DE2015112C2 - Einrichtung zum stufenlosen Verstellen von Lauf- oder Leitradschaufeln oder beides gemeinsam von Kreiselmaschinen, wie Kreiselpumpen, Axialturbinen, Schiff sptopellern o. dgl - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht rieh auf eine Einrichtung zum stufenlosen Verstellen von Lauf- oder Leitradschaufeln oder beides gemeinsam von Kreiselmaschinen, wie Kreiselpumpen, Axialturbinen, Schiffspropellern od. dgl. mit einem im Bereich der verstellbaten Schaufeln untergebrachten Verstellantrieb, bestehend aus einem Drehkolben-Arbeitszylinder mit einem Arbeitsbereich unter 360° und einem Getriebevorgelege, der von einem außerhalb der Verstelleinrichtung vorgesehenen Steuerkreis um das Maß der gewünschten Verstellung der Schaufeln betätigbar und nach erfolgter Verstellung derselben wieder abstellbar ist, wobei die eingestellte ^h5 Schaufelanstellung fixiert bleibt und der Grad derselben an einer nach außen geführten Anzeigevorrichtung ablesbar ist.

Es ist bekannt, durch Verändern der Schaufelanstellung von Lauf- und/oder Leitscbaufeln die Kreiselmaschinen, wie Kreiselpumpen, Axialturbinen, Schiffspropelicrn usw., an sich ändernde Förderbedingungen anzupassen. Dabei ist es gleichgültig, ob der Leitapparat bei Leitschaufelverstellung in Strömungsrichtung vor dem Laufrad angeordnet ist, also als Vorleitapparat arbeitet, oder hinter dem Laufrad, Um solch eine Änderung der Schaufelanstellung zu erreichen, wird die Verstellbewegung, z. B. durch einen entsprechenden elektrischen oder auch ölhydraulischen Stellmotor eingeleitet, der sich entweder außerhalb des Rotationssystems oder auch im Rotationssystems selbst befindet und eine so erzeugte Verstellbewegung durch die hohlgebohrte Pumpenwelle oder über eine die Pumpenwelle umgebende Hülse zum Laufrad überträgt Dabei kann zur Erreichung der gewünschten Drehzahl dem Stellmotor jeweils ein Untersetzungsgetriebe vorgelagert werden. Bei Anordnung des Stellmotors außerhalb des Systems muß ferner ein Differentialgetriebe zwischengeschaltet werden, um die Bewegung vom stehenden in den drehenden Teil zu übertragen. Dabei kann es sich um ein konventionelles Zahnraddifferentialgetriebe handeln oder auch um eine elektrische oder ölhydrauüsche Lösung, wobei die Verstellwelle von außen mit der Drehzahl des Rotationssystems synchron angetrieben und dann während des Verstellvorganges dieser außenliegende Antrieb verzögert oder beschleunigt wird. Um die so eingestellte Schaufeleinstellung fixieren zu können, wird üblicherweise als Getriebevorgelege ein selbsthemmendes Getriebe, also ein Schnekken- oder Spindeltrieb, vorgesehen. Dabei hat es sich allerdings herausgestellt, daß durch die Erschütterungen der Lauf- und Leitradschaufeln im Betrieb die in der Literatur als ausreichend für selbsthemmende Getriebe angegebenen Steigungswinkel von Schnecke und Gewinde nicht ausreichen, um eine einwandfreie Selbsthemmung zu erreichen. Es müssen deshalb extrem kleine Neigungswinkel gewählt oder zwei selbsthemmende Getriebe hintereinandergeschaltet werden.

