DE1503299A1

DE1503299A1 - Verstelleinrichtung fuer Schaufeln von Stroemungsmaschinen mit als Sicherungsglied ausgebildeten UEbertragungsorganen

Info

Publication number: DE1503299A1
Application number: DE19661503299
Authority: DE
Inventors: Hilgendorf Dipl-Ing Johannes
Original assignee: JM Voith GmbH
Current assignee: JM Voith GmbH
Priority date: 1966-05-26
Filing date: 1966-05-26
Publication date: 1969-09-04
Also published as: DE1503299B2; AT280178B; DE1503299C3

Description

Verstelleinrichtung für Schaufeln von Strömungsmaschinen mit als Sicherungsglied ausgebildeten Übertragungsorganen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Verstellen von Schaufeln von Strömungsmaschinen, insbesondere für verstellbare Zeitschaufeln von Francis- oder Kaplanturbinen mit einem auf mindestens zwei Schaufeln gleichzeitig einwirkenden Veratellmotor und mit als Sicherungsglieder ausgebildeten Übertragungsorganen, deren jedes bei Überschreiten einer vorbestimmten Verstellkraft die Bewegungsübertragung auf die zugehörige Schaufel unterbricht.
Ein derartiges Sicherungsglied ist dafür vorgesehen, Brüche im Übertragungsgestänge oder'in der Schaufel selbst zu vermeiden, wenn im Falle des Verklemmens einer Schaufel dieser die gesamte beim Verstellvorgang aufzuwendende Verstellkraft zugelührt wird. Es ist bekannt, solche Überbeanspruchungen der Teile der Schaufelverstelleinrichtung durch den Einbau von Bruchelementen im Übertragungsgestänge jeder einzelnen Schaufel zu vermeiden, indem zum Beispiel Lenker mit einer Sollbruchstelle versehen werden, an-welcher der-Lcnker bei Überschreiten der vorbestimmten Längskraft durchbricht. Es ist ferner bekannt Zum Verstellen der Leitschaufeln von einem gemeinsamen Regelring aus über Lenker geteilte Leitschaufelhebel zu verwenden, deren jeder als Bruchsicherung durch eine Schraube mit Bruchquer-schnitt zusammengehalten ist (DBP 1 098-459i. Nach dem Brechen bzw.fAbscheren dieser oder einer anderen bekannten Brucheicherung bei Überschreiten der Bruchlast, zum Beispiel infolge eines zwischen zwei benachbarten Schaufeln eingeklemmten Premd- körpers, werden die betreffenden Schaufeln freigegeben, so daß das gemeinsame Verstellglied, zum Beispiel der Regelring, alle übrigen Schaufeln in Schließstellung bringen kann. Um zu vermeiden, daß nach dem Bruch einer Sicherung die freigewordenen Schaufeln durch die an ihnen wirkenden hydraulischen Kräfte heftig bewegt werden und dabei die mitbewegten leitschaufelhebel gegen benachbarte Maschinenteile schlagen können, ist es ferner bekannt, zur-Begrenzung der Bewegungsfreiheit der Leitschaufelhebel entweder Anschläge oder Fanglaschen vorzusehen oder die Lenker so auszubilden, daß sie bei einer bestimmten Druckkraft ausknicken und den ursprünglichen Abstand zwischen ihren Anlenkpunkten nur entsprechend der Dicke des eingeklemmten Fremdkörpern verkürzen. Die Lenker brechen dabei nicht durch, so daß die Leitschaufeln festgehalten werden (Voith-Forschung und Konstruktion, Heft 12, Dezember 1964 , Aufsatz 2, Seite 6, vierter Absatz). Es ist auch ein Lenker bekannt, der zu diesem Zweck aus zwei teleskopartig ineinander verschl'.eblichen Teilen gebildet ist. Diese werden bei Normalbetrieb durch einen Scherring im gestreckten Zustand und zueinander unverschieblich gehalten. Bei Überschreiten der vorbestimmten Kraft wird der Scherring abgeschert, so daß sich die beiden Teile des Lenkers teleskopartig zusammenschieben können und der. Lenker somit keine Kräfte mehr überträgt (US-Patent 1 725 420). Diese bekannten Sicherungen schützen zwar die Schaufeln und das Verstellgetriebe