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Einrichtung zum Verhindern des Flatterns der drehbaren Leitschaufeln
von überdruck-Strömungsmaschinen, insbesondere von Pumpenturbinen Bei Strömungsmaschinen,
insbesondere bei Pumpenturbinen, besteht bekanntlich die Gefahr, daß die drehbaren
Leitschaufeln ins Flattern geraten. Im Hinblick auf die damit verbundene hohe Wechselbeanspruchung
des Werkstoffes und auch im Hinblick auf einen möglichst erschütterungsfreien Lauf
der Maschine kommt der Verhinderung des Flatterns große Bedeutung zu. Es wurde daher
bereits vorgeschlagen, die drehbaren Leitschaufeln von Strömungsmaschinen mit einer
Einrichtung zu versehen, mittels welcher die Leitschaufeln bzw. die Leitschaufeldrehzapfen
jeweils nach erfolgter Leitschaufeleinstellung durch hydraulischen oder mechanischen
Radial- oder Axialdruck festgehalten werden.
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Die Erfindung betrifft eine solche Einrichtung zum Verhindern des
Flatterns der mit geringem axialem Spiel zwischen den Begrenzungswänden des Leitkanals
angeordneten drehbaren Leitschaufeln von überdruck-Strömungsmaschinen, insbesondere
von Pumpenturbinen mit einer auf die Leitschaufeln wirkenden hydraulisch betätigten
Bremsvorrichtung. Sie besteht in dem Vorschlag, den im Bereich der radialen Erstreckung
der Leitschaufeln liegenden ringförmigen Teil der einen der beiden Begrenzungswände
als in Richtung der Maschinenachse verschieblichen und gegen die benachbarten Stirnflächen
der Leitschaufeln anpreßbaren Kolben eines zur Maschinenachse konzentrisch angeordneten
hydraulischen Ringkolbenservomotors auszubilden, dessen Gehäuse von dem umschließenden
Teill dieser Begrenzungswand gebildet wird und dessen Druckraum an den steuerbaren
Druck einer hydraulischen Druckquelle angeschlossen ist.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Leitschaufelbremseinrichtung
wird erreicht, daß die Leitschaufeln mit beiden Stirnflächen an den Begrenzungswänden
des Leitkanals festgebremst werden. Dementsprechend wirkt dem oszillierenden Verdrehmoment
der Schwingungserregung aber auch an beiden Leitschaufelenden ein Reibungsmoment
entgegen, wodurch das Flattern der Leitschaufeln sehr viel wirkungsvoller und sicherer
verhindert wird als bei allen bisher bekannten Einrichtungen zum Festhalten der
Leitschaufeln, zumal auch die große Ringfläche des Bremskolbens schon bei relativ
geringen Drücken große Bremskräfte ergibt, die eine sichere Beherrschung der in
ungünstigen Fällen, insbesondere bei Hochdruck-Pumpenturbinen, recht beachtlichen
Schwingungsenergie gewährleistet. Gegenüber der einseitigen Festbremsung hat die
beidseitige Festbremsung auch noch den Vorteil, daß die Leitschaufeln durch die
oszillierenden Torsionsschwingungen wesentlich günstiger beansprucht werden.
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Zwecks Verbesserung der an sich schon sehr guten Festbremsung der
Leitschaufeln wird in zweckmäßiger weiterer Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen,
die Stirnflächen der Leitschaufeln in dem an die Drehzapfen anschließenden Bereich
zu hinterstechen, so daß sich der Reibungsschluß zwischen den Leitschaufelstirnflächen
und den Begrenzungswänden des Leitkanals auf die Schaufelenden beschränkt. Da diese
Maßnahme mit einer Vergrößerung des Hebelarmes der Reibungskräfte gleichbedeutend
ist, können auf diese Weise größtmögliche Bremsmomente erzielt werden. Darüber hinaus
hat diese Maßnahme aber auch noch den Vorteil, daß die Leitschaufeln gerade im Bereich
ihrer schwingungsempfindlichsten Stellen festgehalten werden. Außerdem ergibt sich
infolge der kleineren Leitschaufelbremsflächen eine erhöhte spezifische Pressung
an den Leitschaufelenden und dementsprechend eine größere elastische Verformung
der Leitschaufeln und der Begrenzungswände in diesem Bereich, so daß eventuell Herstellungsungenauigkeiten
hinsichtlich der Leitschaufelhöhe gut ausgeglichen werden, ohne daß hierdurch das
sichere Festhalten der Leitschaufeln beeinträchtigt wird.
