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Einrichtung zur Verstellung der Schaufeln von Laufrädern mit drehbaren
Schaufeln. Die Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung für Drehschaufeln von Laufrädern
an Turbinen und Pumpen, die von Hand während des Stillstandes oder Betriebes oder
durch Hilfskraftmaschinen mit Öldruck eingestellt werden. Die Erfindung besteht
in der besonderen Ausgestaltung der Stellvorrichtung. Die Vorrichtung kennzeichnet
sich dadurch, daß die Regelung über ein Differentialgetriebe erfolgt, das, auf der
Maschinenwelle angeordnet, normalerweise zusammen mit dieser rotiert und mittels
einer im Innern der Maschinenwelle angeordneten selbsthemmenden Schraube die Schaufeln
in dem einen oder in dem anderen Sinne dreht, je nachdem das eine oder das andere
Zahnrad des Differentialgetriebes durch Abbremsung am Umlauf mit der Maschinenwelle
gehindert wird.
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Die Zeichnung veranschaulicht beispielsweise eine Ausführungsform
der Einrichtung, die auf das Laufrad einer Kaplan-Wasserturbine mit lotrechter Welle
angewandt ist.
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Abb. i und 2 sind lotrechte, im Winkel zueinander stehende, vollständige
und teilweise Schnitte durch Welle und Laufrad der Turbine.
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Abb.3 ist ein teilweiser Aufriß.
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Abb.4 ist ein wagerechter Schnitt nach Linie IV-IV der Abb. i.
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Die lotrechte Turbinenwelle i ist hohl. Sie trägt an ihrem unteren
Ende die Laufradnabe 2 mit den Achsen 3 der vier radial um diese Radnabe angeordneten
Drehschaufeln 4 und an ihrem oberen Ende einen Flansch 5 mit anschließendem Ringteil
i g, der mit der weiter unten beschriebenen Vorrichtung zur Regelung der Schaufeln
versehen ist. Der Ringteil 19 ist mit einem Gegenflansch 7 der Welle 8 der durch
die Turbine angetriebenen Maschine durch Schraubenbolzen 6 verbunden.
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Die vier Achsen 3 der Schaufeln 4 tragen je einen Hebel 9, der durch
einen Lenker io mit einer kreuzförmigen Mutter 14 verbunden ist. Die Mutter 14,
welche auf dem unteren, mit einem Gewinde versehenen Teil 15 einer im Innern
der Welle i vorgesehenen. konachsialen Welle 16 aufgeschraubt ist, kann sich auf
dieser Welle 16 achsial verschieben, wird aber an einer Drehung mit desselben durch
Führungsrippen 12 der Radnabe 2 gehindert. Durch die achsiale Verschiebung der Mutter
14, bei einer Drehung der selbsthemmenden Schraubenspindel 15, werden gleichzeitig
die Schaufeln gedreht.
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Die Welle 16 ist in der Welle i durch ein Lager 2o gehalten und trägt
an ihrem oberen Ende ein im Hohlraume des Ringes i9 zwischen den beiden Flanschen
5, 7 angeordnetes Kegelzahnrad 21. Der Zahnkranz 23 dieses Rades steht finit mehreren
gleich großen Kegelritzeln 24 in Eingriff, die je
an dem einen Ende
einer kleinen wagerechten, den Ring i9 radial durchdringenden Welle 25 festgekeilt
sind. Die Wellen 35
sind auf ihrem äußeren Ende je mit einem zweiten Kegelritzel
26 versehen, durch welches das Zahnrad 21 von außen her in Bewegung gesetzt werden
kann. Zu diesem Behufe kämmen die Ritze126 oben und unten mit zwei Zahnkränzen 27,
28, die mit Bremstrommeln 29, 3o versehen sind. Die Zahnkränze können sich um den
Ring i 9 frei drehen, sind aber auf demselben in achsialer und radialer Richtung
festgehalten. Die beiden Bremstrommeln sind je von einem Bremsband 34 32 umgeben,
das mit dem einen Ende an einem feststehenden Punkte 34 und an dem anderen an dem
Teil 3 5 eines um die Achse 34 schwingenden Hebels 33 befestigt ist. Die Anordnung
der Bremsbänder ist eine solche, _ daß in der in Abb. 4 angegebenen radialen Stellung
des Hebels 33 weder das eine noch das andere auf die Bremstrommeln einwirken, so
daß diese letzteren sich mit der Turbinenwelle frei und mit derselben Geschwindigkeit
wie diese Welle drehen können. Wenn dagegen der Hebel 33 in der einen oder der anderen
Richtung verschwenkt wird, wird das eine oder das andere Bremsband angezogen, um
die Geschwindigkeit der zugehörigen Trommel zu vermindern oder um sie ganz festzuhalten,
je nach der Größe der auf den Hebel einwirkenden Kraft. Die nicht gebremste Trommel
fährt fort, sich mit der Welle i zu drehen.