vor Schäden, haben aber den großen Nachteil, daß nach dem Ansprechen der Sicherungen von einer oder mehreren Schaufeln diese-teilweise geöffnet bleiben und daher die Turbine trotz des in Schließstellung gebrachten Regelringes nicht zum Stillstand kommt, wenn, wie zum Beispiel beißmodernen Flußkraftwerken üblich, kein weiteres Absperrorgan vorgesehen ist. Erst durch Eingreifen des Maschinenpersonals unmittelbar am Gestänge und nach dem Aus-wechseln der gebrochenen bzw. abgescherten Sicherungselemente gegen neue Elemente kann die Turbine stillgesetzt werden. Dies ist meist sehr zeitraubend, insbesondere bei ferngesteuerten Anlagen, wenn Naechinenpereonal erst von einer benachbarten Anlage herbei- geholt werden muß. Bin weiterer großer Nachteil derartiger Bruch- Sicherungen liegt darin, daß sie so stark dimensioniert werden müssen, daß sie bei extremen Betriebazustängen auf keinen Fall ansprechen, wie zum Beispiel bei Schnellschluß des Leitapparates, wo durch den Druckstoß vor und den Unterdruck hinter den Leit-schaufeln wesentlich größere Kräfte auf die Schaufelblätter aus- geübt werden können als durch den statischen Wasserdruck bei geschlossenem Leitapparat. Demzufolge müssen alle Teile der Veretelleinrichtungen, wie zum Beispiel Lenker, Hebel, Zapfen und Leitschaufelstiel für eine Bruchlast dimensioniert werden, die oberhalb der größten Betriebskraft liegt. Bei Niederdruck-Kaplanturbinen kann die erforderliche Bruchlast etwa das Vierfache der statischen Schließkraft betragen.
Es ist weiterhin eine Bruchsicherung bekannt, bei welcher eine Begrenzung des zu übertragenden Moments mittels auf dem Schaufeletiel unverdrehbar aufgebrachter federnder Reibscheiben erfolgt, zwischen welchen der Leitachaufelhebel unter Druck eingeklemmt ist (US-Patent Nr. 3 030 072). Mit dieser Einrichtung wird zwar der Zeitapparat und das Veretellgetriebe vor Schaden bewahrt, aber nach Ansprechen der Einrichtung muß diese von Hand in ihre Ausgangslage zurückgestellt werden. Außerdem sind sehr große Drücke auf die Reibscheiben erforderlich, da ja auch diese Si-cherung nur bei Überschreitung des betriebsmäßig möglichen Schaufelmoments ansprechen soll.
Bei hydraulischem Einzelantrieb jeder Leitschaufel mit eigenem Servomotor können diese Nachteile zwar vermieden werden, da Fremdkörper gegebenenfalls durch ein kurzes Wiederöffnen des Leitapparates herausgespült werden können. Bei einem derartigen Einzelantrieb ist es jedoch erforderlich, Einrichtungen für einen Gleichlauf aller Servomotoren vorzusehen. Dieser kann zum Beispiel durch mechanische Mittel erzielt werden, indem die dem Antrieb dienenden auf den Schaufelstielen befestigten Winkel- hebel mittels Bruchlaschen untereinander verbunden werden (französisches Patent 1 337 456). Oder man wendet eine hydrau- lische Steuerung an, bei welcher jeder Servomotor mit einem eigenen Steuerventil und zugehöriger Rückführung ausgerüstet sein muß. Der Impuls auf alle Steuerventfle wird hier über einen gemeinsamen, mittels eines oder zweier Öldruckservomotoren verstellbaren Steuerregelring ausgeübt. Der Aufwand für Antrieb und Gleichlauf ist in beiden Fällen sehr groß. Aufgabe der Erfindung ist eine Verstelleinrichtung für derartige Anlagen mit als zweiteilige Sicherungsglieder ausgebildeten Übertragungsorganen, welche die vorerwähnten Nachteile nicht haben, sondern insbesondere nach dem Ansprechen wieder selbsttätig in die Ausgangslage zurückgehen und bei welchen dartüberhinaus die Möglichkeit besteht, sie ohne großen Aufwand und bei nur geringem Betriebsausfall in bestehende An- lagen einbauen zu können.

