DE1134856B

DE1134856B - Switchable toothed clutch, whose one ring gear is brought to an electrically synchronous speed of the other ring gear running at full speed before the clutch is engaged, especially for pumped storage plants

Info

Publication number: DE1134856B
Application number: DES56784A
Authority: DE
Inventors: Josef Husek; Dr-Ing Miroslav Nechleba
Original assignee: Sigma Lutin
Current assignee: Sigma Lutin
Priority date: 1957-02-08
Filing date: 1958-01-31
Publication date: 1962-08-16

Description

Schaltbare Zahnkupplung, deren einer Zahnkranz vor dem Einrücken der Kupplung auf eine elektrisch synchrone Drehzahl des anderen, mit voller Drehzahl laufenden Zahnkranzes gebracht wird, insbesondere für Pumpspeicherwerke Die Erfindung bezieht sich auf eine schaltbare Zahnkupplung, deren einer Zahnkranz vor dem Einrücken der Kupplung auf eine elektrisch synchrone Drehzahl des anderen, mit voller Drehzahl laufenden Zahnkranzes gebracht wird, insbesondere für Pumpspeicherwerke, in welchen mit einer Wasserturbine ein Synchrongenerator gekuppelt ist, der außerhalb der Hauptbedarfszeiten als Synchronmotor läuft und eine Speicherpumpe antreibt.Switchable tooth clutch, one of which is a ring gear before engaging the Coupling to an electrically synchronous speed of the other, at full speed running gear rim is brought, in particular for pumped storage plants The invention refers to a switchable gear clutch, one of which is a ring gear before engaging the clutch to an electrically synchronous speed of the other, at full speed running gear rim is brought, especially for pumped storage plants, in which a synchronous generator is coupled with a water turbine, which outside of the main demand times runs as a synchronous motor and drives a storage pump.

Zum Verbinden zweier Maschinenwellen, z. B. eines aus einer Turbine und einem Generator bestehenden Stromerzeuger-Maschinensatzes mit einer Speicherpumpe, sind Kupplungen verschiedener Art bekannt in Form mechanisch, hydraulisch oder elektromagnetisch ein- und ausrückbarer Zahnkupplungen oder in Form nichtausrückbarer Wellenkupplungen. Ist eine Speicherpumpe mit einem Stromerzeu-,er-Maschinensatz nicht ausrückbar gekuppelt, so läuft während des Stromerzeugerbetriebs die entwässerte Pumpe leer mit, d. h. das Pumpenrad wirkt wie ein Ventilator und verursacht einen hohen Euergieverlust.For connecting two machine shafts, e.g. B. one consisting of a turbine and a generator power generator machine set with a storage pump, clutches of various types are known in the form of mechanically, hydraulically or electromagnetically engaged and disengageable tooth clutches or in the form of non-disengageable shaft couplings. If a storage pump is not disengageably coupled to a power generator, er machine set, the drained pump runs empty while the power generator is in operation, ie. H. the impeller acts like a fan and causes a high loss of energy.

Der Gesamtwirkungsgrad des Maschinensatzes wird dadurch niedriger. Deshalb werden in Pumpspeicher-Kraftwerken üblicherweise schaltbare Zahnkupplungen zwischen dem Turbogenerator und der Speicherpumpe angewendet. Soll von Stromerzeugerbetrieb auf Pumpbetrieb umgeschaltet werden, so wird der mit der Pumpe verbundene Kupplungskranz vor dem Einrücken der Kupplung mittels einer drehzahlregelbaren Anfahrmaschine, z. B. einer Anfahrturbine oder eines Elektromotors mit nachgeschaltetem Strömungswandler, auf die elektrisch synchrone Drehzahl des mit dem Turbogenerator verbundenen anderen Kupplungskranzes hochgefahren. Dabei ist es auch bekannt, das Turbinenrad der Anfahrturbine mit dem einen Kupplungszahnkranz konstruktiv zu vereinigen.The overall efficiency of the machine set will be lower as a result. This is why switchable gear clutches are usually used in pumped storage power plants applied between the turbo generator and the storage pump. Target from power generation company are switched to pumping operation, the coupling ring connected to the pump is activated before engaging the clutch by means of a speed-adjustable start-up machine, z. B. a starting turbine or an electric motor with downstream flow converter, to the electrically synchronous speed of the other connected to the turbo generator Clutch rim raised. The turbine wheel of the starting turbine is also known to unite constructively with the one clutch ring gear.

