DE3619406A1

DE3619406A1 - Verstelleinrichtung

Info

Publication number: DE3619406A1
Application number: DE19863619406
Authority: DE
Inventors: Kurt G Ing Grad Fickelscher
Original assignee: Balcke Duerr AG
Current assignee: Halberg Maschinenbau GmbH
Priority date: 1986-06-09
Filing date: 1986-06-09
Publication date: 1987-12-10
Also published as: DE3619406C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung für verstell bare Laufschaufeln, insbesondere einer Wasserturbine oder einer Propellerpumpe, mit einer Maschinenwelle und mit einer Verstellwelle , über welche mittels eines hydraulischen Stell kolbens die in einer Nabe drehbar angeordneten Laufschaufeln verstellbar sind.

Aus der Zeitschrift "Technische Rundschau Sulzer, 2/1976", Seiten 66, 67 ist eine Strömungsmaschine mit einer hydrauli schen Stelleinrichtung für verstellbare Laufschaufeln bekannt. Der hydraulische Stellkolben rotiert mit der Maschinen- bzw. Antriebswelle und das Steueröl muß in das rotierende System, und zwar insbesondere über Drosseln bzw. Gleitlager vom fest stehenden Gehäuse der Maschine eingeleitet werden. Es ist ein nicht unerheblicher Aufwand erforderlich, um zwischen dem rotierenden System und dem stationären Gehäuse eine funk tionssichere Übertragung sowie Abdichtung des Steuermittels zu ermöglichen. Dies gilt umsomehr, als der Druck des Steuermit tels in der Größenordnung von 30 bis 50 bar liegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strömungs maschine der eingangs genannten Art mit geringem konstruktivem Aufwand dahingehend weiterzubilden, daß eine funktionssichere Einstellung des Anströmwinkels der Laufschaufeln ermöglicht wird und eine lange Lebensdauer gewährleistet werden kann. Es sollen einfache und nur einem geringen Verschleiß unterworfene Bauteile zum Einsatz gelangen und ein hoher Wirkungsgrad und ein guter Wirkungsgradverlauf sollen gewährleistet werden. Die zum Betätigen der Verstelleinrichtung erforderliche Energie soll niedrig sein und eine schnelle und funktionsgerechte Ver stellung soll gewährleistet sein. Das Bauvolumen soll klein gehalten werden und bei einfacher Konstruktion soll mit weni gen Bauteilen eine einfache Zugänglichkeit der Verstellein richtung gegeben sein, damit Montage- oder Inspektionsarbeiten in einfacher Weise erledigt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die mit der Maschinenwelle drehbare und axial zu dieser bewegbare Ver stellwelle mittels eines Lagers bezüglich des Stellkolbens drehbar abgestützt ist und daß der den Stellkolben aufnehmende Stellzylinder stationär auf dem Maschinengehäuse angeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Strömungsmaschine zeichnet sich durch eine einfache Konstruktion aus und gewährleistet bei einem hohen Wirkungsgrad und einem günstigen Wirkungsgradverlauf eine hohe Funktionssicherheit. Die mit der Maschinenwelle ro tierende Verstellwelle ist mittels eines Lagers drehbar in dem erfindungsgemäß stationär angeordneten hydraulischen Verstell zylinder samt Stellkolben angeordnet. Je nach Anwendungsfall ist die Maschinenwelle die Abtriebs- oder die Antriebswelle. In das ruhende Hydrauliksystem kann folglich in einfacher Weise das Steuermittel eingeleitet werden und aufwendige sowie einem hohen Verschleiß unterliegende Dichtmittel entfallen. Eine lange Lebensdauer bzw. große Wartungsintervalle werden er reicht. Die hydraulische Verstelleinrichtung ist ebenso wie das Maschinengehäuse stationär angeordnet und bewirkt folglich auch keine Erhöhung der rotierenden Massen, was besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Laufruhe der Strömungsmaschine ist. Im Rahmen der Erfindung kann die Verstellwelle im Inneren der als Hohlwelle ausgebildeten Maschinenwelle oder aber als eine die Maschinenwelle umgebende Hohlwelle ausgebildet sein. Erfindungsgemäß ist die Verstellwelle zweckmäßig an ihrem Ende mittels des Lagers abgefangen, koaxial zum Stellkolben ange ordnet und mit dem Stellkolben axial bewegbar. Das mit dem Stellkolben verbundene Lagergehäuse ist zur Drehmomentabstüt zung, insbesondere mittels eines Hebels, bezüglich des Maschinengehäuses axial verschiebbar geführt. Wesentlich ist ferner die schnelle Verstellbarkeit, zumal bei der Anordnung des Stellkolbens unmittelbar axial über der Verstellwelle die bewegbaren Massen des Systems äußerst klein sind. Mit der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung wird für Wasserturbinen bei einem Lastabfall der Schnellschluß innerhalb von 10 Sekun den funktionssicher gewährleistet. Besondere Übertragungsmit tel zwischen Stellkolben und Verstellwelle werden aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung des Stellkolbens und der Steuer zylinder, und zwar unmittelbar axial an die Verstellwelle anschließend, vermieden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die am oberen Ende einer vertikalen Maschinen bzw. Antriebswelle einer Pumpe angeordnete Ver stelleinrichtung, deren Lagergehäuse unterhalb des Steuerzylinders angeordnet ist,