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DerAusgleich unterschiedlicherLeitschaufelhöhen wird in noch besserer
Weise erreicht, wenn zwischen jeder der servomotorseitigen Leitschaufelflächen und
dem Bremskolben je ein flaches elastisches Glied vorgesehen wird. In Betracht kommen
z. B. Druckringe mit elastischer Unterlegscheibe, die auf der
Leitkanalseite
in den Kolben eingelassen werden. Es kann beispielsweise aber auch vorgesehen werden,
die Bremsflächen jeder Leitschaufel mit einem Belag bzw. Überzug aus nachgiebigem
Material zu versehen, was nur einen verhältnismäßig geringen Aufwand erfordert.
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Der Druckraum des Ringkolbenservomotors kann an die Hochdruckseite
eines Druckverstärkers angeschlossen werden, dessen Niederdruckseite über eine Leitung
mit selbsttätig oder willkürlich steuerbarem Absperrorgan mit der Druckseite der
Strömungsmaschine in Verbindung steht. Wird als Druckverstärker eine von der Strömungsmaschine
angetriebene Pumpe verwendet, so erhält man eine Leitschaufelbremseinrichtung, die
von einer fremden Druckquelle völlig unabhängig ist und daher die Gewähr bietet,
daß der erforderliche Druck zum Festhalten der Leitschaufeln immer vorhanden ist,
solange sich die Strömungsmaschine im Betriebszustand befindet. Daselbe läßt sich
aber auch erreichen, wenn als Druckverstärker ein Differentialkolbenservomotor verwendet
und dieser sowohl mit seiner Niederdruckseite als auch mit seiner Hochdruckseite
an die Druckseite der Strömungsmaschine angeschlossen wird. Der nur zum erstmaligen
Füllen des hochdruckseitigen Teiles der Bremseinrichtung sowie zum Ergänzen der
unvermeidlichen Leckverluste dienende hochdruckseitige Abschluß wird dabei mittels
eines willkürlich oder beispielsweise in Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung
des Differentialkolbens selbsttätig steuerbaren Absperrorgans entsprechend gesteuert.
Grundsätzlich besteht aber auch die Möglichkeit, im hochdruckseitigen Teil der Bremseinrichtung
ein vom Betriebsmedium der Strömungsmaschine verschiedenes Medium zu verwenden,
indem die Hochdruckseite des Differentialkolbenservomotors an eine wiederum nur
zum erstmaligen Füllen sowie zum Ergänzen der Leckverluste dienende entsprechend
selbsttätig oder willkürlich gesteuerte fremde Druckquelle, beispielsweise an eine
öldruckquelle angesghlosen wird.
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Werden die Drehzapfen der Leitschaufeln durch den Kolben bis zum Druckraum
des Ringkolbenservomotors hindurchgeführt, so ergibt sich --- da auch bei abgesperrter
Verbindung zwischen dem Differentialkolbenservomotor und der Strömungsmaschine das
Bremsmedium im Druckraum des Ringkolbenservomotors durch das Gewicht des Differentialkolbens
auf einem gewissen geringen Druck gehalten wird - insbesondere bei Verwendung von
öl als Bremsflüssigkeit der Vorteil einer guten Schmierung der Drehzapfen, zumal
etwa im Zapfenlager vorhandene Luft durch den vorhandenen geringen Druck in die
Dichtungsnuten verdrängt wird. Der gleiche Vorteil läßt sich aber auch bei einem
Anächluß des Ringkolbenservomotordruckraumes an eine andere Druckquelle erzielen,
wenn im ungebremsten Zustand der Leitschaufeln die Druckquelle nicht völlig abgesperrt,
sondern nur ihr Druck bis auf das erforderliche Maß gedrosselt wird.
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Die Erfindung, deren Anwendungsbereich sich sowohl auf zylindrische
als auch auf konische Leitapparate von Strömungsmaschinen erstreckt, ist in der
Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt und wird an Hand dieses im folgenden
noch näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 die erfindungsgemäße Leitschaufelbremseinrichtung
am Beispiel des durch eine einzige Leitschaufel schematisch dargestellten zylindrischen
Leitapparates einer Pumpenturbine im Schnitt und die F i g. 2 a und 2 b in etwas
größerem Maßstab in einem Ausschnitt die Verwendung eines Druckringes mit elastischer
Unterlegscheibe zwischen den Leitschaufeln und dem Bremskolben bei freibeweglichen
und festgebremsten Leitschaufeln.
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Nach F i g. 1 sind die Leitschaufeln 1 mittels der Drehzapfen 2 und
3 in den Begrenzungswänden 4
und 5 des Leitkanals 6 drehbar gelagert.
