DE19608343A1 - Vorrichtung zur Ölversorgung der Laufradnabe einer Strömungsmaschine über eine schwimmend gelagerte ölzu- und abführende Buchse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuer- und Schmierölversorgung einer einen Laufradservomotor beinhal­ tenden Nabe eines an einer Turbinenwelle angeflanschten Laufrades einer Strömungsmaschine mit verstellbaren Lauf­ radflügeln, wobei die Nabe über die hohle Turbinenwelle und mindestens zwei darin gelagerten ölführenden Rohren mit einer im Bereich des freien Turbinenwellenendes gela­ gerten ölzu- und abführenden Buchse hydraulisch verbunden ist.

Eine Strömungsmaschine, in der eine derartige Vorrichtung verwendet wird, ist beispielsweise eine Kaplan-Rohrtur­ bine. Bei dieser Turbinenart liegt die Turbinenwelle in der Regel annähernd horizontal oder neigt sich geringfügig schräg nach unten. Die Zu- und Abströmung erfolgt nahezu axial zum Laufrad. Das Laufrad ist mit verstellbaren Lauf­ radflügeln versehen. Die Verstellung der Laufradflügel er­ folgt über einen ölhydraulischen Servomotor, der in der Laufradnabe selbst untergebracht ist.

Derartige Servomotoren, einschließlich ihrer Ölversorgung sind bekannt, vgl. Joachim Raabe, "Hydraulische Maschinen und Anlagen", 2. Auflage 1989, VDI-Verlag GmbH, Sei­ ten 384, 390 und Willi Bohl, "Strömungsmaschinen I", 6. Auflage 1994, Vogel-Buchverlag, Seite 128, Bild 7.21. Die gezeigten Servomotoren haben jeweils einen an der Nabe drehstarr befestigten Kolben, der von einem axial beweg­ lichen Zylinder umgeben ist. Außen am Zylinder sind die einzelnen Mechanismen zum Verstellen der Laufradflügel an­ gelenkt.

Um den Zylinder zu verschieben, wird dem jeweiligen Zylin­ derraum Hydrauliköl zugeführt. Dazu werden zwei verschie­ dene Ölkanäle verwendet. Ein Kanal führt innerhalb des Zy­ linderraums zur Kolbenbodenseite, ein weiterer führt zur Kolbenstangenseite. In einem dritten Kanal wird das Na­ benöl in den Nabeninnenraum gefördert oder abgepumpt. Die drei Kanäle werden in der Bohrung der Turbinenwelle über zwei konzentrisch zueinander angeordnete Rohre gebildet. Hierbei wird das zum Öffnen des Laufrades benutzte Hydrau­ liköl im Raum zwischen der Turbinenwellenbohrung und dem äußeren Rohr geführt. Es gelangt im Zylinder auf die Kol­ benstangenseite. Das zum Schließen des Laufrades benutzte Hydrauliköl strömt im Zwischenraum zwischen dem äußeren Rohr und einem inneren Rohr. Das innere Rohr, das den Ka­ nal mit dem kleinsten Querschnitt hat, kommuniziert mit dem Nabeninneren. Dieses Rohr ist mit dem Zylinder des Servomotors mechanisch gekuppelt. Es hat u. a. die Funk­ tion, die Laufradstellung mechanisch vom vorderen Wellen­ ende an das hintere Wellenende zur dortigen Anzeige und/oder elektrischen Erfassung der Flügelstellung durch seine Längsverschiebung zu übermitteln. Über das innere Rohr wird ferner die von der Kolbenstange verdrängte Öl­ nenge hin- und herbewegt.