Fig. 2 eine Ausführungsform, bei welcher das Lager der Verstellwelle innerhalb des Stellkolbens angeord net ist.

In Fig. 1 ist das obere Ende einer Antriebsswelle 2 der Strömungsmaschine zu erkennen, wobei am unteren Ende der An triebswelle in einer Nabe die hier nicht weiter dargestellten verstellbaren Schaufeln angeordnet sind. Die Antriebswelle 2 ist als eine Hohlwelle ausgebildet und enthält im Inneren eine in Richtung der Drehachse 4 einstellbare Verstellwelle 6. Die Verstellwelle 6, sofern keine Veränderung des Anströmwinkels der Laufschaufeln der Strömungsmaschine erfolgt, gemeinsam mit der Antriebswelle 2 um die Drehachse 4 im Maschinengehäuse 8 drehbar.

Auf dem Maschinengehäuse 8 ist innerhalb einer Laterne 10 ein Lagergehäuse 12 für ein Lager 14 der Verstellwelle 6 angeord net. Die Laterne 10 enthält einen zur Drehachse 4 parallelen Schlitz 16, in welchen ein mit dem Lagergehäuse 12 verbundener Hebel 18 eingreift. Dieser Hebel 18 dient im Rahmen der Erfin dung zur Drehmomentabstützung des Lagergehäuses 12 und wird ferner als Anzeigeelement für die axiale Stellung der Ver stellwelle 6 und somit der Schaufelstellung genutzt. Die axiale Stellung der Verstellwelle 6 bezüglich der Antriebs welle 2 oder des Maschinengehäuses 8 entspricht nämlich dem momentanen Einstellwinkel der Laufschaufeln der Strömungsma schine. Das Lager 14 ist als ein Vierpunkt-Lager ausgebildet, um erfindungsgemäß durch die Lagervorspannung eine Hysterese in der Einstellcharakteristik zu vermeiden. Der äußere Lager ring 20 ist drehfest im Lagergehäuse 12 angeordnet, das an seiner Unterseite mit einem Deckel 22 abgeschlossen ist, der seinerseits mit einem Bund 24 den äußeren Lagerring 20 im Lagergehäuse 12 festspannt. Die beiden inneren Lagerringe 26, 28 des Vierpunkt-Lagers sind erfindungsgemäß über Stützringe 30, 32 mittels einer Gewindemutter 34 am oberen Ende der Ver stellwelle 6 über deren Außengewinde 36 eingespannt.

Das Lagergehäuse 12 ist über einen Bolzen 38 mit einem Stell kolben 40, der in einem Stellzylinder 42 axial bewegbar ist, verbunden und abgestützt. Zur Abdichtung der Durchführung des Kolbens 38 in dem Stellzylinder 42 sind Dichtringe 44 vorge sehen, die als übliche O-Dichtringe ausgebildet sein können. Die Dichtringe 44 sind nur einem geringen Verschleiß ausge setzt, da nicht die normale Drehbewegung der Antriebswelle 2 oder der Verstellwelle 6, sondern nur die Verstellbewegung des Bolzens 38 beim Verstellen der Laufschaufeln als Relativbewe gung auftritt.

