DE3620879C1 - Verstelleinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung gemäß dem im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Aus der DE-PS 8 97 904 ist eine derartige Verstelleinrichtung bekannt, deren Getriebe an der Nabe angeordnet ist. Die Nabe ist am Ende der massiv ausgebildeten Maschinenwelle angeordnet und das Getriebe sowie die beiden Bremseinrichtungen befinden sich auf der der Maschinenwelle abgewandten Seite der Nabe. Es müssen zusätzliche Maßnahmen getroffen werden, damit das Ge­ triebe und die Bremseinrichtungen vor dem im Bereich der Nabe vorbeiströmenden Medium geschützt werden. Hierdurch ergeben sich Probleme hinsichtlich Montage und Wartung, zumal bei Pumpen oder Turbinen der Strömungskanal und der Bereich der Nabe nicht ohne weiteres zugänglich sind. Das Getriebe ist als Differentialgetriebe ausgebildet und enthält ein Kegelrad, das mit den Zahnrädern, die mit der Maschinenwelle bzw. der Ver­ stellwelle verbunden sind, in Eingriff steht. Mit diesem Kegelrad ist eine zur Maschinenwelle orthogonal angeordnete Welle verbunden, über welche bei Betätigung einer der Brems­ einrichtungen die Relativdrehung über weitere Zahnräder zur Verstellung der Laufschaufeln bewirkt wird. Aufgrund der An­ ordnung der genannten Welle und des Getriebes auf der der Maschinenwelle abgewandten Seite der Nabe kann diese Verstell­ einrichtung nicht ohne weiteres für Maschinen vorgesehen wer­ den, bei welchen die Nabe an dem einen Ende einer Maschinen­ welle und das Verstellgetriebe am anderen Ende der Maschinen­ welle angeordnet sind. Ferner können durch Reibungseinflüsse und hierdurch bedingte Abbremsungen Relativdrehungen ent­ stehen, die zu unerwünschten Verstellungen der Laufschaufeln führen können.

Aus der DE-OS 34 26 967 ist eine Verstelleinrichtung für Lauf­ schaufeln bekannt, wobei an dem einen Ende der Maschinenwelle die Nabe mit den Laufschaufeln und am anderen Ende der Maschi­ nenwelle das Getriebe angeordnet ist. Die Maschinenwelle ist als eine Hohlwelle ausgebildet, durch welche die Verstellwelle von dem Getriebe bis zur Nabe durchgeführt ist. Mit der Ma­ schinenwelle und der Verstellwelle ist jeweils ein Zahnrad drehfest verbunden und das Getriebe ist als ein Planetenge­ triebe ausgebildet, dessen Antriebswelle von einem elektri­ schen Antriebsmotor wahlweise in der einen oder anderen Rich­ tung zum Verstellen der Laufschaufeln gedreht werden kann. Für den elektrischen Antriebsmotor und dessen Ankopplung an das Getriebe sowie die Zahnräder ist ein entsprechender Aufwand erforderlich und zum Verstellen muß zusätzlich Energie zuge­ führt werden. Bei Turbinen besteht die Forderung, bei Lastab­ wurf die Laufschaufeln schnell in die Segelstellung zu fahren, um ein unzulässiges Durchgehen der Turbine zu unterbinden. Damit diese Forderung erfüllt werden konnte, waren relativ große elektrische Antriebsmotore bisher erforderlich. Da das Getriebe am anderen Ende der Maschinenwelle als die Nabe ange­ ordnet ist, weist die Verstellwelle ein relativ großes Träg­ heitsmoment auf. Um eine hinreichend schnelle Verstellung der Schaufeln zu ermöglichen, muß daher ein starker Antriebsmotor vorgesehen werden. Es müssen zusätzliche Maßnahmen getroffen werden, um Beschädigungen bei hohen Verstellmomenten zu ver­ meiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verstelleinrich­ tung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzubilden, daß unzulässige Verstellungen ebenso wie zu große Beanspruchungen der einzelnen Bauteile mit geringem Aufwand vermieden werden, wobei eine gute Zugänglichkeit im Hinblick auf eine einfache Montage und Wartung gegeben sein soll.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Die vorgeschlagene Verstelleinrichtung zeichnet sich bei ein­ facher Konstruktion durch eine hohe Funktionssicherheit aus. Mittels der Kupplung wird das übertragbare Drehmoment zuver­ lässig begrenzt, wobei durch entsprechende Vorgabe des Über­ setzungsverhältnisses des Getriebes gleichwohl eine schnelle Verstellung erfolgen kann. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf das relativ große Trägheitsmoment der Verstellwelle, wel­ che durch die Maschinenwelle hindurchgeführt ist oder diese koaxial umgibt. Die weitere Bremse gewährleistet den syn­ chronen Lauf von Maschinenwelle und Verstellwelle, so daß eine unzulässige Verstellung aufgrund von Reibungseinflüssen oder von Schaufelkräften funktionssicher vermieden wird. Eine Ver­ stellung der Laufschaufeln erfolgt nur bei Betätigung der ersten oder zweiten Bremseinrichtung, und zwar in einfacher Weise über Elektromagnete, die im Normalbetrieb von Strom durchflossen werden. Bei Betätigung schließen die durch Feder­ kraft vorgespannten Bremseinrichtungen und durch die im rotierenden System vorhandene Energie erfolgt die Verstellung der Laufschaufeln, die im Störfalle zuverlässig in die Segel­ stellung gefahren werden können.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher er­ läutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Ausführungsform mit einem Planetengetriebe, mit zwei Bremseinrichtungen, um wahlweise die Verstell­ welle oder den Planetenträger abzubremsen,