Zur Verwendung als Anwurfturbine ist z. B. eine Freistrahlturbine bekannt. Wird diese unter dem Unterwasserspiegel angeordnet, so muß sie durch ein besonderes Pumpwerk entwässert werden. Außerdem ist, da die Drehzahlen der beiden Kupplungszahnkränze beim Einkuppeln sehr genau übereinstimmen müssen, ein komplizierter und kostspieliger Regler für die Anfahrturbine erforderlich.For use as a launch turbine z. B. a free jet turbine known. If this is arranged below the underwater level, it must be replaced by a special pumping station to be drained. Also, there is the speeds of the two Clutch sprockets must match very precisely when engaging, a complicated one and expensive governor for the start-up turbine required.

Wird der mit der Speicherpumpe verbundene Kupplungszahnkranz mit Hilfe eines drehzahlregelbaren Elektromotors oder mittels eines Elektromotors, dem zum Zwecke der Drehzahlregelung ein hydrodynamischer Wandler nachgeschaltet ist, auf die Drehzahl des anderen, mit dem Turbogenerator verbundenen Kupplungszahnkranzes hochgefahren, so sind die auftretenden Schwierigkeiten nicht geringer als bei Verwendung einer Anfahrturbine. Der Anfahrmotor benötigt viel Platz in axialer Richtung, und sein Regler ist kompliziert und störanfällig.If the clutch ring gear connected to the storage pump is made using a speed-controllable electric motor or by means of an electric motor, the for A hydrodynamic converter is connected downstream for the purpose of speed control the speed of the other clutch ring gear connected to the turbo generator booted up, the difficulties encountered are no less than when using an approach turbine. The starting motor requires a lot of space in the axial direction, and its controller is complicated and prone to failure.

Verwendet man keine der genannten Anfahrmaschinen, so ist für ein Einrücken oder Ausrücken der Kupplung die Drehzahl des Turbogenerators auf einen hinreichend weit unter der synchronen Drehzahl liegenden Wert herabzusetzen und dann wieder allmählich auf den vollen Wert zu erhöhen. Dies widerspricht der Forderung, die Kupplung während des Stromerzeugerbetriebes einrücken zu können, wenn der mit der Turbine verbundene, mit synchroner Drehzahl laufende Generator an das Netz angeschlossen ist.If you do not use any of the mentioned start-up machines, then one is for Engaging or disengaging the clutch increases the speed of the turbo generator to one sufficiently far below the synchronous speed and reduce the value then gradually increase again to the full value. This contradicts the requirement to be able to engage the clutch while the generator is in operation, if the with The generator connected to the turbine and running at synchronous speed is connected to the grid is.

Durch die Erfindung werden die angeführten Nachteile vermieden. Das Verbinden und Lösen von Turbogenerator und Speicherpumpe kann bei voller Drehzahl durchgeführt werden, wobei das Einrücken der Kupplung bei der synchronen Drehzahl, also stoßfrei, erfolgt.The stated disadvantages are avoided by the invention. That Connecting and disconnecting the turbo generator and storage pump can be carried out at full speed be performed with the indentation the clutch in the synchronous Speed, i.e. bumpless, takes place.

Die Erfindung besteht darin, daß der eine Zahnkranz der Kupplung im Rotor eines synchronisierten Elektromotors, vorzugsweise eines synchronisierbaren Asynchronmotors, angeordnet ist.The invention consists in that the one ring gear of the clutch in the Rotor of a synchronized electric motor, preferably a synchronizable one Asynchronous motor, is arranged.

An Hand der Zeichnung sei die Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt einen vertikalen Längsschnitt durch eine Kupplung nach der Erfindung.The invention is explained in more detail with reference to the drawing. The drawing shows a vertical longitudinal section through a coupling according to the invention.

