DE3921570C2 - Verstelleinrichtung für verstellbare Laufradflügel einer Wasserturbine, insbesondere einer Kaplanturbine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verstelleinrichtung für die in einem Turbinenlaufrad gelagerten, mit einem Verstellgetriebe gekoppelten Laufradflügel einer Wasserturbine, insbesondere einer Kaplanturbine, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Verstelleinrichtung dieser Art ist bekannt aus der DE-AS 11 01 154. Bei dieser bekannten Einrichtung wird eine Verschiebung der Verstellspindel für die Verstellung der Pumpenflügel durch ein Differentialgewindetrieb erreicht. Die Anordnung ist dabei so vorgesehen, daß der Verstellmotor an dem Pumpenmotor angeflanscht ist und sich somit mit dessen Drehzahl insgesamt dreht. Dazu sind natürlich Schleifringe am Pumpenmotor oder an einer anderen Stelle nötig, die wartungsintensiv sind und somit einen erheblichen Nachteil bieten. Bei einer Ausführungsform des Standes der Technik (Fig. 2) ist vorgesehen, daß eine axial festgelegte Verstellmutter letztlich die Verstellung der Verstellspindel relativ zur Pumpenwelle ermöglicht.

Andere Verstelleinrichtungen sind bekannt z. B. aus der DE-OS 38 28 042 sowie der DE-OS 36 19 406. Bei allen diesen Einrichtungen ist eine Ölhydraulik zur Verstellung der Laufradflügel vorgesehen, welche natürlich den Nachteil hat, daß bei einem Unfall Öl in das umgebende Gewässer überlaufen kann.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine rein mechanisch wirkende Verstelleinrichtung für die Laufradflügel einer Wasserturbine zu realisieren, d. h. insbesondere ohne Verwendung von Druck- oder Steueröl.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Ferner hat diese Einrichtung gegenüber dem eingangs zuerst beschriebenen Stand der Technik den Vorteil, daß die wartungsanfälligen Schleifringe vermieden werden bzw. anders ausgedrückt, daß die für die Verstellung der erforderlichen Energie berührungslos und verschleißfrei zugeführt werden kann.

Weiterbildungen und besondere Ausgestaltungen der Ver­ stelleinrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Einzelheiten der Verstelleinrichtung werden im folgenden anhand eines zeichnerisch dargestellten Aus­ führungsbeispiels näher erläutert.

In der Zeichnung ist eine Kaplanturbine 10 mit einer Nabe 11 dargestellt, deren Laufradflügel 12 in an sich bekannter - und noch zu beschreibender - Weise ver­ stellbar gelagert sind. Von der Nabe 11 geht eine - im allgemeinen zweigeteilte - Turbinenwelle 13 aus, die eine koaxiale Längsbohrung 14 aufweist. In diese Längsbohrung 14 ist eine Steuerstange 15 eingeführt, die in der Nabe 11 starr mit einer Verstellspindel 16 verbunden ist, die ihrerseits mit dem Verstell­ getriebe für die Laufradflügel 12 in Wechselwirkung steht. Das von der Nabe 11 abgewandte Ende der Steuer­ stange 15 steht über die freie Stirnseite der Turbinen­ welle 13 über und ist hier mit einem Elektromotor 17 gekoppelt, der die koaxial zur Turbinenwelle 13 liegende Linearverschiebung (Pfeil X) der Steuerstange 15 initiiert.

Die Kaplanturbine 10 dient der Gewinnung elektrischer Energie. Die in Radial- und Axiallagern 19, 20 geführte Turbinenwelle 13 steht daher über ein Kegelradgetriebe 21 mit einem Generator 22 in Verbindung. Dabei durch­ dringt die Turbinenwelle 13 ein Gehäuse 23 für das genannte Kegelradgetriebe 21.

Die soweit beschriebene Kaplanturbine 10 ist - abgesehen von der erfindungsgemäßen Anordnung eines Elektromotors 17 zur Axialverschiebung der Steuerstange 15 und der angekoppelten Verstellspindel 16 - Stand der Technik.

Das genannte Verstellgetriebe ist so realisiert, daß die Laufradflügel 12 mittels Hebeln 30 und Lenkern 31 mit einem Regelkreuz 32 verbunden sind, das innerhalb der Nabe 11 in einer Führungsnut 33 axial verstellbar geführt und gegen Verdrehen gesichert ist. Das Regel­ kreuz 32 seinerseits ist über als Wälz- oder Gleitlager ausgebildete Axial-Lager 34, 35 mit der Verstellspindel 16 verbunden. Die zur Laufradflügelverstellung (ver­ gleiche Pfeil Y) erforderliche Axialbewegung der Ver­ stellspindel 16 relativ zur Nabe 11 wird dann über eine Spindelmutter 36 beziehungsweise 37 vermittelt, die fest in der Nabe 11, in der Turbinenwelle 13 oder in einem anderen mit der Drehzahl der Turbinenwelle 13 umlaufenden Teil integriert ist. Bei der genannten Spindelmutter 36 beziehungsweise 37 kann es sich auch um eine bekannte Kugelumlaufspindel handeln.

