DE4229430A1 - Rotor blade adjusting mechanism - has adjusting rod, extending through rotor shaft and coupled positively to blades. - Google Patents
Rotor blade adjusting mechanism - has adjusting rod, extending through rotor shaft and coupled positively to blades.Info
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verstellung der Schaufeln von Rotoren.The invention relates to a device for adjustment the blades of rotors.
Verstellbare Schaufeln werden z. B. bei Laufrädern von Turbinen, wie Gas- oder Wasserturbinen, etwa Kaplan-Turbinen, bei Schiffs- und Flugzeugpropellern, bei Verdichtern in Klimaanlagen etc. verwendet. Über die Verstellung der Schaufeln kann der durch den Rotor und die Schaufeln transportierte Volumenstrom einer Flüssigkeit oder eines Gases bzw. die dadurch erzeugte Kraft beeinflußt werden. So wird z. B. die Regelung einer Kaplan- Turbine auf verschiedene Durchflußwassermengen meist als Doppelregulierung durchgeführt, wobei die Leitschaufeln am Stator und die Laufradschaufeln gleichzeitig nach einer bestimmten Gesetzmäßigkeit verstellt werden. Dadurch ergibt sich ein optimaler Wirkungsgrad auch bei Teillast.Adjustable blades are e.g. B. in turbine impellers, such as gas or water turbines, such as Kaplan turbines, in ship and aircraft propellers, for compressors in air conditioning systems etc. used. The blade can be adjusted by the The rotor and the blades transported a volume flow Liquid or a gas or the force generated by it to be influenced. So z. B. the regulation of a chaplain Turbine to different flow water volumes mostly as Double regulation carried out, the guide vanes on Stator and the impeller blades simultaneously after one certain law. This results in optimal efficiency even at partial load.
Die Verstellung der Schaufeln bei den erwähnten Rotoren erfolgt häufig hydraulisch, beispielsweise durch Hydraulikzylinder, die am Rotor oder an der Antriebswelle des Rotors angeordnet sind. Zur Versorgung dieser Hydraulikzylinder sind Hydraulikleitungen erforderlich, die Drehdurchführungen zur Antriebswelle aufweisen. Diese Drehdurchführungen erfordern einen relativ großen Wartungsaufwand, da u. a. aus Umweltschutzgründen ein Austritt von Hydrauliköl verhindert werden muß. Außerdem unterliegen sie einem verhältnismäßig hohen Verschleiß.The blades in the aforementioned rotors are adjusted often hydraulically, for example by hydraulic cylinders are arranged on the rotor or on the drive shaft of the rotor. Hydraulic lines are used to supply these hydraulic cylinders required, the rotary unions to the drive shaft exhibit. These unions require a relative great maintenance, because u. a. for environmental reasons Leakage of hydraulic oil must be prevented. Furthermore they are subject to relatively high wear.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Verstellung der Schaufeln von Rotoren bereitzustellen, die wartungsarm und dennoch umweltfreundlich ist. The object of the invention is a device for adjustment to provide the blades of rotors that are low maintenance and is still environmentally friendly.
Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten Vorrichtung erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wiedergegeben.According to the invention, this is characterized by that in claim 1 Device reached. In the subclaims are advantageous Embodiments of the device according to the invention reproduced.
Das in seiner axialen Länge temperaturabhängig veränderbare Stellglied ist z. B. ein Balgenstellglied mit einer Konfiguration etwa entsprechend bekannten Druckdosen. Das Stellglied wird vorzugsweise durch zwei konzentrisch angeordnete Metallbälge gebildet, wobei der Raum zwischen den beiden Bälgen mit einem Fluid, insbesondere einer Flüssigkeit gefüllt ist. Dazu werden vorzugsweise Flüssigkeiten mit einem möglichst hohen kubischen Wärmeausdehnungskoeffizienten von mehr als 1 × 10-3 grad-1 verwendet. Diese Flüssigkeiten können anorganische oder organische Flüssigkeiten sein. Beispielsweise besitzen C5- bis C15-Kohlenwasserstoffe einen kubischen Wärmeausdehnungskoeffizienten von mehr als 1 × 10-3 grad-1.The variable in its axial length depending on the actuator is z. B. a bellows actuator with a configuration approximately according to known pressure cans. The actuator is preferably formed by two concentrically arranged metal bellows, the space between the two bellows being filled with a fluid, in particular a liquid. For this purpose, liquids are preferably used with the highest possible cubic coefficient of thermal expansion of more than 1 × 10 -3 degrees -1 . These liquids can be inorganic or organic liquids. For example, C5 to C15 hydrocarbons have a cubic coefficient of thermal expansion of more than 1 × 10 -3 degrees -1 .