Der Elektromotor besteht aus dem Stator 26 und dem Rotor 25, dessen Innenteil 1 einen Führungszahnkranz 2 aufweist. Der in de - r Zeichnung im Schnitt dargestellte Rotorteil 1 ist links schraffiert und rechts in der Teilungsebene ohne Schraffur gezeigt. Der Rotor 1 ist innen als hydraulischer Schaltzylinder für die Kupplung ausgebildet. Der Zylinderraum ist in bekannter Weise mittels eines Differentialkolbens 6 in zwei Druckräume 3 und 4 von verschiedenem Durchmesser unterteilt. Mit 5 und 7 sind Dichtungsringe bezeichnet.The electric motor consists of the stator 26 and the rotor 25, the inner part 1 of which has a guide ring gear 2. The rotor part 1 shown in the drawing in section is shaded left and right shown in the division plane without hatching. The inside of the rotor 1 is designed as a hydraulic shift cylinder for the clutch. The cylinder space is divided in a known manner by means of a differential piston 6 into two pressure spaces 3 and 4 of different diameters. With 5 and 7 sealing rings are designated.

In dem Führungszahnkranz 2 ist der eine Kupplungszahnkranz 8 verschiebbar geführt. Er wird beim Einrücken der Kupplung in den Zahnkranz 9 der Kupplungsnabe 10 geschoben. Die Zahnkränze 2 und 9 sind mit den Teilen 1 und 10 beispielsweise durch Paßfedern 11 drehfest verbunden. Der Differentialkolben 6 ist unten mit einer Stange 12 verbunden. Die Stange 12 weist eine durchgehende öffnung 13 auf. Durch sie wird -über die Kanäle 14 dem Druckraum 3 Drucköl zugeführt. Die Stange 12 ist mit radialem Spielraum in einer axialen Bohrung der Welle 15 gelagert, an ihrem unteren Ende ist ein Kolben 16 angeordnet. Die Welle 15 weist unterhalb des Kolbens 16 eine radiale Bohrung 17 auf, durch welche Drucköl aus dem als Wellenlager ausgebildeten Anschlußstück 18 dem Druckraum 3 zugeführt wird, wofür das Anschlußstück einen Ringkanal 17 aufweist. Außerdem hat die Welle 15 eine radiale Bohrung 19, welche mit dem Ringkanal 19' des Anschlußstückes 18 in Verbindung steht. Von da wird das Drucköl dem Druckraum 4 über den Ringraum 27 zwischen Welle 15 und Stange 12 zugeführt. Die als Zylinder wirkende Hohlwelle mit dem Kolben 16 und der Kolbenstange 12 stellt eine konzentrische Doppelleitung vom Druckölanschlußstück 18 zu den Druckräumen 3, 4 des Kupplungsschaltzylinders dar. Solche axial beweglichen Doppelleitungen sind an sich als Flüssigkeitsleitungen bekannt, z. B. bei Wärmetauschern.In the guide toothed ring 2, the one coupling toothed ring 8 is slidably guided. When the clutch is engaged, it is pushed into the ring gear 9 of the clutch hub 10. The ring gears 2 and 9 are non-rotatably connected to the parts 1 and 10, for example by parallel keys 11. The differential piston 6 is connected to a rod 12 at the bottom. The rod 12 has a through opening 13 . Through them, pressure oil is supplied to the pressure chamber 3 via the channels 14. The rod 12 is mounted with radial clearance in an axial bore of the shaft 15 , and a piston 16 is arranged at its lower end. The shaft 15 has a radial bore 17 below the piston 16 through which pressurized oil is fed from the connecting piece 18 , which is designed as a shaft bearing, to the pressure chamber 3 , for which the connecting piece has an annular channel 17 . In addition, the shaft 15 has a radial bore 19 which is connected to the annular channel 19 'of the connecting piece 18 . From there, the pressure oil is fed to the pressure chamber 4 via the annular chamber 27 between the shaft 15 and the rod 12. The hollow shaft acting as a cylinder with the piston 16 and the piston rod 12 represents a concentric double line from the pressure oil connection piece 18 to the pressure chambers 3, 4 of the clutch shift cylinder. Such axially movable double lines are known per se as fluid lines, e.g. B. in heat exchangers.