Eine bekannte, auf mechanischem Weg arbeitende Einrichtung zum Verstellen der Laufradschaufeln von Kreiselpumpen, bei denen die Verstellstange bzw. Verstellwerte innerhalb einer als Hohlwelle ausgebildeten Pumpenwelle angeordnet ist und die Verstellbewegung ausschließlich über drehbewegliche Übertragungsglieder zwangläufig erfolgt sowie mittels eines ebenfalls drehbeweglichen Betätigungsgliedes von dem Raum außerhalb des rotierenden Systems in dieses eingeleitet wird, zeichnet sich dadurch aus, daß auf der Pumpenwelle ein festes und ein gegenüber der Pumpenwelle drehbares Zahnrad koaxial angeordnet sind, die mit Ritzeln, die koaxial auf einer im Pumpengehäuse parallel zur Pumpenwelle angeordneten Welle gelagert sind, zusammenwirken. Die auf der Welle sitzenden Ritzel weisen zwischen sich ein Ausgleichsgetriebe auf, über das und die Ritzel eine Drehbewegung vom auf der Pumpenwelle festsitzenden Zahnrad auf das auf dieser drehbar sitzende Zahnrad erfolgt. Über das auf der Pumpenwelle drehbar sitzende Zahnrad und ein sich mit diesem bewegenden weiteren Zahnrad wird die Drehbewegung auf ein weiteres Ritzel und von diesem über eine Zwischenwelle und eine Übersetzung auf eine Schraubenmutter, die der axialen Verschiebung der Verstellstange dient, übertragen. Entsprechend der axialen Verschiebung der Verstellstange erfolgt die Verstellung der Laufradschaufeln (Stand der Technik: deutsche Patentschrift 9 60 518).

Bei einer weiteren bekannten, mit verstellbaren Schaufeln versehenen Kreiselmaschine dieser Art wird die Verstellung der Schaufeln mittels eines hydraulischen, im Laufrad angeordneten Versiellantriebs, der von außen mit einem von oben einführbaren Druckmittel beaufschlagbar ist, vorgenommen. Die Kreiselmaschine ist dabei vertikal in einem axial durchströmenden Förderrohr angeordnet, und es ist der Verstellantrieb in der Nähe der verstellbaren Schaufeln, also am unteren Ende der Propellerwelle, in der Propellernabe vorgesehen. Um die Antriebswelle der Kreiselmaschine nicht mit sehr langen Bohrungen für das von der Antriebswelle aus ein- und ausführbare Druckmittel versehen zu müssen, sind am Außenmantel der Antriebswelle Rohrleitungen, die im Schaufelbereich in Stichleitungen einmünden, vorgesehen. Die Verstellung der Schaufeln wird bei dieser Ausführung hydraulisch vorgenommen (Stand der Technik: deutsche Patentschrift 1111 022).

Außerdem ist eine Einrichtung zum Verstellen der Propeller von axialen Propeller- bzw. Kreiselmaschinen bekannt, bei der die Verstellung der Schaufeln von einem ebenfalls im Rotationssystem vorgesehenen Drehkolben bzw. Drehflügel mit einem Verstellweg von weniger als 360° vorgenommen wird. Dieser Drehkolben ist mit einem selbsthemmenden Gewinde versehen, welches wiederum in ein entsprechendes Gegengewinde an einem für die Schaufelverstellung vorgesehenen Verstellteil eingreift. Durch das selbsthemmende Gewinde wird der jeweils eingestellte Verstellungsgrad der Schaufeln gehalten bzw. fixiert. Zum Verdrehen des Drehkolbens bzw. des Drehflügels sind in einer im Rotationssystem feststehenden Welle mehrere axiale und in diese wiederum einmündende radiale Bohrungen für ein Druckmitte.1 vorgesehen. Die axialen Bohrungen führen über Verbindungsleitungen zu einem außerhalb der Verstelleinrichtung angeordneten Steuerkreis mit Pumpe. Das die einzelnen Schaufeln verschwenkende Verstellteil ist als undrehbarer Verstellstern ausgebildet und im Rotationssystem koaxial zur Längsachse der Welle vom Drehkolben betätigbar. Für die Verstellanzeige der Schaufeln ist an dem dem Drehkolben bzw. Drehflügel benachbarten Ende der Welle ein vom Drehkolben betätigbarer Metallbalg vorgesehen, dessen Volumen über einen in der Welle vorgesehenen Kanal für ein hydraulisches Druckmittel mit der Schaufelverstellanzeige verbunden ist. Da bei dem vorgeschlagenen Drehkolben- bzw. Drehflügelmotor der Arbeitsweg kleiner als 360° ist und wegen der Forderung der Selbsthemmung der nachgeschakete, geradguührte Spindeltrieb mit einer solchen Übersetzung gewählt werden muß, daß sich entweder ein extrem kleiner, nicht ausreichender Verstellweg ergibt oder, um den Verstellweg ausreichend zu machen, die zwischengeschalteten Verstellhebel entsprechend klein gewählt werden müssen, ergeben sich aber auch auf der anderen Seite wieder extrem hohe Verstellkräfte, die im Laufrad nicht unterzubringen sind (Stand der Technik: DT-AS 12 72 726).