Die Verstellspindel 16 dreht sich - solange keine Lauf­ radflügelverstellung durchgeführt wird - mit der Dreh­ zahl der Turbinenwelle 13. Wie erwähnt ist die Ver­ stellspindel 16 fest mit der Steuerstange 15 verbunden, die konzentrisch in der Turbinenwelle 13 geführt ist und an den der Nabe 11 gegenüberliegenden Ende des Wellenstrangs übersteht. Auf dem freien Ende dieser Steuerstange 15 ist in Form des bereits genannten Elektromotors 17 eine Vorrichtung angeordnet, mit der die Relativverschiebung zwischen der Verstellspindel 16 und der Nabe 11 erzeugt werden kann, die dann je nach Richtung zum öffnen oder Schließen der Turbine 10 führt. Dies ist durch eine drehmomentübertragende Verbindung des Rotors 17.1 des Elektromotors 17 mit der Steuerstange 15 verifiziert; der Stator 17.2 des Elektromotors 17 ist dabei räumlich fixiert, zum Bei­ spiel am Gehäuse 23 fest angeschraubt.

Über eine geeignete Ansteuerung, zum Beispiel über eine - nicht gezeichnete - Frequenzsteuerung kann der Elektromotor 17 mit unterschiedlichen Drehzahlen ange­ trieben werden, so daß die für die Laufradflügelver­ stellung erforderliche Relativbewegung zwischen der Steuerstange 15 mit der Verstellspindel 16 und der Nabe 11 erzeugt wird.

Im stationären Betrieb kann die Verstellspindel 16 entweder vom Elektromotor 17 mit der Drehzahl der Tur­ binenwelle 13 angetrieben werden; es ist jedoch auch denkbar, über eine Selbsthemmung im Verstellgetriebe die genannte Relativbewegung zu unterbinden.

Die jeweils aktuelle Stellung der Steuerstange 15 relativ zur Turbine als Maschineneinheit kann mit einem berührungsfreien (zum Beispiel kapazitiven) oder einem mechanischen Stellungsanzeiger 40 meßtechnisch erfaßt und als Rückkopplungssignal für den Turbinenregler verwendet werden.

Claims (6)

1. Verstelleinrichtung für die in einem Turbinenlaufrad gelagerten, mit einem Verstellgetriebe gekoppelten Laufradflügel einer Wasserturbine, insbesondere einer Kaplanturbine, zum Antrieb eines Generators mittels einer Turbinenwelle (11), in die koaxial eine relativ zu ihr linear verschiebbare Steuerstange (15) eingeführt ist, die einerseits über die freie Stirnseite der Turbinenwelle (11) übersteht und die andererseits so mit den Laufradflügeln verbunden ist, daß die lineare Verschiebung zwischen der Steuerstange (15) und der Turbinenwelle (11) eine Verdrehung der Laufradflügel (12) bewirkt, wobei die Steuerstange (15) zum Zwecke der Linearverschiebung in der Turbinenwelle (13) an ihrem über deren freie Stirnseite überstehenden Ende mit dem Rotor (17.1) eines zur Verstellung der Steuerstange (15) vorgesehenen Elektromotors (17) drehmomentübertragend verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (17.1) im Stator (17.2) des Elektromotors (17) verschiebbar gehalten ist, der Stator (17.2) ortsfest angeordnet ist und eine die Linearverschiebung der Steuerstange (15) letztlich bewirkende an der Turbinenwelle (13) oder der Nabe (11) festgelegte Spindelmutter (36 oder 37) oder eine Kugelumlaufspindel als Steuerstange vorgesehen oder mit der Steuerstange (15) starr gekoppelt ist, wobei die Spindelmutter (36 oder 37) mit einer mit der Steuerstange (15) fest verbundenen Verstellspindel (16) zusammenwirkt.

2. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Elektromotor 17 eine Frequenzsteuerung zugeordnet ist, so daß die Steuerstange 15 zur Verstellung der Laufradflügel mit relativ zur Turbinenwelle 13 unterschiedlichen Dreh­ zahlen antreibbar ist.

3. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstange 15 starr mit einer Verstell­ spindel 16 verbunden ist, die ihrerseits über das Verstellgetriebe mit den Laufradflügeln 12 gekoppelt ist und in Abhängigkeit von der Linearverschiebung zwischen der Steuerstange 15 und der Turbinenwelle 13 die Laufradflügel 12 verdreht.

4. Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anzeige der aktuellen Position der Steuer­ stange 15 relativ zur Turbinenwelle 13 ein Ver­ stellungsanzeiger 40 vorgesehen ist.

5. Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor 17 so mit der Steuerstange 15 gekoppelt ist, daß er im stationären Betrieb die Steuerstange 15 mit einer der aktuellen Drehzahl der Turbinenwelle 13 entsprechenden Drehzahl antreibt.

6. Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Verstellgetriebe eine Selbsthemmung vorge­ sehen ist, die im stätionären Betrieb eine Relativ­ bewegung zwischen der Steuerstange 15 und der Turbinenwelle 13 verhindert.