Die Kanäle, in denen das Steuer- und Schmieröl geführt wird, werden mit Hilfe eines Ölzuführbocks mit Öl ver­ sorgt. Der Ölzuführbock besteht, wie in Bild 7.21 der Li­ teraturstelle Willi Bohl, "Strömungsmaschinen I", 6. Auflage 1994, Vogel-Buchverlag, Seite 128, gut zu sehen ist, aus einer massiven Konsole, die ein rohrförmiges Ge­ häuse trägt. Die Konsole ist mittels Paßplatten auf dem Generatorkuppelboden eingerichtet und starr fixiert. Im Gehäuse sitzen zumindest für die Zuführung des Steueröls einzelne Ölzuführbuchsen. Jede Ölzuführbuchse ist einzeln in radialer Richtung schwimmend und abgedichtet gelagert. Gegen Verdrehung sind sie beispielsweise über Stifte gesi­ chert.

Das Gehäuse trägt an seiner freien Stirnseite eine Rück­ führhaube. In letzterer endet der dritte, das Nabenölfüh­ rende Kanal. Das unter 3_*10⁵ Pa stehende Nabenöl belastet die Turbinenwelle mit einer relativ hohen Axialkraft.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung für die Steuer- und Schmierölzuführung zu schaffen, die sich zum einen auf dem Turbinenwellenende zumindest axial selbst zentriert und zum anderen ein relativ geringes Ei­ gengewicht aufweist. Ferner soll sie neben einem geringen Montageaufwand im Bereich des Turbinenwellenendes mit ein­ fachen Mitteln justiert werden können. Des weiteren soll sie zum Teil eine lagernde bzw. tragende Funktion haben. Außerdem sind die aus dem Bereich des Standes der Technik bekannten Nachteile zu vermeiden.

Das Problem wird dadurch gelöst, daß zum einen alle ölfüh­ renden Rohre für die Versorgung des Laufradservomotors über die ölzu- und abführende Buchse mit Steuer- und/oder Schmieröl versorgt werden und zum anderen daß die ölzu- und abführende Buchse auf dem freien Turbinenwellenende oder einer Verlängerung der Turbinenwelle schwimmend gela­ gert ist, wobei das auf die Buchse wirkende Drehmoment mit wenigstens einem tangential an der Buchse angelenkten Zug- und/oder Druckstab an einer ortsfesten Lagerstelle abge­ stützt wird.

In der schwimmenden Ölzuführbuchse wird dem Turbinenwellenende das Hydrauliköl radial zugeführt, wobei die einzelnen Zu- bzw. Abführungen gegeneinander und gegen den äußeren Rand der Ölzuführbuchse abgedichtet sind. Bei einer solchen Zu- bzw. Abführung wirkt das unter Druck stehende Öl nur auf kleine Stirnflächenbereiche zwischen der Ölzuführbuchse und der sie tragenden Welle, so daß Axialkräfte zwischen beiden Teilen nicht entstehen können.

Das auf die Ölzuführbuchse wirkende Drehmoment wird zumin­ dest bei einer annähernd horizontal ausgerichteten Turbi­ nenwelle über eine Zugstange, eine Schubstange oder eine Kombination aus mindestens zwei Stangen an einer oder meh­ reren ortsfesten Lagerstellen abgestützt. Bei einer verti­ kal ausgerichteten Turbinenwelle kann die Ölzuführbuchse auf dem Generatorgehäuse abgestützt werden. Zusätzlich sind zur Abstützung des Drehmoments am Generatorgehäuse oder anderen ortsfesten Lagerstellen tangential an der Buchse angelenkte Zug- und/oder Druckstäbe befestigt. Die Ölzuführbuchse kann am Verdrehen auch über Stifte oder Bolzen gehindert werden. Die Stifte oder Bolzen sind dazu parallel zur Turbinenwelle ausgerichtet und ragen in eine entsprechende Aussparung an der Ölzuführbuchse hinein.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend beschriebenen und schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel.

Fig. 1 Längsschnitt des Turbinenwellenendes mit einer Ölzuführbuchse sowie eine Frontansicht;

Fig. 2 Ölzuführbuchse im Längsschnitt;

Fig. 2a Ölzuführbuchse wie in Fig. 2, jedoch mit Ver­ schlußstopfen für die Verlängerungswelle;

Fig. 3 Kugelgelenk an der Ölzuführbuchse;

Fig. 4 Schwenkgelenk am Generatorkuppelboden.

