 und
damit auch im Ringspalt 32 der Feststelleinrichtung. Die Bremsbacken 28 werden durch
die Wirkung der Rückstellfedern 34 vom Rad 26 abgehoben. Dieses kann sich daher
mit dem Außenrad 20 des Planetenradgetriebes frei drehen, so daß über die Planetenräder
17 kein Drehmoment mehr von der Turbine auf den Stromerzeuger übertragen werden
kann. Eine weitere Drehzahlerhöhung des Läufers des Stromerzeugers wird daher vermieden.
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Die beschriebene Sicherheitseinrichtung besteht somit in der lösbaren
Feststelleinrichtung für ein normalerweise feststehendes Teil des Planetenradgetriebes,welche
im wesentlichen durch die Bremsbacken 28 gebildet wird, und der im wesentlichen
aus dem Exzenterring 46 mit Stift 47, Klinke 44 und Abflußorgan 39 bestehenden Vorrichtung,
wobei eine derartige Wirkungsverbindung zwischen beiden besteht. daß bei Erreichen
einer bestimmten Drehzahl des Stromerzeugers eine Lösung der Feststelleinrichtung
bewirkt wird.
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Statt einer mechanischen Auslöseeinrichtung kann auch eine auf irgendwelchen
anderen Prinzipien beruhende, auf das Erreichen einer bestimmten Drehzahl ansprechende
Einrichtung vorgesehen werden. So ist beispielsweise in Fig. 1 am äußeren Wellenende
des Stromerzeugers ein elektrisches Gerät 50 vorgesehen, welches bei Erreichen einer
bestimmten Drehzahl einen durch eine Stromquelle 51 gespeisten Stromkreis schließt,
der dabei auf magnetischem Wege ein Ventil 52 anhebt. Dieses gibt den Ausfluß von
Flüssigkeit aus der Leitung 35 frei und bewirkt so in gleicher Weise ein Absenken
des Druckes im Ringspalt 32 und ein Lösen der Feststelleinrichtung.
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Statt einer hydraulischen Übertragung der Auslösewirkung auf die Feststelleinrichtung
können auch andere, beispielsweise pneumatische oder elektrische übertragungsmittel
verwendet werden.
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Mit grundsätzlich gleicher Wirkung kann die auf das Erreichen einer
bestimmten Drehzahl des Stromerzeugers ansprechende Einrichtung auch finit einem
Teil verbunden werden, welcher mit der Drehzahl der Turbine umläuft, da bei normalem
Betrieb die Feststelleinrichtung eingeschaltet ist und eine Proportionalität zwischen
den Drehzahlen der Turbine und de: Stromerzeugers besteht.
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Die erfindungsgemäße Sicherheitseinrichtung läßt sich auch bei einer
Wasserturbinenanlage mit einem Planetenradgetriebe verwenden, bei welchem ein anderer
Getriebeteil als das Außenrad im normalen Be trieb festgehalten ist, das heißt,
wenn beispielsweise der Planetenradträger festgehalten und das Außenrad durch die
Wasserturbine angetrieben wird. Die Feststelleinrichtung hat dann am Planetenradträger
anzugreifen.