Der zweiteihge Rotor 1 ist durch Paßschrauben 21 mit der Kupplungsnabe 20 verbunden. Die Pumpenwelle 15 ist mit der Nabe 20 z. B. durch eine Schraubenmutter 22 verbunden. Die Welle 23 ist auf ähnliche Weise durch eine Schraubenmutter 24 mit der Kupplungsnabe 10 verbunden. Der zweiteilige Rotor 1 ist mittels eines Schrumpfringes 25 zusammengehalten. Auf dem Schrumpfring 25 ist das elektromagnetisch aktive Blech des Motorrotors gelagert. Die Stellung des Differentialkolbens 6 bei ein- oder ausgerückter Kupplung wird durch den von der Zugstange 29 verschobenen Zeiger 28 angezeigt.The two-row rotor 1 is connected to the coupling hub 20 by fitting screws 21. The pump shaft 15 is connected to the hub 20, for. B. connected by a nut 22. The shaft 23 is similarly connected to the clutch hub 10 by a nut 24. The two-part rotor 1 is held together by means of a shrink ring 25. On the shrink ring 25, the electromagnetically active plate of the motor rotor is mounted. The position of the differential piston 6 when the clutch is engaged or disengaged is indicated by the pointer 28 displaced by the pull rod 29 .

Das Verbinden einer Speicherpumpe mit einem Turbogenerator erfolgt so: Bei voller Drehzahl des Generators wird die Welle 15 der wasserfreien Pumpe durch den Rotor 1 des asynchronen Elektromotors 26, 25, 1 aus dem Stillstand allmählich in Drehung versetzt. Die Synchrondrehzahl des Motors ist selbstverständlich gleich der Synchrondrehzahl des Turbogenerators, mit der dieser bei Stromerzeugerbetrieb läuft. Nach Erreichen der vollen Drehzahl wird der asynchrone Elektromotor synchronisiert. Die Kupplungsnabe 10 und der Rotor 1 sind zueinander so justiert, daß bei Synchrondrehzahl die Kupplungszähne 8 genau den Zahnlücken des Kupplungszahnkranzes 9 gegenüberstehen. Die Einstellung der Zähne 8 auf die Lücken des Kranzes 9 kann z. B. durch Verschieben der magnetischen Achse des Elektromotors 26, 25 durchgeführt werden. Nach Erreichen der vollen Synchrondrehzahl wird durch Drucköl, welches durch die Kanäle 19' und 19 und den Ringraum 27 und von dort in den Druckraum 4 gelangt, der Kupplungszahnkranz 8 in den anderen Kupplungszahnkranz 9 eingerückt. Damit ist eine drehfeste Verbindung von der Welle 23 zur Welle 15 hergestellt. Der Asynchromnotor 26, 25 wird abgeschaltet. Die Pumpe wird entlüftet, d. h. mit Wasser gefüllt. Der Maschinensatz läuft jetzt als Pumpwerk.A storage pump is connected to a turbo generator as follows: At full speed of the generator, the shaft 15 of the anhydrous pump is gradually set in rotation from a standstill by the rotor 1 of the asynchronous electric motor 26, 25, 1. The synchronous speed of the motor is of course equal to the synchronous speed of the turbo generator with which it runs when the power generator is in operation. After reaching full speed, the asynchronous electric motor is synchronized. The clutch hub 10 and the rotor 1 are adjusted to one another in such a way that, at synchronous speed, the clutch teeth 8 are exactly opposite the tooth gaps of the clutch ring gear 9. The setting of the teeth 8 on the gaps of the ring 9 can, for. B. be carried out by moving the magnetic axis of the electric motor 26, 25. After the full synchronous speed has been reached, the clutch ring gear 8 is engaged with the other clutch ring gear 9 by means of pressurized oil which passes through the channels 19 ′ and 19 and the annular chamber 27 and from there into the pressure chamber 4. A rotationally fixed connection from the shaft 23 to the shaft 15 is thus established. The asynchronous motor 26, 25 is switched off. The pump is vented, i. H. filled with water. The machine set is now running as a pumping station.