Da die Flüssigkeit in dem von den Bälgen abgeschlossenen Raum druckdicht eingeschlossen ist, treten auch keine Leckströme auf, die etwa bei einer Wasserturbine zu einer Gewässerverschmutzung führen könnten. Zugleich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung wartungsarm. Insbesondere entfällt eine komplizierte Mechanik zur Bewegung der Verstellstange, da sie einfach mit dem Stellglied verbunden ist, z. B. mit einem Joch auf dem Stellglied ruht.Because the liquid in the space enclosed by the bellows is enclosed pressure-tight, there are no leakage currents, which, for example in the case of a water turbine, leads to water pollution could lead. At the same time, the device according to the invention low maintenance. In particular, there is no complicated mechanics to move the adjustment rod, because it is easy with the Actuator is connected, for. B. with a yoke on the Actuator is at rest.
Statt des mit einer Flüssigkeit gefüllten Balgenstellgliedes kann das temperaturabhängig veränderbare Stellglied auch in anderer Weise ausgebildet sein. So ist es beispielsweise möglich, mehrere aufeinanderliegende, im Querschnitt dreieckförmige Ringe zu verwenden, wobei die Ringe so angeordnet sind, daß sie mit der Spitze des Dreiecks alternierend nach außen und nach innen weisen, also die der Spitze gegenüberliegende Dreieckseite alternierend die Ringinnen- bzw. -außenumfangsfläche bildet, wobei die mit der Spitze nach außen weisenden Ringe einerseits und die mit der Spitze nach innen weisenden Ringe andererseits jeweils einen möglichst unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, also beispielsweise einerseits aus Metall und andererseits aus Keramik bestehen.Instead of the bellows actuator filled with a liquid can the temperature-dependent variable actuator also in be formed in another way. For example possible, several superimposed, in cross section to use triangular rings, the rings arranged so are that they alternate with the tip of the triangle point outwards and inwards, that is, the tip opposite side of the triangle alternately the inner ring or - Forms outer peripheral surface, the one with the tip facing outwards pointing rings on the one hand and those with the tip inside pointing rings, on the other hand, one if possible have different coefficients of thermal expansion, that is for example made of metal on the one hand and on the other hand Ceramics exist.
Gegenüber einem solchen Stellglied aus dreieckförmigen Ringen besitzt das mit einem Fluid gefüllte Balgenstellglied allerdings den Vorteil, daß sich das Fluid praktisch nur in axialer Richtung ausdehnen kann, d. h., der kubische Ausdehnungskoeffizient wirkt sich praktisch in vollem Umfang auf die axiale Verschiebung der Verstellstange aus.Compared to such an actuator made of triangular rings has the bellows actuator filled with a fluid the advantage that the fluid is practically only in the axial Can expand direction, d. that is, the cubic Expansion coefficient has a practically full effect the axial displacement of the adjustment rod.
Durch das in seiner Länge temperaturabhängig veränderbare Stellglied wird auch bei einem verhältnismäßig kurzen Weg eine hohe Kraft erzeugt, mit der die Schaufeln verstellt werden können.Due to the temperature-dependent change in its length Actuator becomes one even with a relatively short path generates high force with which the blades are adjusted can.
Die Einrichtung zum Variieren der Temperatur des Stellgliedes kann selbsttätig in Abhängigkeit von dem Volumenstrom bei einer Kaplan-Turbine in Abhängigkeit von der Durchflußmenge betätigt werden. Zur Regelung der Einstellung der Schaufeln kann ferner ein Fühler vorgesehen sein, der die Bewegung der Verstellstange mißt. Dieser Fühler, der vorzugsweise berührungslos arbeitet, kann ein Ultraschallentfernungsmesser oder eine induktiv oder kapazitiv arbeitende Meßeinrichtung sein.The device for varying the temperature of the actuator can automatically depending on the volume flow at a Kaplan turbine operated depending on the flow rate become. To regulate the setting of the blades can also a sensor can be provided for the movement of the adjusting rod measures. This sensor, which preferably works without contact, can be an ultrasonic range finder or an inductive or capacitive measuring device.