Die Erfindung löst das Problem dadurch, daß die beiden Teile des Sicherungsgliedes unter Verwendung eines unter Überdruck stehenden gasförmigen Druckmittels kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Dabei weist vorzugsweise ein Teil des Sicherungsgliedes einen Drudkzylinder und das andere Teil einen im Druckzylinder geführten Kolben auf,, der durch das gasförmige Druckmittel ständig druckbeaufschlagt ist. Dieser Druck hat eine solche Höhe, daß die ständig auf den Kolben ausgeübte Kraft in der Regel die bei Schnellschluß auftretende maximale Betriebskraft geringfügig übersteigt. Wird diese maximale Betriebskraft wesentlich überschritten, etwa wenn sich ein Fremdkörper zwischen Schaufeln einklemmt, dann gibt der Kolben nach und das gasförmige Druckmittel wird durch das dabei erfolgende Eindringen des Kolbens in den Druckzylinder zusätzlich komprimiert. Die Verbindung zwischen der gestörten Schaufel und der Verstelleinrichtung wird dabei jedoch nicht unterbrochen, sondern beim Nachlassen der Schließkraft, d.h. wenn die Leitschaufeln wieder geöffnet werden, kehrt der Kolben wieder in seine ursprüngliche Zage im Druckzylinder zurück. Dadurch ist es möglich, einen zwischen den Schaufeln festgeklemmten Fremdkörper durch kurzzeitiges Öffnen aller Schaufeln herauszuspülen und so dann alle Schaufeln völlig zu schließen, ohne daß zuvor ein zerstörtes bzw. bleibend verformtes Übertragungsglied ausgewechselt werden muß. Die Erfindung gestattet es ferner, das Sicherungsglied und damit die gesamte Verstelleinrichtung für eine solche Kraft auszulegen, die einer Kraft dicht oberhalb der statischen Betriebskraft zum langsamen Schließen des Leitapparates entspricht. Bei Schnellschluß zum Beispiel geht dann der Regelring schnell in Schließstellung. Dabei werden die Kolben aller Sicherungsglieder kurzzeitig um einen Teil ihres Gesamtweges in ihren zugehörigen Druckzylindern im Sinne einer zusätzlichen Komprimierung des gasförmigen Druckmittels bewegt. Sobald der Druckstoß vor und der Unterdruck hinter dem Leitapparat abgeklungen ist, kehrt jeder Kolben durch das vorgespannte gasförmige Druckmittel wieder in seine"Normallage im Druckzylinder zurück und die Schaufeln werden geschlossen. Damit wird gleichzeitig in besonders günstiger Weise ein gestuftes Schließgesetz verwirklicht und eine Verringerung des Druckabfalles im schaufc1losen Raum zwischen Leit- und Laufrad und damit eine Verringerung des negativen Axialschubes am Laufrad erzielt. Die Leitschaufeln samt ihren einzelnen Verstellorganen können dementsprechend beträchtlich schwächer dimensioniert werden als bei der bekannten@Bauweiäe. Ferner bietet die Sicherung nach der Erfindung die Möglichkeit,das Veratellgestänge ohne Zusatzeinrichtungen verriegeln zu können. Hierzu werden die Schaufeln beim Schließen über die@$chließatellung hinaus verstellt, bis die nach der Erfindung als Sicherungsglied ausgebildeten Lenker um ein Stück über die zur Turbinenwellenachse radiale Lage hinaus geschwenkt sind. Die Kolben der Sicherungsglieder werden während des Durchganges von der Schließ- zur Verriegelungsate:Llung vorübergehend geringfügig aus ihrer Normallage verschoben. In der Verriegelungsatellung befinden sich alle Kolben zwar wieder in Normallage relativ zu ihren Druckzylindern, aber in eoacher Weise, daß der Wasserdruck auf die geschlossenen Schaufeln diese auch bei Ausfall des Servomotordruckes nicht zu öffnen vermag. Hierdurch wird eine Selbstverriegelung des Leitapparates erreicht, so daß eine besondere Verriegelung des Regelringes entbehrlich ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist als den

Druckzylinder ein Gasdruckspeicher angeschlossen und als UbE.r-

tragungsmittel zwischen dem Kolben des Sicherungsgliedes und

dem Gasdrückspeicher dient eine Druckflüssigkeit. Bei Überechrei-

ten der abgesicherten Kraft wird die Druckflüssigkeit, zum Bci-

opi.el Öl, aus dem Druckzylinder in den Gasdruckspeicher ausge-

eehoben. An einen Gasdruckspeicher können dabei mehrere oder

alle Driickzylirider der Sicherungsglieder angeschlossen werden.