In Fig. 1 ist das längsgeschnittene Turbinenwellenende dargestellt. Es besteht aus einer Verlängerungswelle (20), auf der eine Ölzuführbuchse (40) gelagert ist. In der Ver­ längerungswelle (20) werden u. a. die Ölzuführrohre (14-17) am hinteren Turbinenende gelagert, vgl. Fig. 2 unter der Beachtung der Schnittlinie (9) in Fig. 1. Die Ölzuführ­ rohre (14-17) sind sogenannte Präzisionsstahlrohre, die als Rohrbündel aus vier gleichartigen Rohren die Laufrad­ nabe durch die hohle Turbinenwelle hindurch mit Steuer- und Schmieröl versorgen.

Die Verlängerungswelle (20) ist im vorderen Bereich als Rohr ausgebildet. Im hinteren Bereich, dem Bereich, auf dem die Ölzuführbuchse (40) sitzt, ist sie ein zylindri­ scher Block, in dem Bohrungen (22-27), (55-57) und Kanäle (51-53) einzelne Hydraulikanschlüsse (42-47) mit den Ölzuführrohren (14-17) verbinden, vgl. Fig. 2.

Die Ölzuführrohre (14-17) verlaufen in der Verlängerungs­ welle (20) annähernd parallel zu deren Mittellinie (12). Alle Ölzuführrohre (14-17) liegen im Querschnitt betrach­ tet auf einem Kreis um die Mittellinie (12) und sind zu­ einander um jeweils 900 versetzt. Je zwei einander gegen­ überliegende Ölzuführrohre (14, 15) und (16, 17) transpor­ tieren denselben Ölstrom. In der Verlängerungswelle (20) enden die Ölzuführrohre (14-17) in parallelen Längsboh­ rungen (22-25). Diese Längsbohrungen (22-25) sind in ihrem vorderen Bereich so weit aufgebohrt, daß die Ölzuführ­ rohre (14-17) hineingesteckt werden können. In diesem Be­ reich sind in den einzelnen Längsbohrungen (22-25) jeweils zwei Einstiche eingearbeitet, in denen O-Ringe (28) sit­ zen. Die Längsbohrungen (22-25) enden in Inspektionsboh­ rungen (22′-25′), die über eine auf der Verlängerungs­ welle (20) angeordnete Lagerbüchse (30) durckmitteldicht verschlossen sind.

Alternativ hierzu können die Längsbohrungen (22-25) auch durch Verschlußstopfen (22′′-25′′) verschlossen werden, vgl. Fig. 2a. Dazu sind die Längsbohrungen (22-25) als Durch­ gangsbohrungen ausgeführt, die am freien Ende der Verlän­ gerungswelle (20) jeweils einen Abschnitt mit einem ge­ ringfügig vergrößerten Durchmesser aufweisen. Dieser Ab­ schnitt trägt ein Innengewinde. Der einzelne Verschluß­ stopfen (22′′-25′′) hat im wesentlichen einen zylindrischen Körper. Zur Fixierung in der jeweiligen Längsbohrung (22- 25) trägt er an seinem hinteren Ende einen Gewindeab­ schnitt. Vor dem Gewindeabschnitt sitzt in einer Ringnut ein O-Ring.

Die Verschlußstopfen (25′′, 24′′) verschließen die Längsboh­ rungen (25, 24), in denen die Ölzuführrohre (16, 17) en­ den. Die Länge dieser Verschlußstopfen (25′′, 24′′) ist so gewählt, daß sie vor dem Ringkanal (52) enden. Die beiden anderen, längeren Verschlußstopfen (22′′, 23′′) enden vor dem Ringkanal (51).

Die Verschlußstopfen (22′′-25′′) sind zum Einschrauben in die jeweilige Längsbohrung (22-25) an ihrem äußeren Ende beispielsweise mit einem - nicht dargestellten - Innen­ sechskant ausgestattet.

