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Kupplungsaggregat zur lösbaren Verbindung zweier Wellen Die Erfindung
bezieht sich auf ein Kupplungsaggregat zur lösbaren Verbindung zweier Wellen, insbesondere
zur Verbindung eines elektrischen Generators mit einer Antriebsmaschine, wobei eine
elektromagnetische Zahnkupplung vorgesehen ist, die das asynchrone Hochlaufen ermöglicht
.und durch die das synchrone Mitlaufen der einem Welle mit der anderen erzwungen
werden kann.
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In elektrischen Kraftzentralen bleibt normalerweise der elektrische
Generator auch während der Zeit, da er zur Stromerzeugung nicht benötigt wird, ans
Netz angeschlossen und läuft synchron als Phasens.chieiber. Für diesen Phasenschieberbetrieb
muß die Antriebsmaschine von der elektrischen Maschine abgekuppelt und für den Stromerzeugerbetrieb
wieder 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.
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Bisher vorhandene Kupplungen sind zur Lösung dieser Aufgabe wenig
geeignet. Mechanische Klauenkupplungen, die imstande sind, die großen Leistungen
zu übertragen und auch unbegrenzt lange ausgeschaltet laufen können, erfordern komplizierte
Synchronisiere:inrichtungen, um einen Synchronlauf der beiden Maschinen für .den
Augenblick des Zusammenkuppelns herbeiführen und feststellen zu können. Dabei 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.
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Das erfindungsgemäße Kupplungsaggregat, welches die erwähnten Nachteile
nicht aufweist, ist dadurch @@ekennzeichnet, daß parallel zur .elektromagnetischen
Kupplung eine mechanische Klauenkupplung angeordnet ist, die gleich viel Klauen
oder ein ganzes Vielfaches an Klauen aufweist wie,die elektromagnetische Kupplung
Zähne hat, wobei die Kupplungshälften der beiden Kupplungen je in einer solchen
Winkellage mit der zugehörigen Welle verbunden sind, daß nach Synchronisierung durch
die elektromagnetische Kupplung die Kupplungshälften der mechanischen Klauenkupplung
mit Klaue auf Klauenlüoke stehen, so daß die Hälften der mechanischen Kupplung während
der Drehung ineinander eingerückt werden können.
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In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Kupplungsaggregat schematisch
dargestellt. Es zeigt Fig. 1 einen Schnitt in Achsenrichtung durch das erfindungsgemäße
Kupplungsaggregat, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie I-1 in Fig. 1.
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In Fig. 1 ist eine Welle 1 mit einem Kupplungskörper 2 verbunden,
der an seiner Innenseite eine Innenverzahnung 3 aufweist und mit ,einem Ring 4 aus
magnetisierbarem weichem Eisen versehen ist. Eine zweite Welle 5 ist in einem Lager
6 im Gehäuse 7 drehbar gelagert. Die Welle 5 ist mit einem Kupplungsteil
8 fest verbunden, der mit zwei Ringen 9, ebenfalls aus magnetisierbarem Material,
versehen ist. Die Ringe 9 sind mittels zweier Ringe 10 und 11
aus nicht
magnetisierbarem Material auf dem Kupplungsteil 8 befestigt. Wie in Fig. 2 .gezeigt
ist, sind die Ringe 4 und 9 mit Aussparungen 12 bzw. 13 versehen, die- durch nicht
magnetisierbares Material ausgefüllt sind. Gegenüber den Ringen 9 ist im Gehäuse
7 ein Polring 14 befestigt, in welchem sich eine elektrische Spule 15 mit
Zuleitungen 16, 17 (Fig. 2) befindet. Die Welle 5 ist mit einem verschiebbaren
Teil 18 versehen, welcher eine Verzahnung 19, die in die Verzahnung 3 eingreift,
und eine Verzahnung 20, die in eine Verzahnung 21 im Teil
8 eingreift, aufweist. Der verschiebbare Teil 18 ist mit einer Ausnehmung
22 versehen, in die ein auf der Welle 5 ausgebildeter Ansatz 23 eingreift.
Beiderseits des Ansatzes 23 münden in, die zwischen der Welle 5 und der Ausnehmung
22 des Teiles 18 :gebildeten Zwischenr:äume Kanäle 24 und
25, welche an eine Quelle von hydraulischem Druckmittel anschließbar sind.
Die
Bewegung des Teiles 18 ist durch auf der Welle 5
befindliche Ansätze
26 und 27 begrenzt.
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Der Polring 14 mit der Spule 15 bildet zusammen mit den Ringen 4,
9 und mit den mit ihnen verbundenen Teilen eine elektromagnetische Zahnkupplung.
Beim Einführen elektrischen Stromes in die Spule 15 entsteht um diese herum ein
magnetisches Feld, welches sich über die Teile 14, 9 und 4 schließt.
In den zwischen den Aussparungen 12 und 13 gebildeten, magnetisch
leitenden sogenannten Zähnen konzentriert sich der magnetische Fluß. Zwischen den
Teilen 4 und 9 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 Druckmittel in denn
Kanal 24 der Teil 18 in Fig.1 nach links verschoben werden und ein Einschieben der
Verzahnung 19 in die Verzahnung 3 bewirken. Dadurch wird der Kupplungsteil 2 mit
dem Kupplungsteil 8 mechanisch verbunden. Wird umgekehrt der Kanal 24 drucklos und
das Druckmittel dem Kanal 25 zugeführt, so wird die Verbindung zwischen den Verzahnungen
19 und 3 und dadurch zwischen den Kupplungsteilen 2 und 8 durch Verschieben des
Teiles 18 in Fig. 1 nach rechts, unterbrochen. Die gegenseitige Läge der Aussparungen
12 und 13
und der Verzahnungen 3 und 19 ist beim erfindungsgemäßen
Kupplungsaggregat derart, daß beieinander gegenüberliegenden Aussparungen 12 und
13 die Verzahnung 19 in die Verzahnung 3 einschiebbar ist. Zu diesem Zweck muß die
Zähnezahl der Verzahnungen 3 und 19 gleich groß sein oder ein Vielfaches der Anzahl
der Aussparungen 12 und 13 betragen. Um ein leichteres Einschieben
der Verzahnungen 3 und 19 zu gestatten, sind die einander zugewandten Enden der
Zähne abgerundet.