Fig. 2 schematisch eine Ausführungsform, bei welcher die Verstellwelle innerhalb der als Hohlwelle ausgebil­ deten Maschinenwelle angeordnet ist,

Fig. 3 schematisch eine Ausführungsform, bei welcher das Getriebe zwei mittels den Bremseinrichtungen wahl­ weise festsetzbare Hohlräder aufweist,

Fig. 4 eine Ausführungsform, bei welcher das Getriebe zwei Hohlräder aufweist, die im Normalbetrieb festgesetzt sind und wahlweise mittels den Bremseinrichtungen mit dem Planetenträger verbindbar sind.

Fig. 1 zeigt eine Maschinenwelle 2 und eine zu dieser koaxiale Verstellwelle 4, die als eine Hohlwelle ausgebildet ist und ebenfalls um eine Drehachse 8 drehbar ist. In einem stationär angeordneten Gehäuse 10 befindet sich eine erste Bremseinrich­ tung 12, welche über ein Hebelgestänge 14 Bremsbacken 16 be­ tätigen kann, die an einen mit der Verstellwelle 4 verbundenen Ring 18 angreifen können. Einem nachfolgend noch zu erläutern­ den Planetenträger 20 ist die zweite Bremseinrichtung 22 zuge­ ordnet, um über ein Hebelgestänge 24 Bremsbacken 26 zu betäti­ gen, die an einer mit dem Planetenträger 20 verbundenen Hülse 28 angreifen können. Die Bremsbacken 16 bzw. 26 sind an einem Bolzen 30 des Gehäuses 10 angelenkt.

Mit der Maschinenwelle 4 ist über eine Kupplung 32 ein erstes Zahnrad 34 gekoppelt, welches mit wenigstens einem im Pla­ netenträger 20 drehbar angeordneten ersten Planetenrad 36 in Eingriff steht. Mittels der Kupplung 32 ist das maximal von der Maschinenwelle 2 auf das Getriebe 38 und somit auf die Verstellwelle 4 übertragbare Drehmoment begrenzbar, so daß Beschädigungen zuverlässig ausgeschlossen werden können. Eine weitere Bremse 40 zwischen dem Planetenträger 20 und dem er­ sten Zahnrad 34 stellt im Normalbetrieb, also solange keine Verstellung vorgenommen werden soll, den synchronen Lauf des Planetenträgers 20 mit dem ersten Zahn­ rad 34 bzw. der Maschinenwelle 2 sicher.