Schließlich ist noch eine Einrichtung zum Verstellen der Schaufeln eines Propellers bekannt, bei der im Rotationssystem ebenfalls ein Ölmotor vorgesehen ist, der einen Verstellweg von weniger, auf Wunsch aber auch mehr als 360° ai weist. Die Abtriebswelle des Ölmotors ist über ein verstellbares Planetengetriebe und ein anschließendes Kegelradgetriebe, von dem ein Rad ohne Welle im Pro-ellerkopf gelagert ist, mit den Zapfen der Schaufeln verbunden. Die Druckmittelzu- und -abfuhr für den Ölmotor, der ebenfalls von außer gesteuert wird, erfolgt hier durch eine Hohlwelle.

Zweck der Einrichtung ist es, das Verhältnis der Bewegung zwischen zwei Zahnrädern zu verändern, um auch bei großem Widerstand die Schaufeln mit kleiner ;^; Kraft verschwenken zu können. Ein Verstellweg für den Ölmotor von mehr als 360^c wird nur vorgeschlagen, wenn die Größe des Motors oder der Öldruck oder beides reduziert werden sollen. Die Einrichtung befaßt sich also nur mit dem Antrieb für die Schaufelverstellung, damit eine solche auch bei hohen Kräften möglich ist. Die Fixierung erfolgt auf hydraulischem Weg, was den Nachteil hat, daß bei Nachlassen der Dichtungen eine unerwünschte Verstellung der Schaufeln erfolgen kann (Stand der Technik: US-PS 22 96 348).

ι j Diesen Einrichtungen gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verstelleinrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß mit dieser ein weiterer Verstellbereich und eine feste Fixierung des Verstellungsgrades ermöglicht wird.

x. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Abtriebswelle des Drehkolben-Arbeitszylinders über ein an sich bekanntes, nicht selbsthemmendes und eine große Übersetzung aufweisendes Getriebevorgelege direkt mit dem Zapfen der Schaufeln einerseits und über eine Verstellspindel mit der Anzeigevorrichtung andererseits verbunden ist und daß zum Fixieren der eingestellten Schaufelanstellung eine Feststellbremse vorgesehen ist, welche aus einer zentral im Laufrad oder im Leitapparat angeordneten Brems-

3c scheibe und an jedem Zapfen der Laufradschaufeln oder der Leitiadschaufeln befestigten Bremstellern besteht, wobei die Bremsscheibe entgegen der Kraft von wenigstens einer Feder über einen Arbeitskolben durch das gleiche, den Drehkolben-Arbeitszylinder antreiben-

•f, de Druckmittel lüftbar und zusammen mit diesem steuerbar ist.

Damit wird die gestellte Aufgabe voll gelöst, denn es wird eine Einrichtung geschaffen, die eine exakte Feststellung der eingestellten, d. h. verstellten Schaufeln ermöglicht. Mittels der den Grad der Verstellung der Schaufeln nach außen anzeigenden Vorrichtung kann ein optimaler Förderungsgrad leicht eingestellt werden. Durch die Anwendung des als Drehkolben-Arbeitszylinder ausgebildeten Stellmotors ergibt sich ferner der Vorteil, daß ein in Serie gefertigtes Bauteil eingesetzt werden kann, wodurch zum einen die Kosten für den Verstellmotor gesenkt und zum anderen etwaige Instandsetzungen einfacher ausgeführt werden können.