iahe zweckmäßige Möglichkeit der Verwirklichung der Erfindung

besteht darin, daß das Sicherungsglied als ein Längskräfte

I t##k=c rtitagt-.nder, einen Druckzylinder mit Kolben aufweisender,

-";-leskopartig zusammenschiebbarer Lenker ausgebildet ist,

@a sen einer Anlenkpunkt mit dem Zylinder und dessen anderer

a,lerkpukt mit dem Kolben verbunden ist. Ein solcher Lenker

u ü""ülrelos schnell in bestehende Anlagen eingebaut werden.

ine weitere Möglichkeit der Verwirklichung der Erfindung be-

.et darin, daß das Sicherungsglied als ein Verdrehkräfte

ibertragendes, aus Druckzylinder und Drehkolben bestehendes

ä lebeleli.ed ausgebildet ist. Dabei ist vorzugsweise ein Teil

d:-.9 -S.Lch("rungsgliedes, zum Beispiel der Drehkolben, mit dem

l,cit:3ch.r-u4felstiel und der andere Teil, zum Beispiel der Druck-

zylinder, mit dem Leitschaufelhebel verbunden.

Die maximal mögliche Lenkerverkürzung bzw. die- maximale

i-#Ikelverkleinerung des Sicherungsgliedes ist durch den je-

weiligen Kolbenhub bestimmt. Erfahrungsgemäß reicht eine Ver-

kHrzung, des Lenkers bzw. Winkelverstellmöglichkeit des Dreh-

kolbens aus) die einer Leitschaufelöffnung von 15 bis 25

gier maximalen Öffnung entspricht. Will man die Leitschaufeln

euch gegen den außergewöhnlichen Fall sichern, daß im Augen-

blick de Schließens ein so großer Fremdkörper zwischen zwei

bonachbarte Schaufeln eingeklemmt wird, daß der volle Hub

des Sicherungsgliedes zum völligen Schließen der übrigen

S2!,1aufe?n nicht ausreicht, so kann zusätzlich eine Sollbruch-

stello, #@enpgesehen werden. Bei kleinen Rechenlichtwe.iten genügt

es meist, nur jede zweite Leitschaufel mit einem erfindungsgemä.ßen Sicherungsglied auszurüsten und die übrigen Schaufeln durch mechanische Bruchelemente zu sichern, deren Bruchlast wesentlich höher ist, als die Ansprechkraft der gaselastischen Sicherungen. Dann sprechen in der Regel diese zuerst an und nur bei außergewöhnlich großen Fremdkörpern kommt noch zusätzlich ein mechanisches Sicherungselement zum Einsatz.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin ist Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Leitapparates einer Wasserturbine mit Sicherungsgliedern nach der Erfindung, Fig. 2 teilweise im Schnitt ein Lenker als Sicherungsglied für die Ausführung gemäß Fig. 1, Fig. 3 schematisch im Schnitt eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sicherungsgliedes und Fig. 4 ein Schnitt entlang der Linie IV ä IV der Fig. 3. Nach Fig. 1 werden die Leitschaufeln 5, 6, 7 von dem vom Servomotor 8 gesteuerten Regelring 9 über die Lenker 10 und Leitschazlfelnebel 11 verstellt bzw. in der gewünschten Lage festgehalten. Die Leitschaufeln 5 und 7 sowie die Leitschaufelhebel 11 und Lenker 10 sind in geschlossener Stellung dargestellt. In Offenstellung haben diese Teile die beispielsweise an der Schaufel 5 strichpunktiert dargestellte Lage 5', 10' und 1l'. Wie aus der Fig. 2 zu erkennen .i st, bestehen die Lenker 10 aus einem Druckölzylinder 12 und einem darin geführten mittels 0-Ringen 13 abgedichteten Kolbenteil 14. Die genaue Länge des Lenkers 10 ist mittels einer Muffe 15 und Gegenmutter 16 einstellbar. An der Anschlußbohrung 17 ist der Zylinder 12 über eine Ringleitung 18 (Fis. 1) an einen auf dem Regelring 9 befestigten Gasdruckspeicher 19 bekannter Bauart angeschlossen. In diesem Gasdruckspeicher befindet sich in einem durch einen frei verschieblichen Kolben 20 abgetrennten Raum 21 ein Gas, vorzugsweise Stickstoff, unter einem Druck, welcher einer mehr oder weniger über der notwendigen maximalen auf die Leitschaufeln ausgeübten Betriebekraft liegenden Kraft entspricht, je nachdem bei welchem Druck die Sicherungseinric::-tung ansprechen soll bzw. welches Schließgesetz etwa bei Schnea1-schluß gewünscht wird.
Klemmt sich z.B. ein Fremdkörper 22 zwischen die Leitschaufeln 5 und 6 ein, do verkürzt sich beim Schließen der Leitschaufeln der Lenker 10a für die Leitschaufel 6 um einen entspreehehden Betrag. Dabei schiebt der Kolben 14 einen Teil des Drucköles aus dem Zylinder 12 heraus durch die Ringleitung 18 in den Raum 23 des Druckspeichers 19, wodurch über den Kolben 20 das in Normalstellung vorgespannte Druckgas in dem Raum 21 eine Drucksteigerung erfährt. Bei einer Bewegung des Regelringes im Öffnungseinne nimmt dann der Lenker 10 wieder seine ursprüngliche Länge an,während das Druckgas im Raum 21 sich wieder bis auf seinen ursprünglichen vorgegebenen Druck ausdehnt. Wenn der . Regelring 9 über die Schließstellung hinaus bewegt wird, bis die Lenker 10 in die durch die Lenkermittelachee 10b bezeichnete Stellung kommen,wie es für den der Leitschaufel ? zugeordndten Lenker beispielsweise dargestellt ist, werden die Zeitschaufeln dadurch selbsttätig verriegelt. Während dieser Verriegelungsbewegung wird der Lenker bis zum Erreichen der genauen radialen Lage in Bezug auf den Regelring um einen geringen Betrag zusammengeschoben und nimmt nach Überschreiten dieser radialen Lage wieder seine ursprüngliche Länge an.
In Fig. 2 ist strichpunktiert eine zusätzliche -mechanische .Sollbruchstelle dargestellt, wie sie für die nicht mit einem gaselastischen Lenker mit dem Regelring verbundenen Schaufeln vorgesehen werden kann, wenn z.8. nur jeder zweite Lenker als gaselastisches Sicherungsglied ausgebildet ist.
In dem Ausführungsbeispiel nach den Fig: 3 und 4 ist auf dem Stiel 25 einer Zeitschaufel 26 ein in einem Zylinder 28 beweglicher Drehkolben 29 befestigt und an dem Zylinder 28 der Leitschaufelhebel 27. Aus dem mit Drucköl gefüllten Zylinderraum 30 führen die Leitungen 31 zu dem hier nicht dargestellten Druckspeicher.

