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Umsteuervorrichtung für Gasturbinen, insbesondere für Schiffsantriebe
Die Erfindung betrifft Turbinenumsteuervorrichtungen für Gasturbinen mit Untersetzungsgetriebe
und diesem vorgeschalteten Stirnradwendegetriebe, wie sie hauptsächlich für Schiffsantriebe
Verwendung finden. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Umsteuervorrichtung,
bei der über einen Umsteuerhebel jede Drehrichtung über eine ihr zugehörige Kupplung
schaltbar und das Drosselventil der Turbine während des Umsteuerns schließbar ist.
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Es ist bereits bekannt, bei Schiffsmaschinenanlagen auf die Wellenleitungen
wirkende Bremsen zum schnellen Stillsetzen umlaufender Massen vorzusehen, um eine
schnelle Umsteuerung der Antriebsanlage zu erzielen. Des weiteren ist es bei radial
beaufschlagten Dampfturbinen bekannt, einen Läufer der Turbine durch eine Bremse
festzuhalten, welche auf einer im Zahnradeingriff mit der Läuferwelle stehenden
Welle angeordnet ist.
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Gemäß der Erfindung ist die gesamte Anlage durch den Umsteuerhebel
zu Beginn jeder Umsteuerung mit Hilfe einer an sich bekannten Bremse auf der Antriebswelle
(»Wellenbremse«) stillsetzbar und die Gasturbine durch eine Haltebremse während
des Aus- und Einkuppelns festsetzbar (bzw. umgekehrt beim Wiederanlassen); ferner
wird die eigentliche Umsteuerbewegung des Umsteuerhebels, nämlich die Bedienung
der Kupplungen, durch eine auf der Abtriebswelle angebrachte, auf Drehzahl ansprechende
Vorrichtung verhindert, solange die Anlage nicht stillsteht.
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Unter anderem weist die Erfindung den Vorteil auf, daß eine Einrichtung
zur Steuerung der Schiffsbewegung durch einen einzigen Betätigungshebel sehr einfach
auszuführen ist, daß die Einrichtung platzsparend ist und das Gesamtgewicht bei
niedrigen Ausgangskosten und die laufenden Unterhaltungskosten gering gehalten werden
können.
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Wenn die Gaszufuhr zur Turbine nicht vollständig abgesperrt werden
kann, wird eine ganz geringe Weiterdrehung der Turbine relativ zur angehaltenen
Antriebswelle eintreten, so daß die Kupplung außer Eingriff bleibt. In diesen Fällen
ist es vorteilhaft, eine Hilfs- bzw. Haltebremse auf der Welle der Turbine anzuordnen,
um durch Rückwärtsdrehen dieser Hilfsbremse die noch vorhandene Relativdrehung zur
Schiffsantriebswelle aufzuheben und ein leichtes Herausziehen der eingerückten Kupplung
zu ermöglichen. Diese Hilfsbremse kann auch die Turbine festhalten, wenn die zwei
Kupplungen sich in einer »neutralen« Lage befinden.
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In einem speziellen Ausführungsbeispiel nach der Erfindung sind die
zwei Ritzel, welche durch die Kupplungen zu- und abschaltbar sind, auf Hohlwellen
befestigt, die frei drehbar auf den Kupplungswellen, die mit den Wellen der Zahnräder
für die Drehzahlumkehrung verbunden sind, laufen und die ein Kupplungsglied besitzen,
mit dem jeweils eine von ihnen mit ihrer Kupplungswelle verbindbar ist, wobei das
entsprechende Kupplungsglied auf der zugehörigen Kupplungswelle axial, d. h. relativ
zu den auf den Hohlwellen festen Kupplungsgliedern, verschiebbar ist.
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Nach einem weiteren Erfindungsgedanken besitzen die Kupplungen je
zwei besonderer, auf den Kupplungswellen axial verschiebbare, gezahnte Glieder,
die in und außer Eingriff mit den entsprechenden Zähnen der zugehörigen, in axialer
Richtung nicht beweglichen, auf der Hohlwelle festen Glieder gebracht werden, bei
denen abwechselnd Zähne weggelassen sind, und die so um einen Zahnabstand gegeneinander
winkelversetzt sind, daß bei axialer Blickrichtung die Zähne der einen solchen Glieder
zwischen den Zähnen der anderen Glieder liegen.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen näher beschrieben.