Die Einrichtung zum Variieren der Temperatur des Stellgliedes kann beispielsweise eine elektrische Widerstandsheizung und ggf. eine Kühleinrichtung aufweisen, die z. B. in einer wärmeisolierten Kammer angeordnet sind, die auch das Stellglied aufnimmt. Die Wärmeisolierung ist dabei entsprechend der gewünschten Regelgeschwindigkeit auszulegen. Da es etwa bei Kaplan-Turbinen im allgemeinen nicht auf eine sehr hohe Regelgeschwindigkeit ankommt, kann die Wärmeisolierung entsprechend ausgelegt werden. Statt einer elektrischen Widerstandsheizung kann das Stellglied auch in anderer Weise berührungslos erwärmt werden, beispielsweise durch eine induktive Erwärmung oder durch Mikrowellen. Die Erwärmung durch Induktion oder Mikrowellen hat gegenüber der Erwärmung durch eine Kammer mit einer elektrischen Widerstandsheizung den Vorteil, daß weniger Volumen aufgeheizt zu werden braucht, die Vorrichtung also regeltechnisch schneller anspricht, und zugleich für das Stellglied keine oder nur eine geringe Wärmeisolierung erforderlich ist.The device for varying the temperature of the actuator can, for example, an electrical resistance heater and possibly have a cooling device, the z. B. in one Insulated chamber are arranged, which is also the actuator records. The thermal insulation is according to the to design the desired control speed. Since it's about Kaplan turbines in general are not very high Control speed arrives, the thermal insulation be interpreted accordingly. Instead of an electric one Resistance heating can also be used in other ways be heated without contact, for example by a inductive heating or by microwaves. The warming through Induction or microwaves has to do with heating a chamber with an electrical resistance heater Advantage that less volume needs to be heated, the Device responds faster in terms of control technology, and at the same time no or only a small amount for the actuator Thermal insulation is required.
Eine ggf. vorgesehene Kühleinrichtung kann den Abtransport der Wärme nach einer Aufheizung des Stellgliedes unterstützen und z. B. auch die Heizung nach deren Abschaltung kühlen. Die Kühleinrichtung kann z. B. eine Kühlschlange und/oder ein Gebläse zum Zuführen von Kühlluft etc. umfassen.A possibly provided cooling device can remove the Support heat after heating the actuator and z. B. also cool the heating after it has been switched off. The Cooling device can e.g. B. a cooling coil and / or a Blowers for supplying cooling air, etc. include.
Damit die Verstellung der Laufradschaufeln von der Umgebungstemperatur unbeeinflußt bleibt, wird vorzugsweise das Stellglied im Betrieb auf eine Mindesttemperatur erwärmt, die z. B. der höchsten Umgebungstemperatur entspricht, bei einer Kaplan-Turbine also etwa 40°C.So that the adjustment of the impeller blades from the Ambient temperature remains unaffected, is preferably Actuator heated to a minimum temperature during operation, which, for. B. corresponds to the highest ambient temperature at a Kaplan turbine around 40 ° C.
Um bei Stillstand des Rotors nach Ausschalten der Einrichtung zur Variierung der Temperatur des Stellgliedes die Bewegung der Verstellstange nach unten zu begrenzen, ist vorzugsweise ein Anschlag an der Verstellstange vorgesehen, der mit einem Anschlag an der Antriebswelle des Rotors zusammenwirkt.To when the rotor is stopped after switching off the device the movement of the to vary the temperature of the actuator To limit the adjustment rod downwards is preferably a Stop provided on the adjustment rod, the one Stop cooperates on the drive shaft of the rotor.
Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Verbindung mit einer Wasserturbine anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen, jeweils stark schematisch vereinfacht:An embodiment of the invention is shown in FIG Connection with a water turbine based on the drawing explained. In it, each shown in a highly simplified schematic:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Wasserturbine; FIG. 1 is a longitudinal section of a water turbine;
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II nach Fig. 1, wobei nur eine Laufschaufel dargestellt ist. Fig. 2 shows a section along the line II-II of FIG. 1, only one rotor blade being shown.