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Die Wirkung der beschriebenen Ausführungsform ist folgende: Angenommen,
die Neigung der Schaufeln 4 entspricht der verfügbaren Wassermenge und dem Gefälle,
so daß also kein Grund vorliegt, die Schaufellage zu ändern, dann bleibt der Hebel
33 in der radialen Lage (Abb. 4), in welcher beide Bremsbänder 34 32 gelöst sind;
so daß beide Trommeln 29, 30 sich mit der Welle i und mit derselben Geschwindigkeit
wie diese frei drehen. Daraus ergibt sich, daß die Teile 26, 25, 24, 21, 16, 14,
3 und die Schaufeln 4 in bezug auf die Welle i unbeweglich bleiben und sich mit
gleicher Geschwindigkeit wie die letztere Welle um die Achse dieser drehen.
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Die hydraulischen, auf die Schaufeln wirkenden Drehkräfte werden somit
durch das Lager 2o der Welle 16, d. h. durch die Turbinenwelle i selbst, aufgenommen.
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Wenn jedoch die Stellung der Schaufeln 4 geändert werden soll, bei
Änderung der Wassermengen- oder Gefällverhältnisse, so schwenkt man den Hebel 33
nach der betreffenden Richtung, um das eine der Bremsbänder, z. B. 31, anzuziehen,
wodurch die Bremstromme129 und somit der Zahnkranz 27 festgehalten werden, während
die Welle i fortfährt, sich mit den Ritzeln 26 zu drehen. Dadurch sind letztere
gezwungen, sich auf dem feststehenden Zahnkranz 27 abzurollen; durch die Drehung
der Wellen 25 und der Ritzel 24 wird dem Zahnrade 2 t und somit der Welle 16 eine
relative Drehbewegung in bezug auf diejenige der Welle i mitgeteilt; die auf der
Welle 16 äufgeschraubte Scheibe 14 geht hinauf oder hinunter, je nach- der Drehrichtung
der Welle 16, und dreht die, Schaufeln um ihre Zapfen 3. Wenn die Schaufeln q: die
neue gewünschte Stellung eingenommen haben, wird der Hebel 33 in seine mittlere
Stellung zurückgebracht, wodurch die Bremstrommel 29 frei wird und die Bewegung
des die Schaufeln betätigenden Mechanismus aufhört. Die Schaufeln werden in dieser
Stellung festgehalten.
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Auf diese Weise verwendet zeitweise der beschriebene Mechanismus einen
Bruchteil der unmittelbar von der Turbine gelieferten Leistung, um die Stellung
der Schaufeln im Betriebe zu regeln, welche Regelung eine um so stärkere Kraft erfordert,
je größer die Abmessungen des Turbinenrades und der Gefällehöhe sind. Andrerseits
bietet er den Vorteil, daß die Turbinenwelle nicht geschwächt wird, indem die übertragung
der Kräfte von außen nach innen durch die Kupplungsscheibe hindurch vor sich geht,
welche immer kräftig genug ist, oder durch das freie Ende der Welle, wenn immer
möglich.
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Mit dieser Einrichtung kann auch die Stellung der Schaufeln 4 beim
Stillstand der Turbine verändert werden. indem man eine der verlängerten Wellen
.25 der Ritzel 24 bis 26 mittels eines auf einen Vierkant 69 aufgesteckten Schlüssels
dreht oder die eine mit einem Zahnkranz 70 versehene Bremstrommel 29 mit
einem Ritzel 71 in Eingriff bringt, das durch einen Motor oder von Hand durch ein
Handrad 76 in Bewegung gesetzt wird, wie in Abb. i angegeben.
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Die Stellung der Schaufeln kann außerhalb der Welle i während der
Drehung dieser letzteren in der in Abb. 2 und 3 veranschaulichten Weise angezeigt
werden: Ein außerhalb der Welle i angeordneter, mit derselben konachsialer Ring
55 dreht sich mit dieser Welle i und kann sich auf einer an der Scheibe 5 befestigten
Trommel 39 achsial verschieben. Die Verschiebung des Ringes 55 entspricht der Drehung
der Schaufeln 4 und wird auf einer feststehenden Skala 56 angegeben. Die Verschiebung
erfolgt vom Zahnrad 21 aus über das Rädergetriebe 41, 43, 45, 47 durch die
Drehung der Schrauben 51, die je eine mit dem Ringe 55 festverbundene und sich in
einer achsialen
Nut 52 der Trommel 39 bewegende Mutter 53 tragen.
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Dieser Anzeigering wird noch bei der beschriebenen Ausführungsform
verwendet, um die Bewegung der Schaufeln selbsttätig zu begrenzen, wenn letztere
ihre äußerste Stellung erreicht haben. Hierzu dient ein Gabelhebel 59, dessen Welle
6o in einem feststehenden Tragstück 61 drehbar gelagert ist und am anderen Ende
durch einen fest aufgekeilten Hebel 62 mit dem Hebel 33 der beiden Bremsbänder
31, 32 verbunden ist. Die beiden Enden des Gabelhebels 59_ sind mit je einer Rolle
57, 58 versehen, die als Anschlag für den Ring 55 dienen.