Mit der Verstellwelle 4 ist ein zweites Zahnrad 44 drehfest verbunden, wobei über ein Nadellager 42 die Lagerung auf der Maschinenwelle 2 erfolgt. Das zweite Zahnrad 44 kämmt mit wenigstens einem zweiten Planetenrad 46. Die beiden Planetenräder 36, 46 sind drehfest miteinander gekoppelt und um die Achse 47 drehbar. Bei dieser Ausführungsform dient zur Kopplung der beiden Planetenräder 36, 46 ein Bolzen 48, der jeweils in eine Sackbohrung 50, 52 der genannten Planeten­ räder eingreift. Über den Umfang gleichmäßig verteilt sind bevorzugt drei Paare von Planetenrädern 36, 46 angeordnet.

Solange die beiden Bremseinrichtungen 12, 22 sich in der dar­ gestellten gelösten Position befinden, rotieren der Planeten­ träger 20 sowie die Verstellwelle 4 synchron mit der Maschi­ nenwelle 2. Die beiden Bremseinrichtungen 12, 22 enthalten zweckmäßig Elektromagnete, die im Normalbetrieb von Strom durchflossen werden. Wird die Bremseinrichtung 12 betätigt, so gelangen die Bremsbacken 16 in Anlage an den Ring 18, wodurch die Verstellwelle 4 abgebremst wird. Aufgrund der hierdurch eingeleiteten Relativbewegung zwischen Verstellwelle 4 zur Maschinenwelle 2 erfolgt eine Verstellung der hier nicht wei­ ter dargestellten Laufschaufeln, und zwar beispielsweise im Sinne einer Vergrößerung des Anströmwinkels. Werden hingegen die Bremsbacken 16 der zweiten Bremseinrichtung 22 zur Anlage an die Hülse 28 gebracht, so wird der Planetenträger abge­ bremst. Das von den beiden Bremseinrichtungen 12, 22 aufbringbare Brems­ moment ist größer dimensioniert als das Bremsmoment der weite­ ren Bremse 40, die den Synchronlauf garantiert. Vom ersten Zahnrad 34 wird dann über die beiden Planetenräder 36, 46 das zweite Sonnenrad 44 angetrieben, so daß die Verstellwelle 4 mit einer gegenüber der Drehzahl der Maschinenwelle 2 er­ höhten Drehzahl rotiert und der Anströmwinkel verkleinert wird.