Gemäß Fig. 1 besteht die Wasserturbine aus einem Laufrad 1 mit senkrecht angeordneter Welle 2 und einem Stator 3, der sich auf einem Fundament 4 abstützt. Die Welle 2 treibt beispielsweise über eine nicht dargestellte Transmission einen nicht dargestellten Generator an. Referring to FIG. 1, the water turbine of an impeller 1 with a vertically arranged shaft 2 and a stator 3, which is supported on a foundation 4. The shaft 2 drives a generator, not shown, for example, via a transmission, not shown.
Die Antriebswelle 2 ist am Stator 3 über ein Axiallager 5 und ein Radiallager 6 gelagert. Durch die als Hohlwelle ausgebildete Antriebswelle 2 erstreckt sich eine Verstellstange 7, die mittels Führungen 8, 9 axial verschieblich in der Hohlwelle 2 gelagert ist.The drive shaft 2 is mounted on the stator 3 via an axial bearing 5 and a radial bearing 6 . An adjusting rod 7 extends through the drive shaft 2 , which is designed as a hollow shaft, and is mounted in the hollow shaft 2 in an axially displaceable manner by means of guides 8 , 9 .
Die Verstellstange 7 dient zur Verstellung der Schaufeln 10, 11 am Laufrad 1. Dazu ist an dem unteren Ende der Verstellstange 7 eine Platte 12 befestigt. Wie in Fig. 2 anhand der Schaufel 10 näher erläutert, ist die Schaufel 10 um eine radiale Drehachse 13 verschwenkbar. Dazu ist am Laufrad 10 ein Wellenzapfen 14 befestigt, der am Laufrad 1 bei 15 gelagert ist. Der Wellenzapfen 14 weist einen Hebel 16 auf, der über ein Gelenk 17 mit einem Zapfen 18 verbunden ist, der an der Platte 12 befestigt ist. Auf diese Weise werden bei Bewegung der Verstellstange 7 in Richtung des Doppelpfeiles 19 die Schaufeln 10, 11 um die Drehachse 13 verschwenkt. Das in Fig. 2 dargestellte Laufrad weist z. B. vier Schaufeln auf, wobei die restlichen drei der Einfachheit halber weggelassen sind. Die Zapfen an der Platte 12, die die restlichen drei Schaufeln betätigen, sind jedoch in Fig. 2 punktiert angedeutet.The adjusting rod 7 is used to adjust the blades 10 , 11 on the impeller 1 . For this purpose, a plate 12 is attached to the lower end of the adjusting rod 7 . As explained in more detail in FIG. 2 with reference to the blade 10 , the blade 10 can be pivoted about a radial axis of rotation 13 . For this purpose, a shaft journal 14 is fastened to the impeller 10 and is mounted on the impeller 1 at 15 . The shaft journal 14 has a lever 16 which is connected via a joint 17 to a journal 18 which is fastened to the plate 12 . In this way, the blades 10 , 11 are pivoted about the axis of rotation 13 when the adjusting rod 7 moves in the direction of the double arrow 19 . The impeller shown in Fig. 2 has z. B. four blades, the remaining three being omitted for simplicity. The pins on plate 12 , which actuate the remaining three blades, are indicated by dotted lines in FIG. 2.
An dem oberen Ende der Verstellstange 7 ist ein Joch 20 befestigt, das sich am oberen Bereich der Hohlwelle 2 über ein in seiner axialen Länge temperaturabhängig veränderbares Stellglied 21 abstützt. Das Stellglied 21 besteht aus zwei konzentrischen Bälgen 22, 23, die als Wellrohre ausgebildet sind. Der Zwischenraum 24 zwischen den beiden Bälgen 22, 23 ist mit einer Flüssigkeit mit einem möglichst hohen kubischen Wärmeausdehnungskoeffizienten gefüllt. Die beiden Metallbälge 22, 23 sind an ihren beiden Stirnseiten druckdicht verschlossen, so daß aus dem Zwischenraum 24 keine Flüssigkeit austreten kann. Statt zwei Bälgen ist es denkbar, auch drei oder mehr konzentrisch angeordnete Bälge einzusetzen, z. B. um die Ausdehnung in axialer Richtung zu optimieren. A yoke 20 is fastened to the upper end of the adjusting rod 7 and is supported on the upper region of the hollow shaft 2 by means of an actuator 21 which is variable in its axial length as a function of temperature. The actuator 21 consists of two concentric bellows 22 , 23 which are designed as corrugated tubes. The space 24 between the two bellows 22 , 23 is filled with a liquid with the highest possible cubic coefficient of thermal expansion. The two metal bellows 22 , 23 are pressure-tightly closed on their two end faces, so that no liquid can escape from the intermediate space 24 . Instead of two bellows, it is conceivable to use three or more concentrically arranged bellows, for. B. to optimize the expansion in the axial direction.