Die in Fig. 2a dargestellte Gestaltung der Längsboh­ rungen (22-25) erlaubt eine vereinfachte Montage der Ver­ längerungswelle (20). Durch die Längsbohrungen (22-25) lassen sich vor dem Aufsetzen der Verlängerungswelle (20) auf der Turbinenwelle vier lange Dorne schieben, die in die freien Enden der Ölzuführrohre (14-17) eingeführt wer­ den. Die Dorne erleichtern durch ihre Zentrierwirkung das Einfädeln der Ölzuführrohre (14-17) in die Längsboh­ rungen (22-25).

Auf der rotierenden Verlängerungswelle (20) sitzt axial und radial gleitgelagert die Ölzuführbuchse (40). Die nicht mitrotierende Ölzuführbuchse (40) stützt sich über mehrere Bauelemente (110, 120, 130) am ortsfesten Genera­ torkuppelboden (1) ab, vgl. Fig. 1.

Die Ölzuführbuchse (40) sitzt über einen Gleitbelag (41) auf der fest mit der Verlängerungswelle (20) verbundenen Lagerbüchse (30). Letztere hat die Form eines Topfes, de­ ren Rand als ein Bund (32) flanschartig radial nach außen ragt. Der Bund (32) beinhaltet die rechte Axiallager­ fläche. Die linke Axiallagerfläche wird mit Hilfe einer Ringscheibe (33) gebildet, die zentriert an der linken Stirnseite der Lagerbüchse (30) befestigt ist.

An der Oberseite der Ölzuführbuchse (40) sind nebenein­ ander drei Hydraulikanschlüsse (42-44) angeordnet. Jeder Hydraulikanschluß mündet in einen eigenen Ringkanal (51- 53). Jeder Ringkanal (51-53) ist im Ausführungsbeispiel über eine Querbohrung (55-57) mit der jeweiligen Längsboh­ rung (22-25) hydraulisch verbunden. Von dem rechten Hydraulikanschluß (42) strömt das zum Öffnen des Laufrades verwendete Öl u. a. in das Ölzuführrohr (14). Über den lin­ ken Hydraulikanschluß (43) wird das Öl zum Schließen des Laufrades in das Ölzuführrohr (17) gepumpt. Über den mitt­ leren Hydraulikanschluß (44) wird das Nabenöl in die Sack­ lochbohrungen (26, 27) gefördert. Die Sacklochboh­ rungen (26, 27) münden direkt in die Hauptbohrung (21) der Verlängerungswelle (20). Zum Entleeren der drei Hydraulik­ stränge dienen drei an der Unterseite der Ölzuführ­ buchse (40) nebeneinander angeordnete Hydraulikan­ schlüsse (45-47). Jeder von ihnen ist mit je einem Ringka­ nal (51-53) verbunden.

Alle Ölkanäle oder -rohre enden in der Verlängerungs­ welle (20) und führen dort radial nach außen in die Ölzu­ führbuchse (40). Ein geringer Teil des durch die Ölkanäle und/oder -rohre geförderten Öls fließt im Lagerspalt zwi­ schen der Lagerbüchse (30) und dem Gleitbelag (41) in axi­ aler Richtung nach außen. Dort wird es in den Kammern (58) und (59) aufgefangen; und als Leckageöl über die Leitungen (48) und (49) abgeführt.

Eine Rückführstange (35), deren Hub ein Maß für die Lauf­ radflügelverstellung ist, erstreckt sich zwischen den Öl­ zuführrohren (14-17) liegend vom Laufradservomotor bis über das freie Ende der Ölzuführbuchse (40) hinaus. Dazu durchdringt sie den Boden (31) der Lagerbüchse (30) und den Ölzuführbuchsendeckel (40′). Im Boden (31) und im Deckel (40′) sind die Durchführstellen mit Öldichtringen bewehrt. Außerhalb der Ölzuführbuchse (40) dient die Rück­ führstange (35) der mechanischen Anzeige der Laufradflü­ gelstellung und der Abnahme derselben durch elektrische Weg- und/oder Drehwinkelmeßeinrichtungen (5), vgl. Fig. 1.