Zur Stellungsanzeige dient eine Gewindehülse 54, welche in ein Außengewinde 56 der Maschinenwelle 2 eingreift. Die Gewinde­ hülse 54 weist außen eine achsparallele Längsnut 58 auf, in welche ein mit dem Planetenträger 20 verbundenes Führungsteil 60 eingreift. Bei einer Relativbewegung von Maschinenwelle 2 und Planetenträger 20 wird entsprechend der Drehrichtung die Gewindehülse 54 nach oben oder unten bewegt. Die axiale Stel­ lung der Gewindehülse 54 ist folglich ein Maß für die momen­ tane Schaufelstellung.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Ausführungsform, bei welcher die Maschinenwelle 2 als eine Hohlwelle ausgebildet ist, durch welche die Verstellwelle 4 hindurchgeführt ist. Am unteren Ende der Maschinenwelle 2 ist die Nabe 62 mit den Laufschau­ feln 64 angedeutet, wobei zweckmäßig ein selbsthemmendes Ver­ stellgetriebe 66 vorgesehen ist. Die an den Laufschaufeln 64 angreifenden Hydraulikkräfte werden folglich von dem Verstell­ getriebe 66 aufgenommen, so daß praktisch nur ein ge­ ringes Differenzmoment zwischen Maschinenwelle 2 und Verstell­ welle 4 auftritt, das ansonsten zu einer unerwünschten Drehbe­ wegung zwischen diesen führen könnte. Die zum Synchronlauf zwischen Maschinenwelle 2 und dem Planetenträger 20 vorgesehe­ ne weitere Bremse 40 wird aufgrund des selbst­ sperrenden Verstellgetriebes 66 im Normalbetrieb praktisch nicht belastet. Über das Zahnrad 68 erfolgt, falls es sich beispielsweise um eine Turbine handelt, der Abtrieb; handelt es sich hingegen um eine Propellerpumpe, so wird über das Zahnrad 68 das Antriebsmoment auf die Maschinenwelle 2 einge­ leitet. Über die hier schematisch angedeutete erste Bremsein­ richtung 12 kann die Verstellwelle 4 abgebremst werden, während die zweite Bremseinrichtung 22 wiederum auf den Pla­ netenträger 20 wirkt. Die das übertragbare Drehmoment begren­ zende Kupplung 32 ist bei dieser Ausführungsform zwischen der Verstellwelle 4 und dem zweiten Zahnrad 44 angeordnet, wel­ ches mit dem Planetenrad 46 kämmt. Das Planetenrad 46 ist wiederum drehfest mit dem ersten Planetenrad 36 verbunden, das einen kleineren Durchmesser bzw. eine kleinere Zähnezahl aufweist als das zweite Planetenrad 46. Die beiden Planetenräder 36, 46 sind auch bei dieser Aus­ führungsform drehfest miteinander gekoppelt, wobei das dem ersten Planetenrad 36 zugeordnete erste Zahnrad 34 mit der Maschinenwelle 2 drehfest verbunden ist. Die Gewindehülse 54 dient zur Stellungsanzeige.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher das Getriebe 38 zwei Hohlräder 70, 72 aufweist, welche mit dem ersten bzw. zweiten Planetenrad 36, 46 in Eingriff stehen. Der Planetenträ­ ger 20 ist drehbar bezüglich der Verstellwelle 4, die wiederum im Inneren der als Hohlwelle ausgebildeten Maschinenwelle 2 angeordnet ist. Das erste Zahnrad 34 steht über die das Drehmoment begrenzende Kupplung 32 mit der Maschinenwelle 2 in Verbindung. Die Bremseinrichtungen 12, 22 sind als Scheiben­ bremsen ausgebildet und sind den Hohlrädern 72 bzw. 70 zugeordnet. Die erste Bremseinrichtung 12 kann das Hohlrad 72 abbremsen, während mittels der zweiten Bremsein­ richtung 22 das andere Hohlrad 70 abgebremst werden kann. Zwischen dem Planetenträger 20 und den beiden Hohlrädern 70, 72 ist je eine weitere Bremse 40, 41 vorgesehen, um im Normalbetrieb den Synchronlauf von Planeten­ träger 20 und den beiden Hohlrädern 70, 72 und folglich auch der Maschinenwelle 2 und der Verstellwelle 4 zu gewährleisten. Soll die Verstellung aufgesteuert werden, so wird mittels der ersten Bremse 12 das obere Hohlrad 72 abgebremst, wobei das Bremsmoment größer sein muß als das Haltemoment der Bremse 41 und das Verstellmoment. Es tritt somit eine Verlangsamung des oberen Hohlrades 72 bezüglich des weiterlaufenden unteren Hohlrades 70 ein, wodurch eine Relativbewegung der Zahnräder 44 und 34 verursacht wird, um die Verstellung durchzuführen. Entsprechend wird beim Zufahren der Verstellung das untere Hohlrad 70 gebremst, wodurch eine Relativbewegung zum unver­ ändert weiterdrehenden oberen Hohlrad 72 eintritt. Die Rela­ tivdrehung erfolgt hierbei in der entgegengesetzten Richtung als beim Bremsen mit der ersten Bremseinrichtung 12, so daß folglich auch eine entgegengesetzte Verstellbewegung erfolgen kann.