Der im Bereich der radialen Erstreckung der Leitschaufeln 1 liegende ringförmige
Teil der unteren Begrenzungswand 5 ist als in Richtung der durch die strichpunktierte
Linie dargestellten Maschinenachse 7 verschieblicher und gegen die benachbarten
Leitschaufelstirnflächen anpreßbarer Kolben 8 eines Ringkolbenservomotors ausgebildet,
dessen Gehäuse 9 vom umschließenden Teil der unteren Begrenzungswand 5 gebildet
wird. Zwecks Erzielung größtmöglicher Reibungsmomente sind die Stirnflächen der
Leitschaufeln 1 in dem an die Drehzapfen 2 und 3 anschließenden Bereich hinterstochen.
Der obere Drehzapfen 2 jeder Leitschaufel ist durch die Begrenzungswand 4 hindurchgeführt
und mittels eines nicht dargestellten Lenkers od. dgl. beispielsweise mit einem
Regelring für die gemeinsame Verstellung der Leitschaufeln 1 verbunden. Die unteren
Leitschaufeldrehzapfen 3 ragen in Sacklöcher 21 des Kolbens 8 hinein; wie durch
die gestrichelte Linie angedeutet ist, können sie aber auch durch den Kolben 8 bis
zum Druckraum 11 hindurchgeführt werden.
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Um zu vermeiden, daß das Betriebsmedium auf die Leitschaufeln 1 einen
einseitigen Achsschub ausübt, der ihre ungehinderte Verstellbarkeit in ungebremstem
Zustand beeinträchtigen könnte und der bei der erfindungsgemäßen Einrichtung nicht
durch eine sogenannte »Spur« aufgenommen werden kann, sind die beiderseitigen Stirnflächen
der Leitschaufeln 1 durch Wahl gleicher Durchmesser der Drehzapfen 2 und 3 genau
gleich groß gemacht. und die Drehzapfen 3 mittels der Dichtungen 20 gegen den Leitkanal
6 abgedichtet. Sind die Drehzapfen 3 bis zum Druckraum 11 hindurchgeführt und wird
im Druckraum 11 ein vom Betriebsmedium der Strömungsmaschine verschiedenes Betriebsmedium
verwendet, so ist es zweckmäßig, die Dichtungen 20 als Doppeldichtungen mit dazwischenliegender
Leckableitung auszubilden. Zur Verhinderung des Austritts von Betriebsmedium sind
auch an den Drehzapfen 2 Dichtungen vorgesehen.
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Zur Erzeugung der für das Festbremsen der Leitschaufeln 1 erforderlichen
Kraft kann der Druckraum 11 des Ringkolbenservomotors über die Leitung 12
und einen nicht dargestellten, als Differentialkolbenservomotor ausgebildeten Druckverstärker
mit selbsttätig oder willkürlich steuerbarem Absperrorgan auf der Druckseite der
Pumpenturbine an deren ebenfalls nicht dargestelltes Spiralgehäuse angeschlossen,
er kann über die Leitung 12 aber auch unmittelbar an eine andere Druckquelle, beispielsweise
an eine öldruckquelle angeschlossen sein. Um in letzterem Fall ein Vermischen des
Bremsmediums im Druckraum 11 mit dem Betriebsmedium im Leitkanal 6 zu verhindern,
ist der Druckraum 11 mittels der Doppeldichtungen 10 mit dazwischenliegender Leckableitung
23, an welche auch die Sacklöcher 21
des Kolbens 8 mittels der Leitung
22 angeschlossen sind, gegen den Leitkanal 6 abgedichtet.
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Nach den F i g. 2 a und 2 b, welche eine der Leitschaufeln 1 in freibeweglichem
und in festgebremstem Zustand zeigen, ist zwischen jeder der Leitschaufeln 1 und
dem für alle Leitschaufeln gemeinsamen Bremskolben 8 je ein auf einer elastischen
Unterlegscheibe 31 sitzender Druckring 30 angeordnet, dessen Außendurchmesser so
groß bemessen ist, daß sich die Leitschaufel l mit ihrer ganzen Länge im Bereich
des Druckringes befindet und damit gewährleistet ist, daß die Leitschaufeln beim
Festbremsen die Druckringe ungehindert in die Vertiefungen 32 des Kolbens 8 eindrücken
können. Die Dicke der Druckringe 30 und der Unterlegscheiben 31 sowie die Elastizität
des Werkstoffes der Unterlegscheibe 31 sind so gewählt, daß die Druckringe 30 bei
ungebremsten Leitschaufeln gegenüber dem Kolben 8 etwas vorstehen, bei festgebremsten
Leitschaufeln dagegen etwas zurückstehen.