In den Zeichnungen stellt Fig. 1 einen Grundriß, Fig. 2 eine Seitenansicht nach
der Linie A -A aus Fig. 1 einer Zahnradanordnung für Schiffsantriebe dar.
In
den Zeichnungen sind die beiden Elemente für Rückwärtsfahrt und einen linksläufigen
Antrieb dargestellt. Die Drehrichtung der Wellen und Räder für Vorwärtsfahrt ist
durch voll ausgezogene Pfeile dargestellt; die gestrichelten Pfeile zeigen diese
Elemente für die Rückwärtsfahrt.
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Eine Gasturbine 1 ist mit einem Zahnrad 2; das mit einem Zahnrad 3
mit gleichem Durchmesser im Eingriff steht und somit entgegengesetzten Drehsinn
hat, verbunden. Die Räder 2, 3 sind mit Wellen 4, 4 verbunden, die durch Hohlwellen
5, 5 hindurchgreifen, welche Ritzel 6, 7 tragen, die beide mit einem dazwischenliegenden
Zahnrad 8 im Eingriff stehen. Die Ritzel 6, 7 sind auf den Wellen 4 frei drehbar.
Das Zahnrad 8 ist mit einem Hauptritzel 9 verbunden, das in ein langsam umlaufendes
Rad 10 eingreift. Dieses Rad 10 ist auf der Abtriebswelle 11 angebracht.
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Die der Turbine abgewandten Enden der Wellen 4, 4 sind mit den antreibenden
Gliedern der Kupplungen 12, 13 verbunden, die getriebenen Glieder mit den Hohlwellen
5, 5. Diese Kupplungen sind Direktkupplungen aus zwei getrennten, gezahnten Gliedern,
die in axialer Richtung in geraden Keilnuten in oder außer Eingriff mit Zähnen eines
axial unverschiebbaren weiteren, auf der Hohlwelle festen Gliedes gleiten. Bei den
zwei verschiebbaren Gliedern sind abwechselnd Zähne ausgelassen, und sie sind um
einen Zahnabstand gegeneinander winkelversetzt, so daß, in axialer Richtung gesehen,
die Zähne des einen Gliedes zwischen den Zähnen des anderen Gliedes liegen. Bei
dem unverschiebbaren Glied sind ebenfalls abwechselnd Zähne fortgelassen, wodurch
gewährleistet ist, daß das eine oder andere Glied der verschiebbaren Glieder in
jede beliebige Stellung des unverschiebbaren Gliedes eingreifen kann. Wenn eines
der verschiebbaren Glieder bei der Drehung mitgenommen wird, kommen seine Zähne
mit denen des unverschiebbaren Gliedes in Berührung, und das andere verschiebbare
Glied kann dann in Eingriff , kommen, so daß die Verbindung nur ein geringes oder
gar kein Spiel besitzt.
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Die Kupplungen 12, 13 sind so miteinander verbunden, daß jeweils nur
eine von ihnen betätigt werden kann. Zur Betätigung der Kupplungen ist eine Vorrichtung
vorgesehen, die einen Handhebel 15 enthält, der zwischen der Stellung »vorwärts«,
der Stellung »Stopp« und der Stellung »rückwärts« beweglich ist. Der Hebel steht
über das schematisch durch die gestrichelte Linie 17 dargestellte Gestänge mit einer
Scheibenbremse 14 in Verbindung, durch welche die Abtriebswelle 11 angehalten und
stillgesetzt werden kann. Diese Wellenbremse 14 kann an irgendeiner Stelle der Abtriebswelle
sitzen und ist so bemessen, daß sie die Energie des rotierenden Systems aufnehmen
kann. Entsprechend der Größe der erforderlichen Bremsenergie können auch mehrere
Bremsvorrichtungen verwendet werden. Die die Kupplung betätigende Vorrichtung ist
ferner mit einer auf Drehzahl ansprechenden Vorrichtung 16 bekannter Ausführung
verbunden, die eine Bedienung der Kupplung vor dem Stillstand der Abtriebswelle
11 verhindert. Ein Drosselventil 18 für die Gaszufuhr zur Turbine wird ebenfalls
über den Hebel 15 durch ein Gestänge 19 gesteuert. Dieses steuert außerdem noch
eine Hilfsbremseinrichtung 20 auf der Turbinenwelle.