Die teilweise zylindrische Außenwandung der Ölzuführ­ buchse (40) ist an den beiden Seitenbereichen plangefräst, vgl. Fig. 3. Ungefähr im Bereich der mittleren Länge des Gleitbelages (41) ist auf der Höhe der Mittellinie (12) an jeder seitlichen Planfläche (50) ein Kugelgelenk (110) an­ geordnet. Jedes Gelenk umfaßt einen Kugelbolzen (111) und ein Gelenkauge (112). Der dargestellte Kugelbolzen (111) hat an seinem linken Ende einen Flansch und an seinem rechten Ende ein Gewinde. Über den Flansch ist der Kugel­ bolzen (111) mit der Ölzuführbuchse (40) verschraubt. Im vorderen Teil des Gelenkauges (112) sitzt eine durch­ bohrte, teilweise allseitig schwenkbare Kugel. Sie ist mittels einer Mutter an Kugelbolzen (111) fixiert. Das hintere Teil des Gelenkauges (112) besitzt eine Bohrung mit Innengewinde. Dort ist eine Stange (120) eingeschraubt und mit einer Mutter gekontert.

Fig. 4 zeigt die Abstützung der Stange (120) auf dem Ge­ neratorkuppelboden (1). Die Abstützung erfolgt über ein Schwenkgelenk (130). Letzteres umfaßt hauptsächlich zwei am Generatorkuppelboden (1) verschraubte Winkelei­ sen (131), die einen zylindrischen Bolzen (132) tragen. Die Winkeleisen (131) sind gegen den Generatorkuppelbo­ den (1) isoliert. Dazu liegt unter den Winkeleisen (131) jeweils eine Isolierplatte (139). Die Befestigungsschrau­ ben (136) sind im Bereich ihres Schaftes und ihrer Kopf­ auflage gegenüber dem jeweiligen Winkeleisen (131) iso­ liert.

Der von den Winkeleisen (131) getragene Bolzen (132) ist beidseitig mittels Sicherungsringen gegen funktionsstören­ des Verschieben gesichert. Zwischen den Winkeleisen (131) sitzt auf dem Bolzen (132) ein Schwenkblock (133), der über ein Linksgewinde die Stange (120) aufnimmt. Die Stange (120) ist mit einer Mutter fixiert. Der Schwenk­ block (133) sitzt über eine sog. Drehschubfeder (134) auf dem Bolzen (132). Die Drehschubfeder (134) besteht aus zwei konzentrisch ineinander liegenden Ringen, die über eine Gummi- oder Kunststoffschicht miteinander elastisch verbunden sind. Der Außenring der Drehschubfeder (134) ist beispielsweise über einen Querpreßsitz im Schwenk­ block (133) befestigt. Der Innenring stützt sich beidsei­ tig über Distanzhülsen (135) an den Winkeleisen (131) ab.

Über die Stangen (120) wird die Ölzuführbuchse (40) gelen­ kig und geringfügig elastisch am Generatorkuppelboden (1) abgestützt. Die Stangen (120) und die Gelenke (110, 130) stützen das durch die Lagerreibung zwischen Ölzuführ­ buchse (40) und Verlängerungswelle (20) bzw. Lager­ büchse (30) entstehende Drehmoment ab. Da die Abstützung im Bereich der Schwerpunktsebene der Ölzuführbuchse (40) erfolgt und die Stangen (120) und Gelenke (110, 130) klei­ nere Auslenkungen zulassen, zentriert sich die Ölzuführ­ buchse (40) mittels eines hydraulischen Schmierfilms auf der Lagerbüchse (30) selbsttätig. Teilweise wird über die Stangen (120) auch ein Teil der von der Verlängerungs­ welle (20) ausgeübten Gewichtskraft abgestützt, wodurch sich die Biegebeanspruchung der Verlängerungswelle (20) verringert.