Claims

Patentansprüche 1. Verstelleinrichtung für Schaufeln von Strömungsmaschinen, insbesondere für verstellbare Leitschaufeln von Francie-oder Kaplanturbinen,mit einem auf mindestens zwei Schaufeln gleichzeitig einwirkenden Veratellmotor und mit als zweiteilige Sicherungsglieder ausgebildeten Übertragungsorganen, deren jedes bei Überschreiten einer vorbestimmten Verstell kraft die Bewegungsübertragung auf die zugehörige Schaufel unterbricht, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile des Sicherungsgliedes unter Verwendung eines unter Überdruck stehenden gasförmigen Druckmittels kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
2. Veratelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Sicherungsgliedes einen Druckzylinder und das andere Teil einen im Druckzylinder geführten Kolben aufweist, der durch das gasförmige Druckmittel ständig druckbeaufschlagt ist.
3. Verstelleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Druckzylinder ein Gasdruckspeicher angeschlossen ist und als Übertragungsmittel zwischen dem Kolben des Sicherungsgliedes und dem Gasdruck-apeicher eine Druckflüssigkeit dient. -
4. Veratelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sicherungsglied als ein Längskräfte übertragender, einen Druckzylinder. mit Kolben aufweisender, teleskopartig zusammenschiebbarer Lenker ausgebildet ist, dessen einer Anlenkpunkt mit dem Zylinder und dessen anderer Anlenkpunkt mit dem Kolben verbunden ist.
5. Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sicherungsglied als ein Verdrehkräfte übertragendes, aus Druckzylinder und Drehkolben bestehendes Hebelglied ausgebildet ist. 6>.
Veretelleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil den Sicherungegliedes, z.B. der Drehkolben mit dem Zeitschaufelstiel und der andere Teil, z.B. der Druck- zylinder mit dem Leitschaufelhebel verbunden ist.
7. Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ge- kennzeichnet durch eine zusätzliche an sich bekannte Soll- bruchstelle in einem der beiden Teile des Sicherungegliedes.