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Es sei angenommen, daß die Welle 5 mit der Welle eines elektrischen
Generators und die Welle 1 mit der Welle einer Gasturbine verbunden ist. Der elektrische
Generator befindet sich im Phasenschieberbetrieb, d. h. er läuft unbelastet synchron
mit dem Netz. Soll nun der Generator elektrische Energie erzeugen, so muß er mit
der Gasturbine verbunden werden. Das geschieht mit Hilfe .des erfindungsgemäßen
Kupplungsaggregates mit Vorteil auf die Weise, daß die Gasturbine mit der Welle
1 durch eigene Kraft oder durch einen Hilfsantrieb in Betrieb gesetzt und annähernd
auf die Synchrondrehzahl des Netzes gebracht wird. Dann wird durch Stromzuführung
in die Spule 15 die elektromagnetische Zahnkupplung erregt. Diese Kupplung gleicht
einen vorhandenen Unterschied an Drehzahlen zwischen Generator und Gasturbine aus
und bringt die beiden zu einem Synchronlauf, bei dem sich die Aussparungen
12 und 13
gegenüberstehen. Nun kann durch Zuführung von hydraulischem
Druckmittel in den Kanal 24 der Teil 18 mit seiner Verzahnung 19 in die Verzahnung
3 eingeschoben werden. Dadurch werden die beiden Wellen 1 und 5 mit ihren Kupplungsteilen
2 und B mechanisch miteinander verbunden. Nachdem dieser Schaltvorgang durchgeführt
ist, kann die Stromzuführung zur Spule 15 unterbrochen werden.
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Wird umgekehrt die Gasturbine abgeschaltet, so können die Verzahnungen
3 und 19 direkt durch Zuführung von hydraulischem Druckmittel in den Kanal 25 außer
Eingriff gebracht werden. Vorteilhaft-erweise wird jedoch die durch die Verzahnungen
3 und 19; 20 und 21 und den Teil 18 gebildete mechanische Klauenkupplung durch Erregung
der elektromagnetischen Zahnkupplung entlastet.
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Das erfindungsgemäße Kupplungsaggregat gestattet ein einfaches Synchronisieren
und Zusammenschalten zweier zu verbindender Wellen bei beliebig hohen Drehzahlen
und ist zum Übertragen der größten Leistungen geeignet. In ausgekuppeltem Zustand
kann das erfindungsgemäße Kupplungsaggregat unbegrenzt lange laufen, da es keine
sich gegenseitig berührenden mechanischen Teile aufweist.
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Das erfindungsgemäße Kupplungsaggregat .eignet sich insbesondere zur
Verbindung einer Gasturbine. mit einem Generator. Gasturbinen werden bekanntlieh
in elektrischen Netzwerken hauptsächlich zur Übernahme der Spitzenbelastung eingesetzt
und werden daher öfter ein- und ausgeschaltet, wobei auf die Schnelligkeit des Eire-
und Ausschaltevorgangs Wert gelegt wird. Auch arbeiten diese mit viel höheren Drehzahlen
als z. B. Wasserturbinen, so däß z. B. die bei den Wasserturbinen angewandten hydraulischen
Kupplungen für Gasturbinen nicht geeignet sind. Es ist jedoch ohne weiteres möglich,
das erfindungsgemäße Kupplungsaggregat mit Vorteil auch bei anderen Antriebsmaschinen
von Generatoren als bei Gasturbinen, also z. B. bei Dampf- oder Wasserturbinen einzusetzen.
Allgemein kann das erfindungsgemäße Kupplungsaggregat überall dort eingesetzt werden,
wo es sich um die lösbare, in Bewegung schaltbare Verbindung zweier Wellen handelt.
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Es versteht sich, daß die als Beispiel dienende beschriebene Anordnung
in verschiedenster Art abgeändert werden kann. So kann z. B. die durch die Verzahnungen
3 und 19, 20 und 21 gebildete Kupplung durch eine beliebige mechanische Klauenkupplung
ersetzt werden. Auch die Betätigung dieser Kupplung braucht nicht, wie im angeführten
Beispiel, hydraulisch zu erfolgen, sondern diese kann auch z. B. mechanisch, elektromagnetisch
usw. durchgeführt werden. Dasselbe trifft auch auf die durch die Teile
4, 9, 14 und 15 gebildete elektromagnetische Zahnkupplung zu, welche
auch in an sich bekannter Weise verschiedene Abänderungen erfahren kann.
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Das in der Beschreibung erwähnte Anfahren der Turbine mit eigener
Kraft bzw. mit einem Hilfsantrieb bis in die Nähe der Synchrondrehzahl hat den Vorteil,
daß die elektromagnetische Zahnkupplung nur der Synchronisierung beider zu verbindenden
Wellen dient und dementsprechend klein dimensioniert werden kann. Es ist jedoch,
insbesondere auf anderen Verwendungsgebieten, ohne weiteres möglich, daß die elektromagnetische
Zahnkupplung allein, bei entsprechender Dimensionierung, die Beschleunigung der
einzukuppelnden Welle und der mit ihr verbundenen Maschine übernimmt.