Die Anwendung einer Bremse hat den Vorteil, daß in besonders einfacher Weise die unerwünschten Spiele in den Lagerungen der Schaufeln und im Verstellgetriebe vermieden werden können, wenn die Bremse entsprechend angeordnet wird. Dadurch wird ein etwaiges Ausschlagen der gelagerten Teile verhindert, und eis wird die Lebensdauer dieser Teile auf diese Weise entscheidend begünstigt. Da durch das Feststellen der Schaufeln rieben dem Aufheben der Spiele in den Schaufellagerungen auch die Spiele in den Verzahnungen der Vorlage aufgehoben werden, wird der

(»-. Verschleiß an den Zahnflanken verkleinert.

Gemäß weiterer Merkmale der Erfindung können die verwendeten Bremsen als form- oder kraftschlüssig wirkende Bremsen ausgebildet sein.

Bei Antriebswellen, bei denen es beispielsweise

<>■- erwünscht ist, das Druckmittel, z. B. ein Drucköl, von unten in das rotierende System einzuführen, können erfindungsgemäß die festverlegten Leitungen und die mit dem System rotierenden Leitungen über eine

Drehgelenk-Stopfbuchse miteinander verbunden sein.

Mit den erfindungsgemäßen Merkmalen läßt sich die Einrichtung als eine kompakte Einheit herstellen, die in sich alle diejenigen Teile vereint, die zum optimalen Lösen des aufgabengemäßen Problems beitragen. Eine auf diese Weise ausgerüstete Kreiselmaschine gewährleistet einen sicheren Betrieb und bedarf infolge unkompliziert funktionierender Bauteile einer in erträglichen Grenzen sich bewegenden Wartung.

Um das Flattern von drehbaren Leitschaufeln an Strömungsmaschinen zu vermeiden, ist es bekannt, diese Leitschaufeln mit je einer Bremse zu versehen und diese Bremse wiederum als jeweils eine außen auf die Naben der Schaufeln wirkende Keilbremse auszubilden. Das Anlegen und Lüften der Bremse bzw. Bremsen erfolgt durch Kolben-Zylinder-Antriebe, die in einem die Lagerschalen für die Naben tragenden Gehäuse untergebracht sind. Diese Einrichtung zum Feststellen der Leitschaufeln bedarf fester, am feststehenden Gehäuse angebrachter Lager, so daß deren Anwendung in Rotationssystemen ungeeignet erscheint (Stand der Technik: deutsche Auslegeschrift 11 30 379).

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Die Figur zeigt einen Längsmittelschnitt durch den laufradseitigen Bereich einer Kreiselmaschine mit einem als Drehkolben-Arbeitszylinder ausgebildeten Verstellantrieb am Beispiel der Verstellung von Laufradschaufeln.

Die dem stufenlosen Verstellen von Lauf- oder Leitradschaufeln 1 bzw. Vordrallschaufeln oder beides gemeinsam von Kreiselmaschinen und Anzeigen des jeweiligen Verstellungsgrades dienende Einrichtung gemäß der Erfindung besteht beim Ausführungsbeispiel im wesentlichen aus einem als Drehkolben-Arbeitszylinder 3 ausgebildeten Verstellmotor, einem an dessen Abtriebswelle 4 sich anschließenden Getriebevorgclcgc 5, einer dem Fixieren der Schaufeln 1 dienenden Feststellbremse 6 und einer den Grad der Schaufelanstellung nach außen übertragenden Anzeigevorrichtung 7. Diese zu einer Einheit zusammengefaßten Bauteile sind vorzugsweise und größtenteils im Laufrad 8 selbst untergebracht und über entsprechende Versorgungsleitungen 9, 10 für die Zu- und Abführung des hydraulischen Druckmittels zum einen und Übertragung der Anzeigewerte des Standes der Schaufelanstellung zum andern mit außerhalb des rotierenden Systems liegenden Aggregaten verbunden. Der als handelsübliches Bauteil erhältliche Drehkolben-Arbeitszylinder 3 ist in einer Ausnehmung 11 des Laufrades 8 untergebracht und über seine AbtriebsweUe 4 mit einer zum Teil im Laufrad und zum Teil in einem Fußlager 12 unterhalb desselben drehbar gelagerten Verstel!spindel 13 verbunden. Zwischen dem Drehkolben-Arbeitszylinder 3 und den zu verstellbaren Schaufeln 1 ist das Getriebevorgelege 5 vorgesehen, das gemäß dem hier dargestellten Beispiel aus einem auf der AbtriebsweUe 4 des Drehkolben Arbeitszylinders 3 sitzenden Tellerkegelrad 14 und weiteren auf den Zapfen bzw. Naben 15 der Laufradschaufeln 1 sitzenden Tellerkegelräder 16 besteht. Das Tellerkegelrad 14 der Abtriebswelle 4 und die Teilerkegelräder 16 der Naben 15 stehen in einem ständigen, forrnschlüssigen Eingriff, so daß beim Bewegen des Drehkolben-Arbeitszylinders 3 im Uhrzeigersinn oder gegen diesen auch die Laufradschaufeln 1 entsprechend bewegt werden. Auf den Zapfen bzw. Naben 15 der Laufradschaufeln 1 ist außer dem jeweiligen Tellerkegelrad 16 noch je ein Bremsteller 17 vorgesehen, der mit Hilfe von Bremsbacken 18 nach