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Kommt dieser am Ende seines ZVeges mit der einen oder der anderen
Rolle in Berührung, so wird durch die Hebel 59, 62 der Hebel 33 in seine
Mittelstellung zurückgebracht und die durch das Differentialgetriebe den Schaufeln
mitgeteilte Bewegung beendet. Dann können die Schaufeln nur noch in der entgegengesetzten
Richtung bewegt werden, da der Hebel 33 in der anderen Richtung durch die vom Ring
55 berührte Rolle festgehalten wird.
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Für jedes Bremsband kann ein besonderer Hebel 62 vorgesehen
werden.
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Die Bremsung der beiden Zahnräder 27, 28 des Differentialgetriebes
kann statt mit zwei Bremsbändern auch z. B. durch eine Friktionsmuffe erfolgen.
welche den beiden Zahnkränzen gemeinsam ist und auf sie achsial einwirkt.
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Die Bremsung kann man auf andere Weise steuern als von Hand, z. B.
mechanisch, hydraulisch oder elektrisch, durch Gegengedichte, Federn, Hilfsmaschine
(Servomotoren), elektromagnetische Vorrichtungen, wie Elektromagnete. Die Steuerung
kann eine unmittelbare oder eine mittelbare sein. Die Bewegung der Schaufeln kann
durch einen selbsttätigen Geschwindigkeits-, Druck-, Wasserstandsregler usw. geschehen.
Im Falle einer Wasserturbine kann die selbsttätige Regelung mit der die Durchflußmenge
der Turbine beeinflussenden Regelung der Leitradschaufeln vereinigt werden.
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Der Stellungsanzeiger kann am Wellenende vorgesehen, d. h. unmittelbar
durch die, wie in Abb. i gestrichelt angegeben, verlängerte Welle 16 bewegt werden
und kann dann auch zur Begrenzung der Bewegung der Schaufeln dienen.
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Die Welle 16 kann auch mit der Mutter 1 ¢ starr verbunden sein und
anstatt sich mit dem Zahnrad 21 zu drehen, sich gegen letztere achsial verschieben,
längs einem in der Radnabe des Zahnrades 21 angeordneten Muttergewinde. Sie kann
sich ebenfalls mit dem Zahnrade 21 gemeinsam drehen, wobei sie sich achsial in der
Nabe des Zahnrades verschiebt, welche mit in Nuten der Welle gleitenden Mitnehmerkeilen
versehen ist. In dieser Ausführung weist die Welle zwei verschiedene Gewinde auf,
von denen das eine in einer feststehenden, mit der Motorwelle verbundenen Mutter
angeordnet ist und das andere sich in der beweglichen Mutter der Scheibe 1.1 (Abb.
i) dreht. Durch die Wellendrehung wird also die Mutter 14 nur proportional dem Unterschied
zwischen den Steigungen beider Gewinde hinauf- oder heruntergehen, d. h. viel langsamer
als bei der beschriebenen Ausführungsform. Eine solche Anordnung ist zweckmäßig
in den Fällen, in welchen die zu übertragenden Kräfte beträchtliche sind und die
Umdrehungszahl der Maschinenwelle keine große ist, d. h. wenn es sich um Laufräder
von großen Abmessungen handelt. Eine noch größere Geschwindigkeitsherabsetzung der
übertragungsvorrichtung kann bei dieser Einrichtung durch Einschaltung von Zahnrädern,
z. B. Planetengetriebe, zwischen das Rad 21 und die Welle 16 erreicht werden.
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Die Einrichtung kann auch zur gleichzeitigen Bewegung der Schaufeln
mehrerer auf derselben Welle angeordneten Laufräder mit beweglichen Schaufeln dienen.
In diesem Falle werden alle Scheiben 1 ¢ durch eine die ganze Länge der Welle i
durchsetzende Welle 16 beeinflußt, die durch ein einziges Differentialgetriebe geregelt
wird, das entweder an dem einen Ende der Welle i oder zwischen zwei Teilen dieser
Welle angeordnet ist.
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Die Zahl der Radschaufeln und der die Zahnritzel 2q., 26 tragenden
Wellen 25 kann von der dargestellten abweichen.
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Der die Wellen 25 tragende Ring i9 kann auch als besonderes Stück
hergestellt werden und braucht nicht aus einen einzigen Schmiedestück mit dem Flansch
5 zu bestehen.
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Endlich kann die Einrichtung zur-Regelung der beweglichen Laufradschaufeln
von anderen Turbinen als Kaplanturbinen, z. B. von Reaktionsturbinen, sowie auch
bei anderen Wassermaschinen, etwa Schaufelpumpen, Verwendung finden, die nicht Kraft
liefern, sondern durch einen Motor angetrieben werden. Im letzteren Falle wird die
zur Bewegung der Schaufeln nötige Kraft durch den die Maschine antreibenden Motor
gelliefert.