Zur Verstellung der mit der Antriebswelle 2 rotierbaren Ver stellwelle 6 wird in das ruhende System bzw. den Stellzylinder 42 in einfacher Weise das Steuermittel, und zwar Hydrauliköl, über Steuerkanäle 46, 48 zugeführt. Über ein doppelt umschalt bares Ventil 50 wird das von einer kleinen Hydraulikpumpe mit einem Druck in der Größenordnung von 30 bis etwa 50 bar zuge führte Steuermittel wahlweise auf eine der beiden Steuerkanäle 46, 48 gegeben, um so den Steuerkolben 40 und foglich die Verstellwelle 6 nach unten oder nach oben zu verstellen. Die in Fig. 1 etwa maßstäblich dargestellte Verstelleinrichrung ist für eine hydraulische Kraft von 2 t ausgelegt. Selbstver ständlich lassen sich bei entsprechender Dimensionierung auch erheblich größere Verstellkräfte realisieren. Bei äußerst kleinem Bauvolumen und mit geringem Materialaufwand ist eine extrem funktionssichere Verstelleinrichtung geschaffen. Wesentlich ist ferner, daß die vom Stellkolben bewirkte Ver stellkraft praktisch unmittelbar und ohne Zwischenschaltung von Hebegestängen, Übertragungsleitungen o.ä. auf die Ver stellwelle 6 einwirkt, wobei lediglich das Lager 14 zwischen geschaltet ist, das im Rahmen der Erfindung einerseits die axiale Abstützung und andererseits die Drehbarkeit der Ver stellwelle 6 im Lagergehäuse 12 gewährleistet.

Die oben erläuterte Verstelleinrichtung mit einem doppelt um schaltbaren Ventil gelangt insbesondere bei Propellerpumpen zum Einsatz, um die hydraulische Stellkraft in beiden Rich tungen aufzubringen. Beim Pumpenbetrieb verändern sich nämlich die von den Schaufeln auf die Verstellwelle wirkenden Kräfte sowohl nach Richtung und Größe. Bei einer Turbine hingegen wirkt aufgrund der hydraulischen Kräfte über die Verstellwelle ständig eine Längskraft nach oben. Statt des doppelt umschalt baren Ventils ist daher bei einer Turbine lediglich ein Mag netventil zu öffnen, um das Steuermittel von oben, also gemäß Fig. 1 durch den Steuerkanal 46 zuzuführen, um die Schaufel verstellung aufzufahren. Das aus der unteren Zylinderkammer durch den Steuerkanal 48 auströmende überflüssige Druckmittel gelangt zu einem Behälter, aus welchem die kleine Hydraulik pumpe das Druckmittel wieder fördert, um den Stellkolben nach unten in die Null-Lage zu verschieben. Die Pumpe wird folglich nur zum Zusteuern der Turbine benötigt, während aufgrund der ständig wirkenden hydraulischen Kräfte das System selbstätig zu größerem Schaufelwinkel gefahren werden kann.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher das Lager 14 in den Steuerkolben 40 integriert ist. Das axial verstellbare Lagergehäuse 12 enthält einen zylindrischen Ansatz, durch welchen die Verstellwelle 6 durchgeführt ist. Die Laterne 10 weist den Schlitz 16 für den Hebel 18 des Lagergehäuses 12 auf und mittels der Dichtringe 44 erfolgt die Abdichtung des Innenraumes vom Stellzylinder 42 an dem genannten Ansatz 56 vom Lagergehäuse 12. Der Stellzylinder 42 ist oben mit dem Deckel 48 und unten mit dem Boden 49 abgeschlossen, wobei letzterer die genannten Dichtringe 44 aufnimmt. Im Deckel 48 bzw. Boden 49 befinden sich die Steuerkanäle 46 bzw. 47 sowie die Ausgleichskanäle 52 bzw. 54, wodurch eine äußerst einfache und gleichwohl funktionssichere Bauweise gewährleistet wird. Auch bei dieser Ausführungsform wird mit wenigen Bauteilen und geringem Bauvolumen eine einfache Fertigung ermöglicht, wobei eventuelle Wartungs- oder Revisionsarbeiten mit geringem Auf wand zu erledigen sind. Durch die Integration des Lagers 14 in den Steuerkolben 40 kann die axiale Baulänge der Verstellein richtung äußerst kurz gehalten werden.

