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