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Da die Zahnräder 2, 3 dauernd in Eingriff sind, rotieren sie in entgegengesetzter
Richtung. Die Ritzel 6 oder 7 können durch Betätigung der beiden Kupplungen 12 oder
13 das Zahnrad 8 in Drehung versetzen und damit die Abtriebswelle in der gewünschten
Richtung drehen.
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Wenn im Betrieb das Schiff in den mit Rad 3 und Ritzel7 im Leerlauf
gezeigten Stellungen rückwärts fährt und eine Bewegungsumkehr, also Vorwärtsfahrt,
gewünscht wird, so wird der Betätigungshebel 15 von der Stellung »rückwärts«
in die Stellung »vorwärts« umgelegt. Dies geschieht in einer Reihe von Betätigungsvorgängen
wie folgt: 1. Der Gasgenerator wird auf Leerlauf eingestellt, und das Drosselventil
18 wird geschlossen, so daß die Gasturbine 1 nicht mehr beaufschlagt wird.
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2. Die Bremse 14 bringt die Abtriebswelle 11 und somit die Turbine
1 zum Stillstand. Die Hilfs-bzw. Haltebremse 20 tritt in Tätigkeit, wenn alle Wellen
stillstehen.
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3, Wenn der Antrieb völlig stillsteht, ermöglicht die auf Drehzahl
ansprechende Vorrichtung 16, daß die Rückwärtskupplung 12 außer Eingriff gebracht
werden kann und die Vorwärtskupplung 13 eingeschaltet wird. Die Hilfsbremse 20 ist
dann gelöst.
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4. Hiernach wird die Bremse 14 auf der Abtriebswelle 11 gelöst, so
daß die Abtriebswelle sich frei drehen kann.
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5. Die Drosselung des Gasgenerators wird aufgehoben, und das Drosselventil
18 wird geöffnet und somit der Gasturbine, die in der Stellung »vorwärts«
über Kupplung 13 und Ritzel 7 antreibt, Energie zugeführt; hierbei läuft das Ritzel6
jetzt leer.
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Bei der Umkehr der Drehrichtung bleibt der Ablauf der Betätigungsvorgänge
derselbe. Lediglich in Punkt 3 wird die Vorwärtskupplung 13 außer Eingriff gebracht
und die Rückwärtskupplung12 eingeschaltet.
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Wie bereits erwähnt, ist die Anwendung des Erfindungsgegenstandes
nicht auf Schiffsantriebe beschränkt. Es kann in der Konstruktion auch von dem beschriebenen
Ausführungsbeispiel abgewichen werden, z. B. ist es nicht erforderlich, daß die
Bremse 14 eine Scheibenbremse ist.
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Die in der Zeichnung dargestellte Einrichtung gestattet es, die Zahl
der im Vorwärtslauf leer laufenden Teile zu vermindern. Der Vorwärtslauf erfolgt
durch die Zahnräder 2 und 3 und durch das Ritzel 7, so daß lediglich das Ritzel
6 leer mitläuft. Dies ist deshalb wesentlich, weil bei Schiffsantrieben fast ausschließlich
Vorwärtslauf in Frage kommt.
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Die angegebene Turbinen- und Getriebeanlage kann bei einer Doppelschraubenanordnung
verwendet werden, wobei die entgegengesetzte Drehrichtung des Antriebes durch Wechsel
der Kupplung erreicht werden kann.
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Man kann auch eine Stellung »Stopp« für den Hebel 15 vorsehen,
in der beide Kupplungen außer Eingriff sind. Dann kann Turbine 1 durch eine besondere
Drehvorrichtung in bekannter Weise in Drehung versetzt werden, um eine gleichmäßige
Läufertemperatur zu gewährleisten, ohne daß das Getriebe usw. mit umläuft.
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Die Haltebremse auf der Turbinenwelle ermöglicht es, daß während des
Durchlaufens durch die neutrale Stellung beim Übergang von der einen in die andere
Bewegungsrichtung das Zahnradvorgelege nicht durch die Turbine angetrieben wird.