In den beiden oben erläuterten Ausführungsformen ist die Ver stellwelle 6 als eine axial bewegbare Verstellstange im Inneren der als Hohlwelle ausgebildeten Antriebswelle 2 ange ordnet. Im Rahmen dieser Erfindung kann alternativ die Ver stellwelle als Hohlwelle oder Verstellhülse ausgebildet sein, innerhalb welcher die Antriebswelle angeordnet ist. Bei den oben erläuterten Ausführungsformen befindet sich unterhalb des dargestellten Teiles vom Maschinengehäuse eine Lageranordnung für die Antriebswelle. Ist bei der alternativen Ausführungs form die Verstellwelle als Hohlwelle ausgebildet, so kann deren erfindungsgemäß vorgesehenes Lager unterhalb der Lager anordnung für die Antriebswelle angeordnet werden. Hierdurch kann die besagte Lageranordnung der Antriebswelle einen redu zierten Durchmesser aufweisen, was vorteilhaft im Hinblick auf Lagerbelastung und Kostenaufwand ist. Stellkolben und Stell zylinder sind bei dieser Ausführungsform ringförmig um die Verstellwelle angeordnet.

Bezugszeichenliste: 2 Maschinenwelle
4 Drehachse
6 Verstellwelle
8 Maschinengehäuse
10 Laterne
12 Lagergehäuse
14 Lager
16 Schlitz
18 Hebel
20 äußerer Lagerring
22 Deckel zu 12
24 Bund
26, 28 innerer Lagerring
30, 32 Stützring
34 Gewindemutter
36 Außengewinde von 6
38 Bolzen
40 Stellkolben
42 Stellzylinder
44 Dichtung
46, 47 Steuerkanal
48 Deckel
49 Boden
50 Ventil
52, 54 Ausgleichskanal
56 Ansatz

Claims

1. Verstelleinrichtung für verstellbare Laufschaufeln, insbe sondere einer Wasserturbine oder einer Propellerpumpe, mit einer Maschinenwelle und mit einer Verstellwelle, über welche mittels eines hydraulischen Stellkolbens die in einer Nabe drehbar angeordneten Laufschaufeln verstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Maschinenwelle (2) drehbare und axial zu dieser bewegbare Verstellwelle (6) mittels eines Lagers (14) bezüglich des Stellkolbens (40) drehbar abgestützt ist und daß der den Stellkolben (40) aufnehmende Stellzylinder (42) stationär auf dem Maschinengehäuse (8) angeordnet ist.

2. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Lager (14) in einem axial bewegbaren Lagergehäuse (12) angeordnet ist, welches mit dem Stellkolben (40) verbun den ist, und/oder daß das Lager (14) koaxial zur Verstellwelle (6) an deren Ende angeordnet ist.

3. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der stationäre Stellzylinder (42) in einem Boden (49) einen Dichtring (44) enthält, welcher an der Außenfläche eines mit dem Lagergehäuse (12) verbundenen Bolzens (38) oder Ansatzes (56) anliegt.

4. Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß das Lager (14) gegeneinander ver spannbare Lagerringe (26, 28) aufweist und/oder als ein Vierpunkt-Lager ausgebildet ist.

5. Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß der eine Lagerring (26) auf einem Wellenbund der Verstellwelle (6) abgestützt ist und der andere Lagerring (28) bevorzugt mittels einer Gewindemutter (34), die in ein Außengewinde (36) der Verstellwelle (6) eingeschraubt ist, abgestützt und gegenüber dem erstgenannten Lagerring (26) verspannt ist.

6. Verstelleinrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das axial bewegbare Lagergehäuse (12) mit einem Hebel (18) oder dergleichen bezüg lich des Maschinengehäuses und/oder des Stellzylinders (42) gegen Drehung gesichert ist und/oder axial geführt ist.

7. Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß das Lagergehäuse (12), das bevorzugt mit einem Deckel (22) oder dem Stellkolben (40) geschlossen ist, innerhalb einer Laterne (10) angeordnet ist, über welche der Stellzylinder (42) mit dem Maschinengehäuse (8) verbunden ist.

8. Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß die Laterne (10) einen Schlitz (16) aufweist, in welchen der mit dem Lagergehäuse (12) verbundene Hebel (18) eingreift, wobei der Hebel (18) zur Drehsicherung und/oder zur Stellungsanzeige dient.

9. Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß der Stellzylinder (42) einen Deckel (48) und/oder einen Boden (49) aufweist, in welchen die Steuerkanäle (46, 47) und/oder Ausgleichskanäle (52, 54) ange ordnet sind.

10. Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager (14) über einen Bolzen (38) mit dem Stellkolben (40) verbunden ist oder innerhalb des Stellkolbens (40) angeordnet und in diesen integriert ist.