Bezugszeichenliste

1 Generatorkuppelboden
5 Weg- bzw. Drehwinkelmeßeinrichtungen
9 Schnittverlauf in der Verlängerungs­ welle
12 Mittellinie
14, 15 Ölzuführrohre zum Öffnen
16, 17 Ölzuführrohre zum Schließen
20 Verlängerungswelle
21 Hauptbohrung in (20)
22, 23, 24, 25 Längsbohrungen für (14, 15, 16, 17)
22′-25′ Inspektionsbohrungen zu (22-25)
22′′-25′′ Stopfen in (22-25)
26, 27 Sacklochbohrungen in (20)
28 O-Ringe
30 Lagerbüchse
31 Boden zu (30)
32 Bund an (30)
33 Ringscheibe
35 Positionsgeberstange, Rückführstange
38, 39 Hydraulikschläuche
40 Ölzuführbuchse
40′ Ölzuführbuchsendeckel
41 Gleitbelag
42, 43, 44 Hydraulikanschlüsse
45, 46, 47 Hydraulikanschlüsse für Entleerung
48, 49 Leitungen
50 Planflächen, seitlich an (40)
51, 52, 53 Ringkanäle in (40)
55, 56, 57 Querbohrungen in (20) und (30)
58, 59 Kammern
110 Kugelgelenke
111 Kugelbolzen
112 Gelenkauge
120 Stange, Zug- und/oder Druckstange
130 Schwenkgelenke
131 Winkeleisen
132 Bolzen
133 Schwenkblock
134 Drehschubfeder
135 Distanzhülsen
136 Befestigungsschrauben
139 Isolierplatte

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Steuer- und Schmierölversorgung einer einen Laufradservomotor beinhaltenden Nabe eines an ei­ ner Turbinenwelle angeflanschten Laufrades einer Strö­ mungsmaschine mit verstellbaren Laufradflügeln, wobei die Nabe über die hohle Turbinenwelle und mindestens zwei darin gelagerten ölführenden Rohren mit einer im Bereich des freien Turbinenwellenendes gelagerten ölzu- und abführenden Buchse hydraulisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,

• - daß alle ölführenden Rohre (14-17) über die ölzu- und abführende Buchse (40) mit Steuer- und/oder Schmieröl versorgt werden und
• - daß die ölzu- und abführende Buchse (40) auf dem freien Turbinenwellenende oder einer Verlänge­ rung (20) der Turbinenwelle schwimmend gelagert ist, wobei das auf die Buchse (40) wirkende Drehmoment mit wenigstens einem tangential an der Buchse (40) angelenkten Zug- und/oder Druckstab (120) an einer ortsfesten Lagerstelle (1) abgestützt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Turbinenwellenende oder der Verlänge­ rung (20) der Turbinenwelle eine dünnwandige Lager­ büchse (30) mit radialen und axialen Gleitflächen sitzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Lagerbüchse (30) die ölzu- und abführende Buchse (40) sitzt, wobei die Lagerbüchse (30) die Stirnflächen der Buchse (40) zumindest bereichsweise umgreift.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle an der ölzu- und abführenden Buchse (40) ange­ ordneten hydraulischen Anschlüsse (42-47) zur Versor­ gung der Nabe radial ausgerichtet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die ölzu- und abführende Buchse (40) zumindest bei annähernd horizontal ausgerichteter Turbinenwelle mit zwei längenveränderbaren annähernd vertikal ausge­ richteten Stäben (120) an ortsfesten Lagerstellen (1) abstützt, wobei die tangential zur Buchse (40) orien­ tierten Stäbe (120) an der Buchse (40) mit Gelen­ ken (110) mit je drei Freiheitsgraden und an den orts­ festen Lagerstellen (1) mit Gelenken (130) mit je zwei Freiheitsgraden angelenkt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulischen Anschlüsse (42-49) der ölzu- und abführenden Buchse (40) mit den ortsfesten Hydraulik­ leitungen zumindest teilweise über Schläuche (38, 39) verbunden sind.