Beendigung des Verstellvorganges der Schaufeln 1 di( Festbremsung, d. h. Fixierung der Schaufeln, ermöglicht Die Bremsbacken 18 werden dabei von einer zentral irr Laufrad 8 sitzenden Bremsscheibe 19 mit mindesten; einer sie belastenden Feder 20 betätigt. Diese belastende Feder 20 läßt sich durch einen Arbeitskolber 21 lüften, der von dem gleichen Druckmedium, ζ. Β Dnicköl beaufschlagt wird, das auch den Drehkolben-Arbeitszylinder 3 antreibt. Dadurch, daß mit Sicherheit gewährleistet ist, daß die Bremse 6 gelüftet wird, wenn die Schaufeln 1 verstellt werden sollen, muß der Drehkolben-Arbeitszylinder 3 nicht gegen die Feststellkraft der Bremse beim Verstellen der Schaufeln ankämpfen. Das Druckmedium zum Belüften des Drehkolben-Arbeitszylinders 3 und der Bremse 6 wird über eine Drehgelenkstopfbüchse 22, die unterhalb des Fußlagers 12 angeordnet ist, in das Laufrad 8 eingeleitet. Zu diesem Zweck sind die Abtriebswelle, d. h. die AbtriebsweUe 4 des Drehkolben-Arbeitszylinders 3 und die sich an diese anschließende Verstellspindel 13 mit in der Zeichnung nicht dargestellten Bohrungen für das Einführen und Ausführen des Drucköls zum Drehkolben-Arbeitszylinder bzw. Arbeitskolben 21 versehen. Diese Bohrungen weisen im Bereich des Arbeitskolbens 21 der Bremse 6 entsprechende, jedoch ebenfalls in der Zeichnung nicht dargestellte Stichleitungen auf, über die der Arbeitskolben mit dem Drucköl versorgt wird. Die zwischen der Drehgelenkstopfbüchse 22 und dem Drehkolben-Arbeitszylinder 3 liegenden Bohrungen sind über die Leitungen 9, 10, die in die Drehgelenkstopfbüchse münden und die in den Stützarmen 23 des Fußlagers 12 gebettet sind, mit außerhalb der Kreiselmaschine sich befindenden und in der Zeichnung nicht dargestellten Aggregaten verbunden. Die dem Anzeigen des Verstellungsgrades der Schaufeln 1 dienende Anzeigevorrichtung 7 besteht aus einer auf der Verstellspindel 13 im Bereich der Drehgelenkstopfbüchse 22 gradgeführten Verstellmutter 24, die beispielsweise über einen Bowdenzug 25 den jeweiligen Stellwert der Schaufeln an eine außerhalb der Kreiselmaschine sich befindende Anzeige überträgt. Die Verstellspindel 13, die mit der AbtriebsweUe 4 des Drehkolben-Arbeitszylinders 3 verbunden ist, ist in dem Fußlager 12 und in einem weiteren Lager 26 im Laufrad 8 zwischengelagert.