Soll die Pumpe abgestellt werden, ist umgekehrt zu verfahren: Die Pumpe wird mit Luft gefüllt, der Asynchronmotor 26, 25 eingeschaltet und das Drucköl durch die Kanäle 17', 17, 13, 14 dem Druckraum 3 des Kupplungsschaltzylinders zugeführt. Dadurch wird der Differentialkolben 6 in seine tiefste Lage verschoben, wobei seine Zähne 8 aus dem Kranz 9 ausgerückt werden. Nun wird der Asynchronmotor wieder abgeschaltet.If the pump is to be switched off, the procedure is reversed: the pump is filled with air, the asynchronous motor 26, 25 is switched on and the pressure oil is fed through the channels 17 ', 17, 13, 14 to the pressure chamber 3 of the clutch shift cylinder. As a result, the differential piston 6 is displaced into its lowest position, its teeth 8 being disengaged from the ring 9. The asynchronous motor is now switched off again.

Die beschriebene Kupplung nach der Erfindung kann in der Weise abgeändert werden, daß das Verschieben des Kupplungszahnkranzes 8 über die hohle Stange 12 erfolgt, welche durch die Hohlwelle 15 hindurchragt. An Stelle des im Rotor 1 angeordneten Differentialkolbens 6 ist am unteren Ende der Stange 12 ein hydraulischer Zylinder mit Kolben anzuordnen, der die Stange 12 verschiebt.The described coupling according to the invention can be modified in such a way that the coupling ring gear 8 is displaced via the hollow rod 12 which protrudes through the hollow shaft 15 . Instead of the differential piston 6 arranged in the rotor 1 , a hydraulic cylinder with a piston is to be arranged at the lower end of the rod 12, which cylinder moves the rod 12.

Der Rotor 1 braucht nicht geteilt zu sein. Er kann auch aus einem Stück bestehen. Dadurch wird der Schrumpfring 25 entbehrlich.The rotor 1 does not need to be divided. It can also consist of one piece. This makes the shrink ring 25 unnecessary.

Die Teile 1 und 10 können mittels Paßschrauben 30, wie in der Zeichnung angedeutet, fest verbindbar sein als Notbehelf für den Fall, daß wegen einer Beschädigung der Kupplung oder wegen Ausfalls des Stromes oder des öldrucks die Kupplung nicht in der oben beschriebenen Weise eingerückt werden kann.The parts 1 and 10 can be firmly connected by means of fitting screws 30, as indicated in the drawing, as a makeshift solution in the event that the clutch cannot be engaged in the manner described above due to damage to the clutch or due to failure of the power or oil pressure .

Nach der Erfindung wird ein wesentlicher Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik erreicht. Durch Anwendung eines synchronisierbaren Asynchronmotors kann man stoßfrei, ruhig, schnell und fehlerfrei zwei Maschinenwellen, von denen die eine mit einer elektrisch synchronen Drehzahl läuft, z. B. die Welle eines Turbogenerators, mit der Welle einer Speicherpumpe bei voller Drehzahl beider Maschinen kuppeln. Bei zweiteiliger Ausführung des Rotors 1 und lösbarer Verbindung zwischen der Stange 12 und dem Schaltkolben 6 kann die Kupplung ohne Demontage der Maschinen ausgebaut werden. Die Kupplung zeichnet sich auch durch ihre Einfachheit und durch leichtgängige Schaltung mit niedrigem öldruck aus. Druckölverluste infolge Undichtigkeiten entstehen nicht. Die Kupplung läßt sich femschalten.According to the invention, a significant advance over the prior art is achieved. By using a synchronizable asynchronous motor , two machine shafts can be smoothly, smoothly, quickly and without errors, one of which runs at an electrically synchronous speed, e.g. B. the shaft of a turbo generator, couple with the shaft of a storage pump at full speed of both machines. With a two-part design of the rotor 1 and a detachable connection between the rod 12 and the switching piston 6 , the coupling can be removed without dismantling the machine. The clutch is also characterized by its simplicity and smooth shifting with low oil pressure. There are no pressure oil losses as a result of leaks. The clutch can be switched off.