Schließlich zeigt Fig. 4 eine Ausführungsform, bei welcher im Normalbetrieb die beiden Hohlräder 70, 72 mittels der weiteren Bremsen 40, 41 bezüglich des Gehäuses 10 festgebremst werden. Soll die Verstellung aufgefahren werden, so wird das untere Hohlrad 70 freigegeben und gleichzeitig mittels der Bremseinrichtung 22 an den Planetenträger 20 ge­ koppelt. Der Relativdrehung der beiden Räder 70, 72 wird über die Planetenräder 36, 46 auf die Zahnräder 34, 44 übertragen. Ent­ sprechend wird zum Zufahren der Verstellung das obere Hohlrad 72 mittels der weiteren Bremse 41 freigegeben und über die Bremseinrichtung 12 mit dem Planetenträger 20 gekoppelt, so daß die beiden Hohlräder 70, 72 wiederum eine Relativdrehung zu­ einander ausführen, die jedoch der eingangs erläuterten Rela­ tivdrehung entgegengerichtet ist und die umgekehrte Verstell­ bewegung ermöglicht.

Claims (5)

1. Verstelleinrichtung für verstellbare Laufschaufeln (64), insbesondere einer Propellerpumpe oder Turbine, mit einer Maschinenwelle (2), welche eine Nabe (62) mit den Laufschaufeln (64) aufweist und welcher ein erstes Zahnrad (34) zugeordnet ist, mit einer Verstellwelle (4), welche ein zweites Zahnrad (44) aufweist und welche koaxial zur Maschinenwelle (2) ange­ ordnet ist, mit einem Getriebe (38), über welches zwischen die Verstell- und die Maschinenwelle eine Relativdrehung einleitbar ist, mit einer ersten Bremseinrichtung (12), um die Verstell­ welle (4) bezüglich der rotierenden Maschinenwelle (2) abzubrem­ sen und die Laufschaufeln (64) in einer ersten Richtung zu ver­ stellen, und mit einer zweiten Bremseinrichtung (22), um über das Getriebe (38) eine Verstellung der Laufschaufeln (64) in die entgegengesetzte zweite Richtung zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kupplung (32) vorgesehen ist, mittels welcher das erste Zahnrad (34) mit der Maschinenwelle (2) oder das zweite Zahnrad (44) mit der Verstellwelle (4) dreh­ fest verbunden ist und welche das übertragbare Drehmoment be­ grenzt, und daß zwischen einem Planetenträger (20) des Getriebes (38) und dem mit der Maschinenwelle (2) verbundenen Zahnrad (34) eine weitere Bremse (40, 41) vorgesehen ist, mittels welcher der synchrone Lauf der Verstellwelle (4) und des Planetenträgers (20) mit der Maschinenwelle (2) im Normalbetrieb erfolgt, so­ lange keine Verstellung der Laufschaufeln (64) erfolgen soll, wobei bei Betätigung der zweiten Bremse (22) das Bremsmoment der weiteren Bremse (40, 41) überwunden wird.

2. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1 wird dadurch gekennzeich­ net, daß das erste und das zweite Zahnrad (34, 44) als zur Maschinenwelle (2) koaxiale Sonnenräder ausgebildet sind, welchen jeweils wenigstens ein im Planetenträger (20) drehbar angeordnetes Planetenrad (36, 46) zugeordnet ist.

3. Verstelleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Planetenräder (36, 46), bevorzugt über einen Bolzen (48), drehfest miteinander gekoppelt sind und/oder im Planeten­ träger (20) gemeinsam um eine Achse (47) drehen.

4. Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Planetenträger (20) eine zylindrische Hülse (28) aufweist, an welcher Bremsbacken (26) oder der­ gleichen der zweiten Bremseinrichtung (22) angreifen.

5. Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Planetenräder (36, 46) je mit einem Hohlrad (70, 72) kämmen, wobei wahlweise eines der Hohlräder (70, 72) mit einer der Bremseinrichtungen (22, 12) festsetzbar oder freigebbar ist.