Die Erfindung ist nicht nur auf diese hier dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie läßt sich in gleicher Weise für das Verstellen von Laufrädern beliebiger Maschinen verwendea bei denen auf einen optimalen Förderstrom Wert gelegt wird und bei denen der Mehraufwand für die Verstelleinrichtung durch die erhöhte Förderleistung gerechtfertigt ist Für den Fall, daß die Einrichtung der Verstellung von Vordraflschaufeln und Leitschaufeln dienen soll so kann sie mit einer Versteüspindel ausgestattet werden, die über entsprechende weitere Bauteile, wie Kulissenstei ne, Vorgelege, unter anderem vom einen zum verstellenden Bereich in den andern Bereich und dort die Verstellung und Fixierung der betreffenden Schaufeln vornimmt Für einen solchen Fall ist es zweckmäßig, die Anzeige des Verstellungsgrades über jeweils getrennte Versteumuttem und Bowdenzüge zu übertragen. Für die Anzeige der Verstellung der Schaufeln kann statt des Bowdenzuges auch eine Druckdose odJgL bei der ein komprimiertes oder entspanntes, vorzugsweise gasförmiges Medium die Betätigung der Anzeigevorrichtung und somit die Anzeige der Schaufelverstellung nach außen überträgt

vorgesehen werden. Für die Übertragung der Druckwerte von der Druckdose nach außen, also zur Verstellanzeige, sind Leitungen erforderlich, die von unten oder von oben in das Leitapparatesystem eingeleitet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum stufenlosen Verstellen von Lauf- oder Leitradschaufeln oder beides gemeinsam von Kreiselmaschinen, wie Kreiselpumpen, Axialturbinen, Schiffspropellern od. dgl. mit einem im Bereich der verstellbaren Schaufeln untergebrachten Verstellantrieb, bestehend aus einem Drehkolben-Arbeitszylinder mit einem Arbeitsbereich unter ι ο 360° und einem Getriebevorgelege, der von einem außerhalb der Verstelleinrichtung vorgesehenen Steuerkreis um das Maß der gewünschten Verstellung der Schaufeln betätigbar und nach erfolgter Verstellung derselben wieder abstellbar ist, wobei "5 die eingestellte Schaufelanstellung fixiert bleibt und der Grad derselben an einer nach außen geführten Anzeigevorrichtung ablesbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtriebswelle (4) des Drehkolben-Arbeitszylinders (3) über ein an sich bekanntes, nicht selbsthemmendes und eine große Übersetzung aufweisendes Getriebevorgelege (5) direkt mit dem Zapfen (15) der Schaufeln (1) einerseits und über eine Verstellspindel (13) mit der Anzeigevorrichtung andererseits verbunden ist, und daß zum Fixieren der eingestellten Schaufelstellung eine Feststellbremse (6) vorgesehen ist, welche aus einer zentral im Laufrad (8) oder im Leitapparat angeordneten Bremsscheibe (19) und an jedem Zapfen (15) der Laufradschaufeln (1) oder der Leitradschaufeln befestigten Bremstellern (17) besteht, wobei die Bremsscheibe (19) entgegen der Kraft von wenigstens einer Feder (20) über einen Arbeitskolben (21) durch das gleiche, den Drehkolben-Arbeitszylinder Π) antreibende Druckmittel lüftbar und zusammen mit diesen steuerbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststellbremse (6) als eine formschlüssig wirkende Bremse ausgebildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststellbremse (6) als eine kraftschlüssig wirkende Bremse ausgebildet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einführen des Druckmittels in das rotierende System in starr angeordneten Schaufeln fest verlegte Leitungen (9, 10) über eine innerhalb oder außerhalb des Laufrades (8) vorgesehene Drehgelenk-Stopfbüchse (22) mit den im Laufrad (8) untergebrachten Leitungen verbunden ist.

SO