Der Anfahrmotor 26, 25 der Kupplung braucht nur eine solche Leistung zu haben, daß er die Speicherpumpe ohne Wasser in Umdrehung zu versetzen vermag. Seine Einschaltdauer beim Ein- oder Ausrücken der Kupplung ist gering. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Kupplung mit einem synchronisierbaren Anfahrmotor an Stelle einer Anfahrturbine oder eines Anfahrwandlers erreicht man vor allem, daß nach dem Synchronisieren des Motors die beiden Kupplungskränze nicht nur annähernd gleiche, sondern genau gleiche Drehzahlen aufweisen. Dies gilt für eine beliebig lange Betriebszeit. Ferner kann durch eine entsprechende Abstimmung der Polteilung des Anwurfmotors und der Zahnteilung des pumpenseitigen Kupplungszahnkranzes einerseits und der Polteilung des Turbogenerators und der Zahnteilung des generatorseitigen Zahnkranzes andererseits, z. B. mit Hilfe eines Stroboskops, von vornherein dafür gesorgt werden, daß eine Kupplungsstellung »Zahn-auf-Zahn« nicht möglich ist, vielmehr kann unter Berücksichtigung der elastischen Verdrehung der Generatorwelle eine Kupplungsstellung »Zahn-auf-Lücke« festgelegt werden, so daß das Einrücken der Kupplung ohne Stoß erfolgt. Dagegen ist bei Verwendung einer Anfahrturbine oder eines Anfahrwandlers ein Regler notwendig, wobei dennoch ein Einrückstoß nicht vermieden werden kann.The starting motor 26, 25 of the clutch only needs to have such a power that it is able to set the storage pump in rotation without water. Its duty cycle when engaging or disengaging the clutch is short. When using the clutch according to the invention with a synchronizable starting motor instead of a starting turbine or a starting converter, the main thing is that after the motor has been synchronized, the two clutch rings not only have approximately the same, but exactly the same speeds. This applies to any long operating time. Furthermore, by appropriate coordination of the pole pitch of the starting motor and the tooth pitch of the pump-side clutch ring gear on the one hand and the pole pitch of the turbo generator and the tooth pitch of the generator-side ring gear on the other hand, z. B. with the help of a stroboscope, it can be ensured from the outset that a coupling position "tooth-on-tooth" is not possible the clutch is engaged without impact. On the other hand, when using a starting turbine or a starting converter, a controller is necessary, although an indentation surge cannot be avoided.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Switchable gear clutch, one gear ring of which is brought to an electrically synchronous speed of the other gear ring running at full speed before the clutch is engaged, in particular for pumped storage plants, characterized in that one gear ring (8) in the rotor (1) a synchronizable electric motor, preferably a synchronizable asynchronous motor, is arranged.

2. Coupling according to claim 1 with a hydraulic switching device, characterized in that in the serving as a hydraulic fluid cylinder rotor (1) axially displaceable differential piston (6) is designed as a ring gear (8) , the teeth of which are guided in teeth (2) of the rotor are. 3. Coupling according to claim 2, characterized in that the two pressure chambers (3, 4) of the clutch shift cylinder (1, 6) by means of a known axially movable double line from the side associated with the clutch ring gear (8) is supplied with pressure medium. 4. Coupling according to claim 3, characterized in that the double line within the hollow shaft (15 ) connected to the coupling ring gear (8) is arranged such that a piston (16) is displaceable in the hollow shaft, the hollow piston rod (12) with the Differential piston (6) is connected, and that the interior (13) of the piston rod via channels (14) in the differential piston with one pressure chamber (3) and the annular space (27) between piston rod and hollow shaft with the other pressure chamber (4) of the clutch shift cylinder ( 1, 6) is in connection with hydraulic fluid. 5. Coupling according to claim 4, characterized in that the two sides of the piston (16), which are in communication with the two pressure chambers (3, 4) of the clutch shift cylinder (1, 6) , in a manner known per se via radial channels ( 17, 19) in the hollow shaft (15) and ring channels (17 ', 19') in a connecting piece (18) encompassing the hollow shaft, when the clutch is engaged and disengaged, hydraulic fluid is alternately supplied. Documents considered: German Patent No. 927 487; French Patent No. 1063 209; British Patent No. 534 470, 707 474, 773 545. "Wasserwirtschaft" magazine, 1952/53, pp. 181 to 189; 1956 note calendar from Voith, Heidenheim / Brenz, pp. 19 to 21.