Zur Erwärmung der Flüssigkeit im Zwischenraum 24 zwischen den beiden konzentrischen Metallbälgen 22, 23 ist eine Heizung 25, z. B. eine Heizspirale, in einem Gehäuse 26 vorgesehen. Das Gehäuse 26 umschließt das Stellglied 21 und ist mit einer Wärmeisolierung 27 versehen. Das Gehäuse 26 wird mit Armen 28, 29 vom Stator 3 getragen. Ferner kann noch eine Kühleinrichtung 32 vorgesehen werden, z. B. ein Gebläse, mit dem über eine automatisch gesteuerte Luftklappe 33 Kühlluft in das Gehäuse 26 geblasen und über eine ebenso gesteuerte Luftklappe 34 abgeführt wird.To heat the liquid in the space 24 between the two concentric metal bellows 22 , 23 , a heater 25 , for. B. a heating coil, provided in a housing 26 . The housing 26 surrounds the actuator 21 and is provided with thermal insulation 27 . The housing 26 is supported by the stator 3 with arms 28 , 29 . Furthermore, a cooling device 32 can be provided, for. B. a blower with which an automatically controlled air flap 33 blows cooling air into the housing 26 and is discharged via an equally controlled air flap 34 .
Bei Erwärmung der Flüssigkeit im Zwischenraum 24 zwischen den beiden Metallbälgen 22, 23 vergrößert sich durch die Wärmeausdehnung der Flüssigkeit die axiale Länge des Stellgliedes 21. Dadurch wird das Joch 20 und die daran befestigte Verstellstange 7 mit der Platte 12 nach oben bewegt, wodurch der Hebel 16 und damit die Laufradschaufeln 10, 11 verschwenkt werden. Um die Verschwenkung rückgängig zu machen oder zu verkleinern, wird die Heizung 25 gedrosselt bzw. abgestellt, wobei die Temperaturverringerung durch die Kühleinrichtung 32 unterstützt werden kann.When the liquid is heated in the intermediate space 24 between the two metal bellows 22 , 23 , the thermal expansion of the liquid increases the axial length of the actuator 21 . Characterized the yoke 20 and the adjustment rod 7 attached to it is moved with the plate 12 upward, whereby the lever 16 and thus the impeller blades 10 , 11 are pivoted. In order to undo or reduce the pivoting, the heater 25 is throttled or turned off, the temperature reduction being able to be supported by the cooling device 32 .
Am oberen Ende des Gehäuses 26 befindet sich eine Ultraschalleinrichtung 30, die den Abstand zum Joch 20 und damit die Position der Verstellstange 7 mißt. Ein Regelkreis weist noch eine nicht dargestellte Vorrichtung zur Messung der Durchflußwassermenge auf und betätigt in Abhängigkeit dieser Menge und der Signale der Ultraschalleinrichtung 30 die elektrische Heizung 25 bzw. die Kühleinrichtung 32.At the upper end of the housing 26 there is an ultrasound device 30 which measures the distance to the yoke 20 and thus the position of the adjusting rod 7 . A control circuit also has a device (not shown) for measuring the amount of flow water and, depending on this amount and the signals from the ultrasound device 30 , actuates the electric heater 25 or the cooling device 32 .
In der Nabe des Läufers 1 ist ein ringförmiger Anschlag 31 vorgesehen, auf dem sich die Platte 12 abstützt, wenn die Heizung 25 ausgeschaltet wird und sich dadurch die Verstellstange 7 nach unten bewegt.In the hub of the rotor 1 , an annular stop 31 is provided, on which the plate 12 is supported when the heater 25 is switched off and the adjusting rod 7 thereby moves downward.
Die geschilderte Ausführung kann selbstverständlich auch in Verbindung mit anderen, z. B. den eingangs genannten Rotoren, Propellern, Turbinen etc. ggf. nach entsprechender Anpassung verwendet werden.The described design can of course also in Connection with others, e.g. B. the rotors mentioned at the beginning, Propellers, turbines etc. if necessary after appropriate adjustment be used.
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- 1992-09-03 DE DE4229430A patent/DE4229430C2/en not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE4229430C2 (en) | 1994-06-16 |
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